Engineer は、すべての電子回路で「アース」という言葉を使用して、「中立」、つまり電位がゼロのシステムや構造体のある部分を表わします。 残念ながら、私たちはしばしば、回路やシステム、特にアナログとデジタルの両方の信号を持つ回路やシステムには、複数のグランドがあると考えます。 この考え方は、シグナルインテグリティのオンラインコミュニティで最近議論されたもので、この記事を書くきっかけとなりました。 エンジニアやPCB設計者は、さまざまな種類のグランドとその接続方法についてよく言及します。 これらのグランド（実際はリターンパス）の接続方法は、システムの性能に大きな影響を与えます。
この議論で言及されるグラウンドの種類は次のとおりです。
- Logic ground
- Analog ground
- Chassis ground
- Safety ground
- Earth ground
これらのさまざまな「グランド」の接続方法には、以下を含む幅広いオプションが提案されている：
- 1 点だけで接続する方法。
- 混合信号コンポーネントの下でグラウンド プレーンを切断する。
- それらをコンデンサーで接続する。
- アナログ側とデジタル側のデザインの間で 1 箇所だけ狭い接続があるように PCB でグラウンド プレーンをセグメント化する。
- アナログとデジタルのグランドを分離する。
Figure 1 ほとんどの回路図に見られるデジタル ロジック グラウンド シンボル。
これらの一見矛盾するグランド処理方法は、少し混乱することがあります。 まず、グランドとは何かを明確にすることで、混乱を減らすことができます。
最初に尋ねるかもしれない質問です。 上記のアイテムがすべて地上にあるのはなぜですか？ 答えは簡単です。 どれもそうではありません。
これが唯一の定義なら、グランドと呼ばれる他のものは何でしょうか。
デジタル ロジック グランドは、デジタル ロジック用の電源の「基準」端子です。 ほとんどのデジタル ロジック システムでは、ロジック電源のマイナス端子で、通常、図 1 の記号で示されます。
アナログ グラウンドは、アナログ回路に電源を供給する電源の基準端子です。 アナログ信号源の片側が結ばれている場所です。 信号源のもう一方は、アナログ入力または出力に接続されています。 アナログ・グラウンドは通常、図2 .
Figure 2 Analog ground schematic symbol.
Chassis groundは、AC電源から製品のケースへの安全線の接続に与えられる名前である。 製品のケースをシャーシと呼ぶことが多いため、この名前が付きました。 この線は通常、延長コードの緑色の線、製品に接続する3線式の電源線、またはACコネクタの3番目のピン（丸い方）である。 この緑色の電線を建物内でたどると、最終的に大地に打ち込まれた銅の杭に接続されます。 この接続の目的は、主電源線の1本が誤って製品のケースまたは「シャーシ」に接続された場合に、製品の操作者を保護することです。
Figure 3 “Chassis” Ground schematic symbol.
