TIF2015
テクトロニクス／ケースレー イノベーション・フォーラムノイズ計測のテクニック
アプリケーション・エンジニア
RF担当鹿取 俊介
D-1
本日の内容
実験室レベルでのノイズ測定のすすめ
近年のノイズ環境の特徴
ノイズ計測器
⁻
スペクトラム・アナライザの種類と取込速度の違い
⁻
時間変動するノイズをどう見るか？
⁻
オシロスコープFFTとスペクトラム・アナライザの違い
広帯域ノイズ解析事例
⁻
スイッチング電源、SDカード・リーダ
ノイズ測定用 プローブの使い方
狭帯域ノイズの発生源特定事例
複雑なノイズ環境のモニタリング
実験室レベルでのノイズ測定の目的
EMC試験前のノイズ確認
⁻
どの周波数のノイズ・レベルが高いか？事前の確認
ノイズ自家中毒問題の確認
⁻
装置内部でノイズの干渉による誤動作を起こしていないか？
⇒トータル・コストの削減に効果
CMOSの同時スイッチングによる グランドの電圧変動 インピーダンス不整合 による信号の反射 伝送線間の容量結合による クロストーク・ノイズ 電源出力のゆらぎ （リップル） 電源面-グランド面間の プレーン共振によるノイズ放射 モータ・ブラシと整流子片の 接触によるスパーク・ノイズ (DCモータ) インバータの スイッチング・ノイズ （ACモータ） 消費電流の変化による 電源電流のゆらぎ モータ
電気・電子回路が生じるノイズ
電力 コン バータ 電源の スイッチング・ ノイズ 電源 (バッテリ、 AC電源） デジタル 回路 インバータ 回路 (ACモータ)一般的なノイズ対策手法 一覧
電源-グランド間にバイパス・コンデンサ（パスコン）を設置する ノイズ発生源近傍にLC/RCフィルタを挿入する 急峻な立上り・立下りをなまらせる グランド強化（面積を広げる、基板グランドとフレーム・グランドとの
結合強化） ダンピング抵抗を用いて、回路パターンの共振を防ぐ インピーダンス整合を行い、伝送線の反射を避ける コモン・モード・ノイズ・フィルタを使う ⁻ チョーク・コイル、フェライト・コア ⁻ フォト・カプラ、トランス等を用いて回路を絶縁する方法も ノイズに強い差動伝送方式を用いる（CAN、FlexRay、etc.） ⁻ 伝送線同士を捻ると更に効果的 シールド材を使う（静電、磁気、電磁）パスコンを用いたノイズ対策
パスコン（バイパス・コンデンサ）の
特徴
⁻
電源電圧の変動を抑える
⁻
低周波ノイズ
⇒ 大容量電界コンデンサ 1-100μF⁻
高周波ノイズ
⇒ セラミック・コンデンサ 0.01-0.1μF⁻
自己直列共振周波数（SRF）
近辺が最も効果がある
IC近傍に設置すると効果が高い
⁻
高周波電流の流れるループを小さく
する
⁻
ノイズの発生箇所を特定し、適切な
自己共振周波数のパスコンを配置
することが重要
電源 IC近年のノイズ環境の特徴
GPS 1227.6MHz/ 1575.42MHz 高感度-130dBm 放電ノイズ ドア・ミラーの モータ・ノイズ AM/FMラジオ 522kHz～1.7MHz, 76～90MHz カー・オーディオの ノイズ ECUノイズ DC-AC(DC)コンバータ・ ノイズ スマート・キー キーレス 134kHz, 314MHz TPMS （タイヤ空気圧モニタ） 125kHz, 315MHz, 2.4GHz高感度センサ LED 内部照明の ノイズ LED ヘッドライトの ノイズ Bluetooth（カーナビ等）/ VICS 2.4～2.5GHz RFID（電子タグ、車体管理等） 135kHz, 13.56MHz, 920MHz, 2.45GHz DSRC (ETC) 5.8GHz 車車間、路車間無線通信 （衝突防止レーダー） 760MHz, 76～77GHz 侵入者検知 24GHz
広帯域放射ノイズ
(パルス・ノイズ)
車内無線LAN (802.11a/b/gなど) 2.4GHz, 5GHz Qi （携帯機器向けワイヤレス給電） 110kHz-205kHz パワー・ウインドウの モータ・ノイズ PCU (EV/HV/PHV) インバータ・ノイズ オルタネータ・ノイズ無線システムの多様化とノイズ環境
近年の電子機器ノイズ環境
民生品の無線機器の増加
⁻ 無線LAN、Bluetooth、RFID/NFC、スマート・メータ（スマート・グリッド） etc.
