初学者が作るオペアンプ回路〈音声信号をESP32で読むための基板〉レイアウト設計
オペアンプの動作や素子選定まで終わったら、 次に待っているのがレイアウト設計です。 回路図がどれだけ正しくても、レイアウトが悪いとノイズが乗ったり、発振したり、そもそも期待した性能が出ないことがあります。
今回の基板は、AUX の微小信号を扱い、 さらにオペアンプで2.5Vの仮想GNDを作るという構成なので、レイアウトの良し悪しがそのまま音の静かさに直結します。
とはいえ、初めてのレイアウトで「完璧にできた！」というわけではありません。 実際に作ってみて、
うまくできた部分
たまたま正解だった部分
今見ると改善したい部分
がはっきり分かりました。
ここでは、当時どう考えてレイアウトしたのか、 そして今見返して気づいた改善点まで含めて、 初学者が実際に基板を作って学んだレイアウト設計としてまとめていきます。
GND の扱い
今回のレイアウトで最もこだわったのは GND の扱いです。
AUXの信号は数十mV〜数百mVと非常に小さいため、 GNDの電位差がそのままノイズとして乗ってしまいます。そこで、
IC のGNDピンのすぐ横にAUX-GNDを配置し
2つをハンダで物理的に直結し
その島を静かな GND プレーンにビア 1 点で落とす
という構成にしました。
この「GND の島を作って 1 点で落とす」構造により、AUXの信号はICの GNDと完全に同じ電位を参照でき、 ノイズ耐性が大きく向上します。
裏面は全面GNDプレーン（改善点あり）
裏面はほとんど全面GNDプレーンにしており、 表面の信号線の真下には常に GND が存在する構造になっています。これにより、
信号のリターン電流が最短距離で流れる
ループ面積が自然と小さくなる
表面にGNDトレースを並走させる必要がない
というメリットがあります。
ただし、後から見返すとGNDの島の真下に2.5Vラインが通っていた部分があり、 これは改善ポイントです。
GND 島と 2.5V の間には寄生容量ができるため、2.5Vが揺れるとGND島にその揺れが結合してしまいます。 特に 2.5V は仮想GNDなので揺れやすく、 ここは次回のレイアウトで必ず修正したい部分です。
高周波デカップリングを IC の足元に寄せる
5ピン（2.5V）は信号の基準点になるため、10µFと0.1µFのどちらも最優先で足元に寄せて配置しています。 ここが揺れると信号全体が動いてしまうので、 できるだけ近くでしっかり安定させることを意識しました。
8ピン（5V）についても、基本的な考え方は同じで、 オペアンプが瞬間的に電流を引いたときの揺れを抑えるためにデカップリングを寄せています。 特に高周波を抑える0.1µFは足元に置くことを優先しました。
一方で、10µFのほうは低周波の安定化が役割なので、 配線の都合で少し離れた位置になっていますが、 用途的に大きな問題はありません。
どちらのピンも「安定化のために寄せる」という考え方は共通ですが、 寄せるべき優先順位が異なるため、このような配置になっています。
信号線を細くして寄生容量を減らす
AUX の信号は微小なので、 配線の寄生容量や寄生インダクタンスの影響が出やすいです。そこで、
信号線は細く短く
GND プレーンの上を通すことでループ面積を最小化
という方針で引き回しました。ただし、オペアンプ出力からESP32までのラインが少し長くなってしまった部分があり、 ここは改善ポイントです。
直角配線が残ってしまった部分（改善点）
今回の基板では、ところどころに直角配線が残っています。
直角配線は、
不要な寄生容量
不均一なインピーダンス
電流の流れの急激な変化
を生みやすく、特に高周波では好ましくありません。今回の回路はオーディオ帯なので致命的ではありませんが、 次回は45°配線or2段階の45°曲げで統一したいところです。
これでレイアウトは完成です。ここまで読んでくださりありがとうございます。初めはGNDはどこでも同じだろうと考えていましたが、今回の設計で信号読み取りの仕組みを学習したことでGNDのレイアウトの重要性に気づくことができました。
次回は届いた基板に素子をはんだ付けして完成までいきます。
追々改善版を作って比較評価したいと思っているので、書いてある部分以外での改善点ありましたら是非コメントお願いします。
余談
これまでの人生で一番高い買い物、オシロスコープがついに家に届きました。買ったのはSiglentのSDS804X HD 4chです。75000円は大学生にはそこそこのダメージなので決済ボタンを押すのを5分くらいためらいました笑
正直今の僕にはオーバースペックな気もしましたが、デザインがかっこいいのでOKです！