時々、EMI 技術者はこの「シャーシグラウンド」（図 3 ）を EMI の抑制に何らかの機能がある場所として誤って言及することがあります。 電子設計のこの部分には何の役割もないため、この記述はこれまでも、これからも、事実に基づくものではありません。
安全グラウンドは、シャーシグラウンドを説明するために使用される別の名前です。 アース・グラウンドは、安全グラウンドの別名です。
これらの名称はすべて、「グラウンド」回路（リターン経路）をどのように接続するか、そもそも接続する必要があるか、接続するとしたらなぜか、という問題につながります。
アナログ信号の取り扱い
アナログ信号の問題を最初に取り上げると、信号のパフォーマンスを低下させる外部ノイズの発生源からアナログ信号を保護する必要があります。 図4は、典型的なアナログとデジタルの混載ICの例で、アナログ・グラウンド端子とデジタル・グラウンド端子の両方を持つ回路の両側面を示しています。 ミックスドシグナル電子機器を設計する際の問題のほとんどを代表しています。
赤いハイライトは、”アナログ判定ループ “と呼ばれるものを示しています。 これは、回路が適切に機能するために、外部のノイズ源から保護されなければならない回路です。 ICには、アナログの “グランド “端子とデジタルの “グランド “端子があります。 これらのピンをどのように適用するかを理解し、適切なPCB設計に到達する必要があります。 このミックスドシグナルICのデジタル側には、グランドリードを通じて過渡電流が流れます。 この電流は、アナログ信号の内部デジタル処理に関連するもので、ICの出力伝送路を駆動する。 これが2.5Vのロジックシステムにおける8ビットA/Dコンバータであれば、この経路に流れる過渡電流は200mAにも及ぶ可能性がある。 このように，グランドリードのインダクタンスに流れる電流が急激に変化すると，PCBのグランドとダイのグランド間に100mV程度の電圧過渡現象が発生することがある。 これは、論理回路にとっては許容できる過渡現象です。
議論されている回路が 12 ビット A/D コンバータである場合、回路のアナログ側は、2 V の信号振幅のうち 0.5 mV の電圧差を解決する使命を負っています。 このため、ICのアナログ側には、パッケージから独立したグラウンド経路を設けています。
図 4 は、アプリケーション ノートやその他のガイドラインで、アナログ用とデジタル用のグランド プレーン、または部品の下でグランド プレーンを分割するように指定されている回路の典型例です。 これらのいずれかを行うと、アナログ信号ループを外部ノイズから保護するという実際のエンジニアリングの問題から遠ざかります。 (注: 図 4 の電流の流れの矢印の方向は、電流の流れを構成する電子の流れです。)
図 4 アナログ/デジタル変換器は通常アナログと信号の戻り用に別々のピンを備えています。
コンポーネントの下のグランド プレーンを分割すると不要な副作用が発生します。 切断面の片側から反対側へ渡る必要のある信号には、リターン電流の経路がありません。 その電流は、ソースに戻る別の方法を見つけ、シグナル・インテグリティまたは EMI の問題につながる可能性があります。 1つは、近接しすぎた隣接信号からの容量性または磁気結合によって、ループのいずれかの側に結合されることです（通常、これをクロストークと呼びます）。 クロストークは、EMフィールドの電気成分（容量性クロストーク）またはEMフィールドの磁気成分（誘導性クロストーク）により発生することがあります。 どちらの形態が存在するかは、隣り合う2つの導体の構成に依存します。)
ノイズがアナログ回路に影響を与える第2の方法は、パスの「接地」側が別の信号によって共有されるようにすることです。 これは通常、アナログ信号源とデバイスのアナログ「グランド」ピンとの接続が、部品から少し離れたグランドプレーンに行われた場合に起こります。 ほとんどの場合、これらの問題は、ICの端子で2つの接続が行われるシールドケーブルを使用することで解決される。1つの接続は、デバイスの「アナロググランド」端子に接続するシールドと、アナログデバイスの入力側に接続する中心導体である。 この種の回路の例としては、
- ディスクドライブの読み取りヘッドとプリアンプの接続
- ひずみゲージと入力アンプの接続
- 蓄音機の針と入力プリアンプの接続（これは古い人しか知らない！）
図4の例は、アナログソースが「オフボード」のシステムを扱ったものです。 ソースとロードの両方が同じ PCB 上にある場合、「アナログ ループ」を扱う適切な方法は、それがどこにあるかを調べ、性能を損なうクロストークや回路の「グランド」部分の電圧勾配からループを保護するレイアウト選択を行うことです。 ほとんどの場合、この問題は、アナログ判断ループがある領域に他の回路からの電流が流れないように、PCB表面上の部品を慎重に配置することを選択することで対処できる。 この種の回路の例としては、ラジオやステレオ システムのアンプ ステージ間の接続が挙げられます