省エネ・環境対策
⁻ 電源の高効率化 ⇒ スイッチング電源、IGBTの採用 ⁻ 広帯域なスイッチング・ノイズへの対策が必要に
高密度実装
⁻ グランド・プレーンの減少 ⇒ グランドの不安定化 ⁻ 同面積あたりの部品数の増加 ⇒ 回路のアイソレーション（絶縁性）低下 ⁻ 複数の発振無線回路をメイン・ボードに実装 ⁻ 高機能化 ⇒ モータ回路（DVDドライブなど）の増加
LSIの高速化
⁻ CPU、メモリの動作周波数高速化 ⇒ 発生ノイズが広帯域化 ⁻ CPU、メモリの動作電圧の低下 ⇒ ノイズに敏感に引用: Intel社 ホワイト・ペーパー http://www.usb.org/developers/whitepapers/327216.pdf
ノイズ課題の実例：
USB3.0ノイズが2.4GHz帯に影響
2.4GHz帯 ISMバンド:
免許不要で利用可能、無線LANやBluetoothなどで使用
USB3.0 外付けHDDを接続すると、2.4GHz帯にノイズ発生
2.4GHz帯 無線マウス・レシーバ（USB2.0）をUSB3.0ポートに
つなぐと、マウスが動かなくなる
対策
⁻
USB3.0デバイスおよびコネクタのシールド
⁻
USB3.0ポートを持つPCのコネクタの
シールド
⁻
USB3.0ポートの近くに2.4GHz帯
アンテナを設置しない
⁻
SSC
（Spectrum Spread Clocking）の
変動周波数範囲を変更
広帯域ノイズ（パルス・ノイズ）とは？
発生源1：モータや点火装置のスパーク・ノイズ
発生源2：スイッチング電源、ディスプレイ・ドライバ等のスイッチング動作を
行うデバイス
スパン： 9kHz – 500MHz スペクトラム表示↑非常に高速（ns単位！）
←広い周波数範囲に影響
時間軸表示ノイズ測定器
スペクトラム・アナライザ
⁻
ノイズ測定全般に利用（伝導ノイズ・放射ノイズ）
ノイズ・レベルを周波数軸で確認
⁻
測定用アクセサリ：
近接界プローブ、アンテナ、擬似回路網（LISN）
オシロスコープ
⁻
信号波形や電源/GNDの電圧変動を時間軸で確認
⁻
インパルス・ノイズ、サージ・ノイズの測定（超広帯域信号 >1GHz）
⁻
測定用アクセサリ：高電圧プローブ、高圧差動プローブ、電流プローブ
スペクトラム・アナライザ
オシロスコープ
スペクトラム・アナライザ 取込方式の違い
掃引型スペクトラム・アナライザ（例：スーパー・ヘテロダイン方式）
⁻
バンドパス・フィルタの通過周波数を
掃引させ、パワーvs周波数をプロット
⁻
あるいは、ミキサを用いてフィルタ掃引と
等価な動作をする方式
2784型（1990年） RSA5126B型（2014年）
リアルタイム（FFT方式）スペクトラム・アナライザ
–
フーリエ変換演算（FFT or DFT）を行い、
時間波形をスペクトラムに変換
–
現在当社のスペアナは、全て
この方式のスペクトラム・アナライザ
FFT: 高速フーリエ変換(Fast Fourier Transform)
掃引型スペアナの基本構造
スーパー・ヘテロダイン方式
分解能帯域幅(RBW)は 1Hz～最大でも10MHz程度掃引速度は
最速でも1ms
/スイープ
分解能帯域幅(RBW)を1/2 にすると、掃引時間は4倍必要 当社2784型（1990年）リアルタイム・スペアナの概念
表示 周波数 時間 レベル 分解能帯域幅フィルタ #1 分解能帯域幅フィルタ #2 分解能帯域幅フィルタ #3 分解能帯域幅フィルタ #nRF信号
