アナログ出力の発振（パスコン）

質問

理由が分からず困っております。
どなたかご存知の方、教えてください。
基板上に同じICが一直線にたくさん並んでいる状態で、電源ーGND間に
パスコンをいくつか入れております。
各ICの直近に一つずつパスコンを入れれば問題ないのですが、
減らすとアナログ出力が発振してしまいます。
例えば、端に一つだけパスコンを入れると直近のアナログ出力は
問題ないのですが、パスコンから離れれば離れる程、発振が
ひどくなっていくといった状態です。
ちなみに、電源、GND、アナログ出力ラインは基板上で各ICにパラで
繋がっております。
パスコンの数を決めるにあたって、ある人に理由を持って説明
したいのですが、理由が今ひとつ分からないもので困っております。

分かりにくい文章になり申し訳ありません。
ご存知の方、是非教えてください。
よろしくお願いします。

回答No.5

foobar · ベストアンサー

発振（ノイズ?)
定性的には、
・#3で書いたように、ICの出力が変動－>消費電流が変動->IC電源電圧が変動する

・電源電圧が変動すると(パルス的に最低動作電圧を割り込む可能性も)、出力電圧に影響を与える(出力電圧は電源電圧-αまでしか出力できない)
(この場合はどちらかというと、ノイズかと)
・電源電圧の変動がICの入力(の動作)に影響を与え、出力が変化する

という具合に、
消費電流変化－>電源端子電圧の変化->出力変化
あるいは
消費電流変化->電源電圧変動->（等化)入力電圧の変動－>出力の変動ー＞消費電流の変化
というプロセス(後ろのパターンだと、ループを描いているので発振になる)が起きるかと思います。

(でも、電源ラインの抵抗が100オームってやっぱり高いような、、
状況によっては、電源ラインの電圧が下がって、ICの入力端子から電源端子に電流が逆流して、その電流でICが動作する、というような状況が起きているかも知れません。もちろん、このような状態は正常な動作状態ではないので、、、
)

お礼

ありがとうございます！

＞＞消費電流変化－>電源端子電圧の変化->出力変化
＞＞あるいは
＞＞消費電流変化->電源電圧変動->（等化)入力電圧の変動－>出力の変動ー＞消費電流の変化

ICの直近にパスコンをかますことで、各ICの消費電流変化
が押さえられて、この現象が軽減するというわけですね？！
基本的なことですいませんが、発振というのは例えばこのような
ループ現象によるものが原因になるという理解でいいですか？

＞＞ICの入力端子から電源端子に電流が逆流して
ですが、電源は一つで入力端子も近くにありますので、供給される
電圧もほとんど変わらないと思いますし、保護素子がONすることは
ないと思います。

ところで、アンプの電源にノイズが入ることで、出力が発振しやすく
なるということはあるんでしょうか？

申し訳ないです。
何かアドバイスいただけたら、よろしくお願いいたします。

回答No.8

a-saitoh

100オームと言うのは配線抵抗ではなくインピーダンスでしたか。
配線の直流抵抗が100オームと言うのはありえませんが、インピーダンスが100オームと言うのならありえます。が、やっぱりよくないですね。
とりあえず、アナログ出力のドライブ能力が過剰なんだったら直列抵抗を入れてみるとか、電源配線に半田を盛って少しでも電流供給能力を増やすとか、バスバーをつけるとか、小手先の対策はいくつかありますが。。

結局、プリント基板を設計しなおすのが一番安上がりだと思いますよ。失礼ですが、知識をあまりお持ちではないようですので、専門知識を持った人に設計してもらったらどうですか。

なお、アナログ出力を持つICでIC一つに一つずつのパスコンは最低限必要で、そもそもそれをサボろうという時点で間違っているように思います。
市販のいろいろなプリント基板をみると、両面/4層などでベタGNDなどの対策をしつつ、IC一つに1個以上パスコンがついているものしか見たことがありません。
最近はチップコンデンサなどで面積を食わないものが豊富に手に入りますから、基板面積の点では何とかなると思いますよ。

