ＤＯＮ-ＫＲＡＦＴ　EFFECTORS

PCB(プリント基板)のお話



ここではPCB(プリント基板)にまつわるいろいろなお話を
実際に製作している中での経験談を交えてお話いたしましょう。

ユニバーサル基板とプリント基板
  ユニバーサル基板 プリント基板
配線方法 パーツのリードや導線を各パーツの足に半田付けするジャンパー配線 銅版を基板にプリントもしくはエッチングで不必要な銅版を除去した基板を使用しあらかじめ配線を用意した基板にパーツを半田付けする。
主な用途 試作、小ロット生産 量産
メリット 回路修正が容易で何度もやり直ししやすい。

一度に量産が効き、パーツマウントも楽になる。
(マウントも外部に任せることが可能)

ディメリット 1つ1つ手で配線路を造らなければならないので生産効率が悪い。 回路修正には基板設計からやり直す必要がある。
大雑把に分類するとこういう感じで、商品化するためには断然プリント基板化が有利の様に思えます。
・・・が、プリント基板を作るというのはいろいろと一筋縄ではいかない要素を多く含んでいます。
一部ではありますがその要素をここで紹介したいと思います。



では上図のような 幅t 間隔d 長さL 厚み 35μmの銅箔をプリントした基板を例に 解説いたします。

それでは　オーディオ回路として音質に影響がある配線パターンの
抵抗値、 ２線間の静電容量、インダクタンスを数値化して見ます。


配線の抵抗値
幅 t (mm) 長さ10cmあたりの抵抗値(mΩ)
1 4.8
0.5 9.6
0.3 16
0.2 24
配線パターンは細くて長いほうが抵抗値が高くなってしまいます。
この値は一見小さく見えますが、構成している回路自体のインピーダンスが低ければ低いほどこの影響を大きく受けます。

インピーダンスの低いコイルを使用した回路で、ICの出力ピンの波形と2cmパターンが離れたコイルの根元の波形が大幅に変化(矩形波がサイン波に)してしまったと言う経験もあります。



幅 t 0.2mm〜1mm時の　配線間の静電容量
間隔 d (mm) 長さ10cmあたりの静電容量(pF)
1 0.08〜0.16
0.5 0.32〜0.64
0.3 0.9〜1.8
0.2 2〜4
となりの配線との距離が近ければ近いほど静電容量は大きくなります。
例えばOPAMPの帰還信号にかけるコンデンサが10p〜33p程度で設計している場合はこの値でニュアンスが変わってきたりします。



配線のインダクタンス
幅 t (mm) 長さ10cmあたりのインダクタンス(μH)
1 173
0.5 186
0.3 197
0.2 205
配線パターンが細くて長いほどインダクタンスの値が大きくなります。
これはコイル特性としての影響もありますが、それ以上にとなりの配線パターンに誘導電流として影響を与えてしまいます。
ユニバーサル基板での試作では発振しなかったのにプリント基板にしたら発振が止まらなくなったり、思わぬノイズが発生したりと言うことも有ります。

 

デジタル　アナログどちらの回路も基板に起こすときは上記の特性を十分に考えていないと「試作では動いたのに何故動かない?」とか「プリント基板にしたらどうして発振起こすの?」などの謎の動作不良に合ったりします。
最近の設計CADにはそういった特性を計算してくれるSPICEやシミュレーション機能を備えたものがありますので、ある程度の予測が出来、特にデジタル回路では致命的になりそうな部分を指摘してくれたり、オーディオ回路でも周波数特性が落ちたりノイズの温床になりそうな部分はそのデータから判断することが出来るのでとても便利になってきました。

しかし・・・

こと音のニュアンスをそこから読み取ることは残念ながら出来ません。
つまりユニバーサル基板で作成して狙った音が完成した回路をプリント基板に起こしたらその音が出せなくなることもしばしばあります。

当方も 以前は感光式の基板でプリント基板を作成していましたが、これもまた曲者で・・・
エッチング時に発生するパターンの小傷、溶け残りの細かなヒゲなどなど余計に特性が変わる要因が増えて(ひとえにエッチング技術が乏しいからなのですが(^^;))参考にならないことが多いため、結局のところ実際に業者に頼んでプリント基板を作ってみるまで結果がわから無いというのが実情です。

実際のところこれまでにエフェクターに限らず量産品を含めて数え切れないほどのハードウェア設計をやって来ましたが一度目のプリント基板作成でうまく行ったことは数えるほどで、多いときは５回くらい試作基板を作ってやっとうまく行くこともあります。
とは言え長いことやっているとそれなりの抜け道や逃げ方を覚えてきますので一発OK確立が上がってきています(笑)

いずれにしてもこの一筋縄でいかない基板設計・・・特に微妙なニュアンスを大切にしたい場合は、

1 できる限りパターンは短くする。
2 できる限りパターンの間隔を大きく取る。
3 音響信号のパターンは幅を均一にしてある程度太めにする。
4 デジタル回路ではグランドパターンによる信号のシールドは有効だがアナログ回路では周波数特性に影響を与える可能性があるので注意する。

ことエフェクターに関しては以上のことに注意しながら試作のニュアンスを維持できるように設計するようにしています。




※　このデータはあくまでも個人的に測定したデータでノイズが除去された環境での測定ではありません
また　各デバイスメーカーが提示するものでもありません



 

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