時間
低い周波数 高い周波数 掃引しないで 同時に通過取りこぼしがない
FFT計算により帯域幅フィルタを並べる
スペアナ方式による取込速度の違い
掃引型スペアナ
– アナログ掃引方式
リアルタイム（FFT方式）スペアナ
– FFT方式 or DFT方式 離散 フーリエ 変換 （DFT）最速
1m秒で掃引
最速
200n秒で
FFT
Faを見ている時、Fbは見えていない FaからFbまで掃引した時には、Fbは消えている Faを見る時、Fbも同時に見えている 周波数 パ ワ ーゼロスパン測定の帯域幅
掃引型スペアナ：RBWまたはIF
⁻ RBWフィルタは、最大10MHz程度、IF帯域幅は40MHz程度 ⁻ 広帯域ノイズの捕捉は難しい
リアルタイム(FFT方式)スペアナ：周波数スパン全体
⁻ 最大周波数スパンはIF帯域幅、機種によっては最大3GHz ⁻ 広帯域ノイズも捕捉可能 パ ワ ー 時間 周波数スパン パ ワ ー 掃引型スペアナの場合は、 RBW(10.0kHz)の取込帯域幅 FFT方式スペアナの場合は、 スパン(10.0MHz)の取込帯域幅オシロスコープ FFT機能とスペアナの比較
電力比：70dB
結合器
オシロスコープ
スペクトラム・アナライザ
大信号
小信号
周波数の異なる大信号と小信号を重ね合わせ、
オシロスコープFFT機能とスペアナで観測・比較
オシロスコープFFTのダイナミック・レンジ
オシロスコープFFTのスプリアス性能
入力部の非線形歪みにより、実際には存在しないピーク（スプリアス）が出現
⇒どれが実際に入力された小信号か、識別が困難
実際の小信号
大信号
中心周波数：1GHz
スパン：500kHz
RBW：1.13kHz
スペクトラム・アナライザのダイナミック・レンジ
スペクトラム・アナライザのスプリアス性能
70dB 大信号 小信号スプリアスは殆どなく、大信号と小信号の識別が容易
⇒高スプリアス・フリー・ダイナミック・レンジ
中心周波数：1GHz
スパン：500kHz
RBW：1.13kHz
MDO4000Bシリーズ
ミックスド・ドメイン・オシロスコープ
アナログ／デジタル／RFの時間相関 測定を１台で提供 オシロスコープ 時間軸画面 スペアナ画面 スペクトラム・ アナライザ 100MHz/350MHz/500MHz/1GHzx
4ch
の
オシロ
デジタル アナログ RF ロジック・ア ナライザ オシロ・スコープ スペクトラム・アナライザ 世界初3GHz/6GHz x
ロジアナ
1ch
の
スペアナ
x
16ch =
全
21ch
広帯域パルス・ノイズ測定例(1)
スイッチング電源のノイズ測定
パルス・ノイズを放出している時間タイミングは？
μ秒以下の単発パルスを広帯域で観測できるか？
電流プローブ 磁界プローブ 降圧型DC-DCコンバータ 放射ノイズ MDO4104B-6型 AMラジオ 522kHz～1.7MHz FMラジオ 76MHz～90MHz 高電圧差動プローブ広帯域パルス・ノイズ測定例(1)
スイッチング電源のノイズ測定
ドレイン電流の立上り時に 9kHz～100MHz 広帯域ノイズが発生
ノイズのパルス幅は82ns
11.6μs（スイッチング周波数：86.2kHz） 9kHz 100MHz 4μs 82ns ノイズ電力の時間変動 スパン幅：200MHz ドレイン電流 ドレイン-ソース間電圧 時間軸表示 拡大 の間での ノイズ・スペクトラム広帯域パルス・ノイズ測定例(1)
スイッチング電源のノイズ測定