お礼

ありがとうございます！
ただ、下にも書いたんですが、基板の設計は客先でのことで
また下っぱの私からは直接、客にそのような提案は出来ません。
（向こうもこれらを承知でコスト削減していますし）
今回は発振の理屈が知りたいということでしたが、
色々、教えていただけ、ためになりました。
ありがとうございました！

回答No.7

foobar

補足
電源線の抵抗が100Ωもあると、ICの動作電流が平均2mA程度と想定しても電源線で(平均)0.2Vも電圧が下がってしまうことになります。
(動作に伴って、パルス的に消費電流が増えると、ICへの供給電圧もパルス的に、ストンと落ちてしまう)
ICの動作電源電圧範囲から逸脱し、誤動作しても不思議は無いように思います。

回答No.6

foobar

まず最初に、安定な回路を構成するには、電源周りの見直しをすべきかと思います。(コストや期間の制約が有るかもしれませんが、電源周りのトラブルで後々面倒が起きるよりも、最初に根本的な対策をしておいたほうが良いかと。）

また、＃４さんが書かれている、電源線の断線もやはり気になるので念には念を入れて、現物のチェックをされるほうが良いかと思います。（パターン切れ以外に、見た目繋がっていても、半田付け不良で繋がっていなかったとか、そういうこともありえますので）

で、対策としては、例えば、
・多層基板を使って、内側二層をそれぞれ全面、電源とGNDにする。
・多層基板が使えないなら、できるだけ電源（とGND)線を太く短くする。
　（そういう配線が出来るように、部品配置を見直す。）
・そういう対策が困難なら、電源バス用の部品(細長い板状の部品で、片面が電源、反対側がGNDになっていて、導体面積を広くすると同時に小容量のパスコンも兼ねるような部品があります）を使う。（もっとも、レイアウト変更は必要になるでしょうが）
（・それも困難なら、（信頼性や量産する場合には製作コストの問題があるので、出来るだけ避けたい手ではありますが）せめて、ICの電源端子、基板の電源端子間を別途電線で結ぶ）
などなど、、。

で、
発振
信号が＃５で書いたように、ループ状になって、外部から入力信号を入れなくても、信号が出続ける状況が「発振」です。
発振は、機器の特性でもあるので、通常の(線形な）アナログ回路では混入ノイズの大小で発振が起きる/起きないが変わるということは有りません。
（ただし、スイッチングなどの非線形な動作をする回路を含んでいたりすると、一定以上の信号やノイズがトリガになって発振が始まるということはありえます）

お礼

発振の理屈が分かってきたように思います。
電源配線などは変える方向で考えることは出来ないんです。
私はIC屋さんで、お客さん側の基板設計がそうなってます。
でも他社の大手のところのものを見てもはやり同じような
インピーダンスを持ってました。
ご親切な回答どうもありがとうございました！

回答No.4

a-saitoh

100オームというのはありえません。断線している(で、どれかのICなどの内部配線が電流を通しているのでテスターでは抵抗値が100オームと出ている)のではないですか？
プリント基板の銅箔でつながっているのなら、0.0何Ωくらいでないとおかしいです。

質問文に書かれただけの情報ではパスコンの必要個数は計算では求められません。いろいろな要素がからみますし。定番は、全ICに1個ずつつけたうえで、大きめなパスコンを電源ラインの入り口につけるというものですが。。

具体的な回路やプリント基板の配線パターンがわからないと、これ以上の具体的なアドバイスはできません。

ただ、パスコン以前の問題として、デジタルとアナログの分離がどの程度できているかが気になります。電源だけでなくGNDの配線も要チェックです。

お礼

ありがとうございます！
実は100Ωはどうしてもついてしまうのです。
幅10mm程度の基板に30μ幅のICを並べておりまして、
信号線も全部で10程ありまして、電源、GND配線を
限りなく太くしてもたかがしれてまして、結果的に100Ω程度
のインピーダンスがついてしまうのです。
なかなか具体的なこちらの状況を説明出来なくて申し訳ありません。

