Nucleoに学ぶプリント基板設計①-配線編-
こんにちは．まんぼーです．
皆さんStay Homeしていますか？
個人的にですが，研究室に行けなくなり，やろうとしていた実験を当面しなくて良くなったので できなくなったので，色々な面で(※金以外)余裕ができました．
コロナのせいで収入が激減した反面，コロナ禍がなかったら触れていなかったであろうこと(長年放置してきたギターやC++の勉強など)に手が出せるようになりました．なんやかんやで時間が経つのは早いので，有意義に過ごしたいです．
はじめに
さて，この記事を読んでいる皆さん．Nucleoは持っていますか？持っている方，「こっちが本体！！！」とか言ってデバッガだけ切り取って，下側を捨てたりしていませんか？
プリント基板の回路設計をしながら色々勉強していくと，「これ…どうすればいいんだ？」みたいなことが良く出てくると思います．そんな時にNucleoがあると学べることがあるはずです(その前にググれというツッコミは全面的に受け付けます)．
超大手の会社が作るプリント基板ですから，私みたいな回路初心者よりも，それなりの技術が詰まっているはずです(と信じたい)．Nucleoを見て回路設計について学べることを学んでいきましょう！(※完全に入門編です．所詮は開発ボードなので，あまり深くは学べないです)
Nucleoについての細かな説明は割愛しますので，他のブログ等をあたってください．
Nucleoで学ぶプリント基板設計
今回はよく配られている秋月で売られているNucleo F401REをじっくり見ていきます．
(私の持っているNucleo F411RE, L476RGはすべてパターンが同じでした(多分)．もしかしたら変わっているかもしれないですがご了承ください．)
Nucleoはレジストが白なので目立たないです．図もとても見にくいですが，ご了承ください．
1．信号ラインは直角配線を避ける
まず，パターンの曲がり角を見てみましょう．
どのパターンも45°に折れていることがわかります．
プリント基板の設計では，基本的に直角配線は嫌われます．
これは，曲がり角で特性インピーダンスが変化し，ノイズが発生しやすくなるためです．インピーダンスが変化するのは，直角にしてしまうと直角部分だけ他の部分よりも極端にパターン幅が大きくなるからです．
この特性インピーダンスの変化をできるだけ抑えるため，45°に2回曲げることによって配線の方向を90°変えることが多いです．
また，本当にノイズを発生させたくない場合は，弧を描くように配線すると良いです．
2.基板外周にGNDビアを打ち，GNDベタで囲う
続いてNucleoの外周をよく見てみましょう．等間隔に点が打ってありませんか？
これは「ビア」といい，基板の表と裏を電気的に繋いでいます．これは何のためにあるのでしょうか．
理論上の回路ではノイズは回路内でしか発生しないはずですが，プリント基板は外部からのノイズも受けます．同様に，外部にノイズを放出することもあります．これらを防ぐために，基板の外周をGNDで囲う必要があります．
Nucleoにも打ってあるように，外周に等間隔でGNDビアを打ち，ベタにしてあげるとノイズ源となることを防げます．
等間隔！ってどのくらいだよ！と思った皆さん．Nucleoの出番ですよ．
Nucleoの外周ビアの間隔を測ってみると，5[mm]間隔で打ってあります．回路の規模にもよりそうですが... マイクロマウスを作るときの参考にしています(これが言いたいがためにこの記事を作ったまである)．
ベタGNDって何？という人はこちらの記事がわかりやすいです．
http://www.noise-counterplan.com/article/15136099.html
両面基板のベタGNDについてはこちら
https://www.noise-counterplan.com/article/15165055.html
3.細長いGNDベタにはビアを打つ/カットする
表面のR32の左側やデバッガの下側を見ると，下図のようにベタが細長くなっている箇所があります．そして，この細長いベタの先端や真ん中にはビアが入っています．
GNDベタは大きいほどいいという訳ではなく，細長いベタはノイズ源にもなり得ます．
そのため，細長いベタにビアを入れてあげるか，表に配線があったり細長すぎてビアを入れられない場合は，細長い箇所をカットしてあげましょう．
図の①ではかなり細いベタが入っていますが，これほど細くしてでも入れているのは，2番で説明した「外周はGNDベタにする」を強く意識しているのではないかなと思います．
※ちなみによくみると裏面にこんな箇所もありますね…大して重要じゃない箇所なのかな…ここら辺はよくわかんないです．
4.GNDビアは適切な量にする
ベタGNDを増やそうとすると，GND線が通っていないスペースにビアを打っていくことになります．このビアは多ければ多いほど良いわけではなく，多すぎると電気特性が劣化していきます．Nucleoは多層基板だと思うので限りなく少ないですが，信号線を挟むようにしてGNDビアを入れているように見えます．これはパターンから他のパターンに信号が漏れないようにするためです(漏れることをクロストークと言います)．
※GNDビアはノイズ対策の色々な目的で使用するため，必ずしも少なければ良いとは限りません．詳しくはこちら．
https://www.atmarkele.com/articles/89
※電源配線で表裏の行き来をさせたい場合は，こちらを参照にしてください．
1A流れる想定では，Φ0.5のビアを3個空ければ良いそうです．(ちなみに電源線の太さは0.1Aあたり0.1[mm]です．)
https://www.noise-counterplan.com/article/14969107.html
5.水晶発振子の下にはパターンを通さない
Nucleoには水晶発振子が2つあり(x1,x2)，下側の方にも1つ後付け(x3)ができるようになっています．この部分をよく見てみると，水晶発振子の足から生えているパターン以外，パターンが1本も通っていないですよね．
このように，水晶発振子の下にはパターンを通さないようにするのが定石です．
水晶発振子の下にパターンを通すと，パターンと水晶発振子の間にクロストークが発生します．
まとめ
Nucleoを舐めまわすように見てきましたが，いかがでしたでしょうか．実際のプリント基板では様々な場所でノイズが発生します．何も考えずに設計をしても上手くいくこともありますが，回路は絶対に合っているのに挙動がおかしい…(マイコンの動作が不安定だったり)，という場合はノイズが原因であることも多いです．
オシロスコープを使用すればノイズの発生源は大体特定できますが，家にオシロスコープがある人もあまり多くないでしょう．ノイズに苦しみたくないなら，最初からノイズ対策を施したプリント基板設計をすべきです．
次回はIC周辺について触れたいと思います．