1MHz MDO4000Bシリーズによる ノイズ解析で、ドレイン電流の 立上り/立下りでノイズがもつ 周波数成分が異なることが 判明 ノイズ電力の時間変動 ドレイン電流 ドレイン-ソース間電圧 の間での ノイズ・スペクトラム
ドレイン電流の立下り時は1MHz近辺に狭帯域ノイズが発生
広帯域パルス・ノイズ測定例(2)
SDカード・リーダのノイズ
SDカードからのデータ・ロード時の放射ノイズ
コントローラのクロック信号に同期した広帯域放射ノイズが発生
SDカード・リーダ
コントローラからの
放射ノイズ
SDカード・リーダ
コントローラの
クロック信号
スパン： 9kHz – 1GHz磁界(H)プローブ
近接界プローブによるノイズの発生箇所探索
近接界プローブを使用するメリット
⁻
コスト
⁻ 卓上で手軽に、PCB上の部品レベルでの ノイズ対策が可能⁻
時間短縮
⁻ 電波暗室使用の順番待ちが不要
近接界プローブの種類と用途
⁻
電界プローブは電圧、
磁界プローブは電流を検出
⁻
ノイズの発生源を探索する
⁻
磁界(H)プローブは径が大きいほど
感度が良く、小さいほど発生源を
特定しやすい
磁界（H）プローブ 電界（E）プローブ 6cm 3cm 1cm 無指向性 指向性 P/N：119-4146-00 周波数範囲：100kHz～1GHz インピーダンス：50Ω
30MHz～6GHz
0.2mm 空間分解能
磁界プローブ（Ｈ）
電界プローブ（Ｅ）
パスコンを付ける
端子を判別できる
ドイツ LANGER社製 国内連絡先： TSSジャパン http://www.tssj.co.jp/微細ピッチの近接界プローブ
電流変動の測定
一般的な電流プローブ
⁻
DC電流も測定可能
⁻
上限周波数は最高120MHz
⁻
電流経路をクランプする必要あり
磁界プローブを使用した電流測定
⁻
電流測定に磁界プローブを使用するメリット
⁻ 回路を切断して電流経路を作成する必要が無い ⁻ 上限周波数が6GHz⁻
磁界プローブの制限事項
⁻ 周辺磁界の影響を受ける ⁻ 周波数の下限が30MHz ⁻ オシロスコープでも使用可能だが、高感度測定のため には、スペクトラム・アナライザとの組み合わせを推奨 磁界プローブ 空間分解能：0.5 mm TCP0030A型LSIの電源端子の測定例
シングルエンドプローブでの 測定例 差動プローブでの測定例 Pk-Pk:108mV Pk-Pk:272mV
LSIの電源-GND間の電圧変動を確認する
⁻
差動プローブを使うことで、電源-GND間の電圧変動の確認が可能
MDO4000Bシリーズのスペアナ入力で
プローブを使用
MDO4000Bシリーズでは、オシロスコープのプローブを使用可能
⁻ N コネクタをTekVPIコネクタに変換 ⁻ TekVPI 50Ωアクティブ・プローブ、電流プローブ をRF入力部に使用可能 ⁻ 例：TDP1000型1GHz高電圧差動プローブ、TCP0020型50MHzAC/DC電流プローブ ⁻ RF入力で基板上のRF信号を直接見ることが可能狭帯域ノイズの発生源特定事例
PCB基板上での対策
ノイズ計測 トラブル・シューティング 手順
広い周波数幅でノイズをモニタリングし、問題となる
ノイズを見つける
近接界プローブでおおよその場所を確認
ゼロスパン測定（レベル対時間測定）を用いて、
信号の時間変化を確認
⁻
変化なし：定常的なノイズ
（クロック信号のノイズなど）
⁻
変化あり：間欠的なノイズ
（電源のスイッチングやデータ信号に同期?）
