アナログ回路のノイズ対策——内側の雑音と外から入る雑音を分け、経路から直す

ノイズを「内側」と「外側」に分ける

JIS Z 8103（計測用語）は雑音（ノイズ）を「測定システムに混入又は測定システム内で発生して，信号の発生，伝達，受信の妨害となり，測定対象量との関数関係を乱すもの」と定義し、例として熱雑音・散弾雑音などに基づく広帯域のホワイトノイズ、低周波で特に大きくなる 1/f ノイズ、外部の火花放電などでランダムに入るパルス状ノイズ、交流電源周波数のハムノイズを挙げている^[1]。この並びがそのまま、内側（回路の中で生まれる）と外側（外から入る）の区別になっている。

応用物理の基礎講座で電子計測の信号と雑音を解説した加藤の論文も、雑音を計測系の内部で発生する内部雑音と外から来る外部雑音に分け、内部雑音の代表として熱雑音・ショット雑音・1/f 雑音を挙げている^[2]。外部雑音には、電気接点、自動車の点火系の放電、静電気放電のような広帯域のインパルス性雑音、インバータやスイッチング電源からの周期性雑音、放送波のような狭帯域雑音、デジタル回路からの高調波を含むパルス性雑音があり、伝導か誘導で信号系に混入するとしている^[2]。

表の性質は上の二つの文献の記述による^[1][2]。見分けの第一歩は、ノイズが「いつも一様に乗っているのか」「何かの動作と同時に出るのか」を観察することである。周囲の機器を止めても変わらないなら内側、止めると消えるなら外側の可能性が高い。

内側のノイズ——配線を直しても減らない

計測と制御の講義で工業計測の電子回路を解説した伊藤・大浦は、抵抗が出す熱雑音の開放端の実効電圧を √(4kTBR) で表し、R = 100 kΩ・B = 100 kHz のとき 12.8 μV になって、微小信号を扱うレベルでは問題になると示している^[3]。森村・坪野の解説は、常温（300 K）で 1 kΩ の抵抗が出す熱雑音電圧は約 4.1 nV/√Hz だとしている^[5]。熱雑音は抵抗の温度・抵抗値・帯域幅で決まるので、シールドを厚くしても接地を直しても減らない。

減らす手は三つに限られる。帯域を必要以上に広げないこと、信号源の抵抗を下げること、雑音の小さい増幅器と部品を選ぶことである。伊藤・大浦は、増幅器の雑音はすべての周波数に分布しているので帯域幅が広いほど雑音電力が大きくなり、微小信号増幅回路の設計では帯域幅を必要以上に大きくしないことが大切だとしている^[3]。また、増幅器の雑音電圧と雑音電流の比で決まる最適な信号源抵抗があり、信号源の抵抗によって低雑音化の取り組み方が変わるとも述べている^[3]。

1/f 雑音について、同じ講義はスイッチやリレーの接点のように二つの導体が接触するところならどこでも発生し、トランジスタや固体抵抗・カーボン抵抗でも発生して、低周波で非常に大きくなると説明している^[3]。直流や低い周波数のセンサ信号で、ゆっくり揺れるノイズが消えないときは、部品の種類と接点（コネクタやリレー）を疑う。加藤の論文も、異種金属の接触部で生じる直流的な熱起電力（数 μV〜数十 μV）や、計測器のドリフト・オフセットも雑音と考えられるとしている^[2]。

ドリフトについて JIS Z 8103 は、機器のドリフトを「測定器の特性の変化による，指示値の連続的又は漸進的な経時的変化」と定義し、測定される量や影響量の変化とは関係しないと注記している^[1]。温度が変わると指示値がずれる、電源を入れてからしばらく値が動く、という症状はノイズとは分けて扱う。伊藤・大浦は、電源電圧変動除去比が 86 dB のオペアンプでも ±15 V の電源が 1 % 動けば入力換算で 15 μV のドリフトにあたり、微小信号増幅では無視できないと例を挙げている^[3]。

外側のノイズ——発生源・経路・受ける側の三つで考える

医用機器と雑音の問題を論じた池田らは、雑音による被害の程度を、雑音発生源・発生源と被害機器の結合度・被害機器の雑音感受性の積でおおよそ表せるとしている^[4]。工場の計測回路でも同じ見方が使える。三つのうちどれか一つを小さくすれば被害は減るので、どれがいちばん直しやすいかで対策の場所を選ぶ。

経路の種類を見分ける

加藤の論文は、雑音の結合の形態を、雑音源と信号線の間の浮遊容量による静電結合、相互インダクタンスによる電磁結合、信号線や回路が受信アンテナとなって遠方の電磁界を拾う放射結合、複数の装置が共通のインピーダンスを介して接地されているときの共通インピーダンス結合に分けている^[2]。伊藤・大浦は、静電誘導で生じるノイズ電圧は信号線に接続された抵抗に比例し、電磁誘導の誘導電圧は線に直列に誘起されて接続されたインピーダンスによらないと説明している^[3]。

伊藤・大浦は、ツイストペアは撚り合せを密にすることで外部の磁束と鎖交する面積を小さくし、隣り合う区間で誘導電圧が打ち消し合うため電磁誘導ノイズを下げると説明している^[3]。静電シールドは信号線とノイズ源の間に接地した導体を入れて浮遊容量による結合をなくす方法で、高導電率の金属で覆うと渦電流が外部磁界を打ち消す働きもする^[3]。

