D-1 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
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 2
実験室レベルでのノイズ測定のすすめ 3
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 4
電気 電子回路が生じるノイズ 電源 ( バッテリ AC 電源 ) 電源出力のゆらぎ ( リップル ) 電力コンバータ 電源のスイッチング ノイズ 消費電流の変化による電源電流のゆらぎ デジタル回路 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 インバータ回路 (AC モータ ) インバータのスイッチング ノイズ (AC モータ ) モータ 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 ) 電源面 - グランド面間のプレーン共振によるノイズ放射 伝送線間の容量結合によるクロストーク ノイズ 5
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 ) 6
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 SFR:Self Resonant Frequency 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 7
近年のノイズ環境の特徴 ~ 広帯域ノイズ ( パルス ノイズ ) とは?~ 8
無線システムの多様化とノイズ環境 車内無線 LAN (802.11a/b/g など ) 2.4GHz, 5GHz LED 内部照明のノイズ DSRC (ETC) 5.8GHz ドア ミラーのモータ ノイズ スマート キーキーレス 134kHz, 314MHz GPS 1227.6MHz/ 1575.42MHz 高感度 -130dBm DC-AC(DC) コンバータ ノイズ 車車間 路車間無線通信 ( 衝突防止レーダー ) 760MHz, 76~77GHz オルタネータ ノイズ 侵入者検知 24GHz 放電ノイズ PCU (EV/HV/PHV) インバータ ノイズ 9 ECU ノイズ LED ヘッドライトのノイズ AM/FMラジオ 522kHz~1.7MHz, 76~90MHz 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 パワー ウインドウのモータ ノイズ カー オーディオのノイズ TPMS ( タイヤ空気圧モニタ ) 125kHz, 315MHz, 2.4GHz 高感度センサ Qi ( 携帯機器向けワイヤレス給電 ) 110kHz-205kHz 広帯域放射ノイズ ( パルス ノイズ )
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 10
ノイズ課題の実例 : USB3.0 ノイズが 2.4GHz 帯に影響 11 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 (Radio Friendly Clock) 引用 : Intel 社ホワイト ペーパー http://www.usb.org/developers/whitepapers/327216.pdf
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 時間軸表示 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 12 スパン : 9kHz 500MHz
ノイズ測定器 13
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) スペクトラム アナライザ 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 オシロスコープ 14
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 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 2784 型 (1990 年 ) FFT: 高速フーリエ変換 (Fast Fourier Transform) DFT: 離散フーリエ変換 (Discrete Fourier Transform) RSA5126B 型 (2014 年 ) 15
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 当社 2784 型 (1990 年 ) 16 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
リアルタイム スペアナの概念 高い周波数 RF 信号 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 取りこぼしがない 掃引しないで同時に通過 レベル 表示 時間 分解能帯域幅フィルタ #n 低い周波数 FFT 計算により帯域幅フィルタを並べる 時間 周波数 17
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 パワー Fa を見ている時 Fb は見えていない 最速 1m 秒で掃引 Fa から Fb まで掃引した時には Fb は消えている 周波数 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 200n 秒で FFT Fa を見る時 Fb も同時に見えている 18
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 IF: Intermediate Frequency( 中間周波数 ) 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 パワー 周波数スパン 19
オシロスコープ FFT 機能とスペアナの比較 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 大信号 電力比 :70dB 結合器 スペクトラム アナライザ 小信号 20
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 大信号 実際の小信号 中心周波数 :1GHz スパン :500kHz RBW:1.13kHz 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 21
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 大信号 70dB 中心周波数 :1GHz スパン :500kHz RBW:1.13kHz 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 22
広帯域ノイズの解析事例 23
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 デジタルアナログ RF 100MHz/350MHz/500MHz/1GHz x 4ch のオシロ 3GHz/6GHz x 1ch のスペアナ世界初ロジアナ x 16ch = 全 21ch 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 オシロスコープ 時間軸画面 スペクトラム アナライザ スペアナ画面 24 16ch ロジック アナライザ
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? MDO4104B-6 型 AM ラジオ 522kHz~1.7MHz FM ラジオ 76MHz~90MHz 磁界プローブ 放射ノイズ 降圧型 DC-DC コンバータ 高電圧差動プローブ 電流プローブ 25
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) ドレイン - ソース間電圧 4μs ドレイン電流 ノイズ電力の時間変動 の間でのノイズ スペクトラム 時間軸表示拡大 9kHz 100MHz スパン幅 :200MHz 82ns 26