CISPR25 規格試験を行った結果、ノイズを確認
ハーネスにシールド対策を行うとコスト高
⇒ECU/PCUのPCB側にノイズ対策を行う
出典：宮城県産業技術センター CISPR25車載ハーネス コンプライアンス試験設備 電流プローブMDO4000Bシリーズによる
自動車ワイヤ・ハーネスのノイズ対策事例
MDO4000Bシリーズによる
自動車ワイヤ・ハーネスのノイズ対策事例
（事例）ハーネスの137MHzの伝導ノイズ対策
電流プローブ 手順１：ワイヤ・ハーネスのノイズを MDOでスペクトラム観測 手順２：対策を取るべき137MHz のノイズの周波数とパワーを MDO4000Bシリーズで測定 137MHz 中心周波数:137MHz スパン幅: 100MHz 中心周波数:137MHz スパン幅: 10MHz手順４：MDOスペアナのRF振 幅対時間表示を使用して、対策 を取るべき137MHz のパワーの 時間変動を測定 手順３：ハーネスが接続されて いる制御回路上のノイズを近接 界プローブで探索してMDOで周 波数観測 ノイズ発生源探索用の 近接界プローブ
スパン幅 (10MHz)分の
ノイズ・パワー時間変動を表示
中心周波数: 137MHz スパン幅: 10MHz 中心周波数: 137MHz スパン幅: 100MHzMDO4000Bシリーズによる
自動車ワイヤ・ハーネスのノイズ対策事例
スペアナの振幅対時間測定
→
オシロスコープのch1測定 → ノイズ発生源と推測される部品の 電圧vs時間をMDOのオシロスコープ で測定 MDOでオシロとスペアの時間軸の挙動を 同一タイミングで測定表示 ノイズ源となる部品の近傍にパスコン等を 加えたい。何処に対策が必要か？ 近磁界プローブで137MHzの 放射ノイズがどの部分から 放出されているか探索 137MHzMDO4000Bシリーズによる
自動車ワイヤ・ハーネスのノイズ対策事例
LSIの電源-GND間の揺れをチェック
電源-GND間の揺れと、ノイズ発生源と推測される
信号の挙動を確認
信号 電源-GND間 電圧変動LSIの電源-GND間の揺れをチェック
電源-GND間の揺れと、信号の挙動を確認 （スペアナを併用）
ノイズ対策法：電源-GND間にパスコンを挟み、電圧変動を抑える
電源-GND間 電圧変動 スペクトラム 信号 電源-GND間 電圧変動 スパン： 9kHz – 500MHz TDP1000 & TPA-N-VPIRSA306型
USBリアルタイム・スペクトラム・アナライザ
かつてないコスト・パフォーマンス
⁻
￥434,000～
周波数レンジ: 9kHz – 6.2GHz
リアルタイム取込帯域幅: 40MHz
最大入力: +20dBm
質量: 590g
温度範囲
⁻
動作： -10～+55℃
⁻
非動作： -40～+85℃
SignalVu-PCを使用してリアルタイム・
スペクトラム解析が可能
⁻
100%検出可能な最小信号持続時間:
100μsec
RF performance
Displayed Average Noise Level @ specified center frequency (dBm/Hz)
9 kHz -130 10 MHz -160 1 GHz -158 3 GHz -155 6.2 GHz -150 Phase Noise at 1 GHz @ specified offsets, dBc/Hz 1 kHz -80 10 kHz -84 100 kHz -90 1 MHz -110