＞＞全ICに1個ずつつけたうえで、大きめなパスコンを電源ラインの入り口につけるというものですが。。
これは理想的な状態であるのは理解出来るのですが、実際は根元に
大きなパスコン＋5chipに１つの0.1μパスコンが現状ですが、
発振余裕がなく困ってるという状態です。

アドバイスありがとうございます！
現状はこういう事なんですが、発振するメカニズムを
教えていただきたいと思って投稿しております。
どうぞよろしくお願いします。

回答No.3

foobar

・ICが動作すると、ICの消費電流(電源電流）が変化します。
・ICに繋がっている電源ラインの抵抗（やインダクタンス）が大きいと、ここをながれるICの電源電流で電圧が下がります。電源電流が変化すると、電圧降下も変動し、ICへの供給電圧が変動します。
・供給電圧変動は、出力電圧の変動（ノイズ）に繋がります。また、状況によっては（電源電圧変動が増幅回路の入力電圧（相当）の変化を引き起こすような場合）発振に繋がります。
・で、ICの直近にコンデンサを入れると、消費電流の変化分をコンデンサが供給するので、ICの電源電圧変動が収まり、出力の変動が収まります。
・ICとコンデンサの距離が離れると、コンデンサとICの間の抵抗（やインダクタンス）によって電圧変動が起きるので、コンデンサの効果が少なくなります。

大雑把には、このようなところかと。

特に高速で動作する回路では、小さい容量のコンデンサでもいいので、ICの電源端子直近にバイパスコンデンサをつける必要があったりします。
（電源線の抵抗（直流抵抗？）が100Ωというのは、少々高すぎるような、、。電源ラインを太くすることも考える必要がありそうに思います。)

お礼

大変分かり易いご説明ありがとうございました！
電源ラインのインピーダンスが高いのが一番問題という感じですね。
「供給電圧変動が出力ノイズに繋がる」といったことや、「増幅回路の入力電圧（相当）の変化を引き起こして発振に繋がる」というメカニズムがよく分かりません。
申し訳ありません、ど素人で。
電源ライン直流抵抗100Ωはやっぱり高いですよね・・・。

回答No.2

Oh-Orange

★電圧が気になります。
・IC 基板の電源は 5.0V が一般だと思います。
　3.3V でも IC は動作しますが、ノイズが発生しやすいです。
・あと電源部と基板の電源端子にパスコンをつけてみましょう。→タンタル電解コンデンサなど。
・それと、端から端までで 100 Ωならば、この抵抗とパスコンの容量で発振してノイズが発生
　しているかも知れません。→端から端の電源ラインに太い線でバイパス線を付けてみて下さい。
・以上。おわり。

回答No.1

Oh-Orange

★アドバイス
・『パスコン』はノイズ除去のために入れるものですので、個数よりも容量とパスコンの種類が
　重要だと思います。
・コンデンサの種類は、『マイラ・コンデンサ』とか、『フィルム・コンデンサ』で容量は
　『0.01uF』～『0.1uF』の範囲で良いと思います。
・あと『電子回路』⇒IC 基板とアナログ出力部分の回路は基板を分けた方が、ノイズ除去しやすいと
　思いますよ。→作り直せるのならばね。
・以上。参考にして下さい。

お礼

早速のご回答ありがとうございます。
パスコンの種類、一度調べてみます。
現在使用されているチップコンの種類は分かりませんが
0.1μを使っています。
基板が細長いもので、コストとサイズからして0.1μ、そして
出来るだけ数は少なくしたいのです。
ちなみにICの電源電圧は3.3Vで電源ラインはかなり細いです。
（端から端までで100Ωもつきます）
残念ながら、IC基板と出力部分の切り分けは構造上無理です・・。
電源ラインにノイズがのる仕組みや、ノイズが乗ることで
アナログ出力が発振する理由がどうも分かりません。
すみませんが、よろしくお願いします。