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 ドレイン電流の立下り時は 1MHz 近辺に狭帯域ノイズが発生 ドレイン - ソース間電圧 ドレイン電流 ノイズ電力の時間変動 1MHz の間でのノイズ スペクトラム 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 27
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のクロック信号 SD カード リーダコントローラからの放射ノイズ 磁界 (H) プローブ 28 スパン : 9kHz 1GHz
ノイズ測定用プローブの使い方 29
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 6cm 3cm 1cm 電界 (E) プローブ 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 30
微細ピッチの近接界プローブ 30MHz~6GHz 0.2mm 空間分解能 磁界プローブ (H) 電界プローブ (E) ドイツ LANGER 社製国内連絡先 : TSS ジャパン http://www.tssj.co.jp/ パスコンを付ける端子を判別できる 31
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 TCP0030A 型 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 32
LSI の電源端子の測定例 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 33 シングルエンドプローブでの測定例 Pk-Pk:108mV 差動プローブでの測定例 Pk-Pk:272mV
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 34
狭帯域ノイズの発生源特定事例 PCB 基板上での対策 35
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?) 36
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 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 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 出典 : 宮城県産業技術センター 37
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 中心周波数 :137MHz スパン幅 : 100MHz 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 137MHz 中心周波数 :137MHz スパン幅 : 10MHz 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 38
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 ノイズ発生源探索用の近接界プローブ 中心周波数 : 137MHz スパン幅 : 100MHz 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 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 中心周波数 : 137MHz スパン幅 : 10MHz スパン幅 (10MHz) 分のノイズ パワー時間変動を表示 39
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 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 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 オシロスコープの ch1 測定 スペアナの振幅対時間測定 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 137MHz 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? 40
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 41
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 信号 電源 -GND 間電圧変動 電源 -GND 間電圧変動スペクトラム 42 スパン : 9kHz 500MHz TDP1000 & TPA-N-VPI
複雑なノイズ環境のモニタリング 43
RSA306 型 USB リアルタイム スペクトラム アナライザ 44 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 USB3.0 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
DPX (Digital Phosphor Technology) によるリアルタイム スペクトラム表示 1 万スペクトラム / 秒の高速なスペクトラム更新 カラー グレーディングによる頻度情報の確認 定常ノイズ 色表示でスペクトラムの発生頻度を表示赤 : 高頻度青 : 低頻度 間欠ノイズ FM ラジオ ノイズ 色 = 発生頻度 45
液晶モニタの放射ノイズ測定例 様々な帯域幅 頻度のノイズが混在 スペクトログラム表示 : 横軸 : 周波数 縦軸 : 時間赤 : 高レベル 青 : 低レベル DPX 表示横軸 : 周波数 縦軸 : レベル赤 : 高頻度 青 : 低頻度 46
高性能リアルタイム シグナル アナライザ RSA5000B シリーズ 1Hz- 最大 26.5GHz まで測定が可能 最大取込帯域幅 165MHz 更新スピード最高 300 万回 / 秒の高速 DPX 表示によるノイズ確認 電波密度 ( 頻度 ) トリガで 大信号に埋もれたノイズでトリガをかける 47
取りこぼしによるノイズの見過ごし 品質劣化の対策革新的な DPX Density トリガ * Tektronix パテント DPX 表示上の電波密度 (Density 数値 %) でトリガ 従来のアナライザでは不可能だった 信号に埋もれたノイズ にトリガ スペクトラムの外周ではなく 内側でトリガをかけられる 従来の周波数マスク トリガ 48
まとめ : ノイズ計測のテクニック 実験室レベルのノイズ対策を行うことで トータル コストの削減につながる 信号の高速化 スイッチング周波数の高速化でノイズ帯域は拡大 かつ間欠的なノイズが増加 ミックスド ドメイン オシロスコープを用いてノイズの時間変動の規則性とオシロスコープ入力との時間相関を確認することで ノイズ源の特定にかかる時間を短縮 RSA リアルタイム スペアナの DPX 機能を用いることで 複雑なノイズ環境のモニタリングが可能 49
MDO4000B シリーズ RSA306 型 RSA5000B シリーズ 周波数レンジ 9kHz 最高 6GHz 9kHz 6.2GHz 1Hz 最高 26.5GHz 最大取込帯域幅 3.75GHz 40MHz 165MHz 表示平均ノイズレベル @1GHz スプリアス フリー ダイナミック レンジ 位相ノイズ @1GHz CW, 10kHz オフセット DPX 機能最高更新レート -147dBm/Hz, -157dBm/Hz(TPA-N- PRE プリアンプ使用 ) -160dBm/Hz -154dBm/Hz, -165dBm/Hz( プリアンプ オプション使用 ) -60 db -50 db -75 db -108 dbc/hz -84 dbc/hz -113 dbc/hz 1 万回 / 秒 39 万回 / 秒, 300 万回 / 秒 (Opt.) IFレベル トリガ 周波数マスク トリガ ( マスク テスト機能のみ ) DPX Density TM トリガ オシロ ロジアナとの時間相関測定 特徴 オシロ ロジアナとの時間相関測定 小型な USB リアルタイム スペアナ (DPX 同時使用可 ) 低周波から高周波まで幅広い分野に