EMIの処理
EMIに関連してグラウンドの話題が出たとき、EMIエンジニアのブルース・アーケンボーの言葉が役に立つことがあります。 実際、製品から漏れて EMI 障害を引き起こす可能性のある RF エネルギーを封じ込めるという、目の前の課題から注意をそらすことになります。 EMI 抑制に重要なのは、ケーブルのシールドと製品を囲むファラデー ケージですが、それは別の記事の主題です。
グランドとは何か、どのように使用するかに関して、アプリケーション ノートとガイドラインという形で非常に多くの誤った情報が存在します。 これらのアプリケーション ノートの中には、グランド プレーンをアナログ側とデジタル側に分割し、両側を 1 点のみ接続するように指示するものがあります。 また、アナログとデジタルの2つの分離したプレーンを設けることを提案するものもあります。 この2つのプレーンをどのように接続するかは、各アプリケーションノートによって異なります。 私の経験では、これらのノートは、存在することが証明されていない問題を扱っているのです。
リターン ネットワークの設計方法を選択する際には、以下の質問を考慮してください。
これらの 3 つの質問に有効な答えがない場合は、そのソリューションは単にでっち上げで、EMI 問題など、他では存在しないかもしれない問題を発生させる可能性があります。 私が解決した多くの EMI 問題は、1990 年代後半から 2000 年代初頭にかけて、小型ディスク ドライブでよく遭遇したスプリット グランド プレーンに端を発していました。
電子システムには、グランドと呼ぶ、電流によって AC および DC 電圧勾配を持つネットワークがあります。 したがって、EMI に関して魔法の特性を持つ等電位と見なすことはできません。
PCB には、アナログ グランド プレーンとデジタル グランド プレーンが必要ありませんが、それは、それらがあっても製品のアナログ部分の適切な動作が保証されないからです。 その代わり、PCB 全体で連続した 1 つのグランド プレーンを持つべきであり、その後、意思決定ループを慎重に設計する必要があります。 私はシグナル インテグリティのクラスで 9,000 人以上の学生に、グランド プレーンを分割することでパフォーマンスが向上した例があるかどうか尋ねました。 今日に至るまで、誰もそのような例を挙げることはできませんし、私の同僚であるエンジニアも同様です。 Kenneth Wyatt が指摘するように、「しかし、最新の考え方 (Clemson University の Todd Hubing) では、リターンプレーンを単一プレーンとして維持し、信号トレースの配線に注意して (対応するリターン電流を念頭に置いて) A/D 境界を越えないようにすることが最善です」
高電圧絶縁目的でリターンプレーンを分割しなければならないような珍しいケースでは、分割部分を越える必要がある信号は連続リターン電流経路が必要ない方法で行う必要があります。 トランス、光アイソレータ、およびその他のタイプのアイソレータが、ここでよく使用されます。
先に述べたように、「シャーシ」グラウンドは安全専用の機能で、回路の電子機能またはその EMI パフォーマンスには何の役割も果たしません。 したがって、ロジック グラウンドを「シャーシ」グラウンドに接続する必要はなく、場合によっては接続が許可されません。
おそらく設計エンジニアが直面する最も困難な課題の 1 つは、印刷物やオンライン上の不正確な情報、あるいは、多くの場合、与えられたアドバイスが技術的に有効かどうかを確認するために必要な調査を行っていない誰かによって単に作られた情報をすべて整理することです。
この記事が、PCB およびシステム設計において誤って「グランド」と呼ばれているものを解明するための、良いスタート地点になることを願っています。
- グランドという神話
- グランド幻想。
- 川を渡る。 7807>
- Return Path Discontinuities and EMI: Understanding the relationship
- EMI and Emissions: rules, regulations, and options
- Grounding and shielding: 7807>
- EMI およびエミッション: 規則、規制、およびオプション
- EMC の質問への回答 (パート 7)
- Successful PCB grounding with mixed-signal chips – Part 1: 電流の流れの原理
- PCB設計の10のベストプラクティス
- EMC軽減のためのPCボードに関する質問
- コモンモード信号の理解
- PCB信号の結合は問題になることがある
- デザイナーズ ノートブック。 信号の絶縁