ノーマルモードとコモンモード

加藤の論文は、信号線に生じた雑音を、信号線に直列に入るノーマルモードと、2 本の信号線と接地の間に同じ位相・同じ振幅で乗るコモンモードに分けている^[2]。ノーマルモードの雑音が信号と同じ周波数なら取り除くことができない^[2]。コモンモードは計測器では相殺されて表れないが、2 本の信号線系のインピーダンスの対称性が悪くなるとノーマルモードに変わって計測器に入る^[2]。伊藤・大浦も、コモンモードの電圧そのものはノイズになりえないが、電流の帰路が形成されると回路インピーダンスの不平衡でノーマルモードに変換されると述べている^[3]。

この区別は対策を選ぶときに効く。コモンモードには、差動の入力で受ける、絶縁（トランス・フォトカプラ・リレー）で電流の帰路を断つ、入力の左右のインピーダンスをそろえる、といった手がある^[3]。伊藤・大浦は、絶縁しても一次と二次の間には浮遊容量があり、それを 0 にはできないので回路の平衡に注意が要るとも書いている^[3]。ノーマルモードで信号と周波数が重なっているなら、入口で防ぐしかない。

ハムは「消す」より「入れない」

池田らは、心電図などの計測機器のハム除去回路は 50/60 Hz の成分を除くが、その周波数のデータも損なうので、単にハムを消せばよいのではなく混入を避ける対策が必要だと述べている^[4]。工場のセンサ信号でも、ノッチフィルタで電源周波数を落とすと、その付近の信号の情報も失われる。ハムが乗るなら、まず配線が電源線と並走していないか、接地のループができていないかを見る。

接地は 1 点が原則、ただし共通インピーダンスに注意

伊藤・大浦は、コモンモードノイズは回路間でも発生するので、ノイズ電流の帰路がないよう接地は 1 点で行うのが原則だとし、1 点接地を直列にすると接地線が共通インピーダンスになり、デジタル回路のスイッチングによる電流が低レベルのアナログ回路の基準電位を揺らすと説明している^[3]。そこで、基準電位を決める接地線と電源の帰路電流を流す接地線を区別する方式が採られ、筐体の接地と信号の接地を別の線で主接地に接続するのが望ましいとしている^[3]。アナログとデジタルが同じ基板にある回路で、デジタル側が動いたときだけアナログの値が揺れるなら、この共通インピーダンスを疑う。基板の発注で何を指定するかはプリント基板の発注で指定することで扱っている。

社内でできる切り分けの手順

社内で進められる切り分けは、次の順番で行うと迷いにくい。

1. 入力を短絡して見る。 センサを外して入力を所定の抵抗で終端し、それでもノイズが残るならセンサと配線より手前（増幅器・電源・基板）の問題、消えるならセンサとその配線の側の問題と分かる。残る場合は、手順 3 のように周りの機器を止めて消えるかを見ると、回路の内側で生まれる雑音か、電源や基板から入る外のノイズかを分けられる。2. 周波数を見る。 オシロスコープの波形だけでなく、周波数の成分を見る。加藤の論文は、周波数が未知の雑音について、オシロスコープでの波形観測とスペクトラムアナライザによる周波数分析を挙げている^[2]。50/60 Hz の並びならハム、決まった高い周波数ならスイッチング電源やインバータ、広く一様なら内部の雑音を疑う。3. 周りを止めて見る。 近くのモーター・インバータ・ヒータ・無線機を一つずつ止め、ノイズの変化を記録する。4. 配線を動かして見る。 信号線を電源線から離す、ツイストペアに替える、シールドの接地の位置を変える。変化があれば経路が特定できる。

どの手順でも、変えた条件と結果を一行ずつ記録しておく。外の会社に頼むときに、この記録がそのまま切り分けの出発点になる。インバータが発生源になっている場合はインバータのノイズの経路の切り分けと対策、静電気が絡む場合は工場の静電気の原因の切り分けと対策、車載機器の場合は車載機器の EMC 対策の考え方もあわせて参照してほしい。

信号と雑音を処理で分ける方法もある

経路の対策だけで足りないとき、信号の性質を使って雑音と分ける手もある。加藤の論文は、繰返し信号では同じ位相の点を加算平均してランダムな雑音を相殺する同期加算、周波数が既知で帯域内の雑音が大きいときは基準信号と掛け合わせて平均する同期検波、直流の信号では一定時間の平均で変動を下げることや、ある周波数でチョッピングして交流増幅することを挙げている^[2]。長い信号線では電気信号で光を変調して光ファイバで送る方法や、フォトカプラで電磁誘導の影響を受けない結合にする方法もあるとしている^[2]。

ただし、処理で分けるには信号の周波数や繰返しの性質が分かっている必要があり、応答が遅くなることもある。設計の段階で選ぶ方法で、現場の不具合に後から足すと別の不具合を生むことがある。

社内で手に負えないとき、外に何を頼むか

社内の測定器では周波数が拾えない、ノイズが不定期で現場でしか出ない、対策しても再発する、という場合は、専門の会社に頼むほうが早い。頼む中身は次のように分けられる。

現地での測定：工場の中で、ノイズが出る時刻と周辺機器の動作を同時に記録し、発生源を突き止める。周波数分析と経路の特定：スペクトラムアナライザや電流プローブで、どの線にどの周波数が乗っているかを測る。回路の評価：増幅器の雑音、電源の変動除去、接地の取り方を評価し、改善案を出してもらう。対策の効果確認：対策の前後を同じ条件で測る。測定器や測定の不確かさについて、加藤の論文は ISO のガイドに基づく不確かさの考え方を紹介しており、結果を数値で比べるときは測定のばらつきも一緒に示してもらうとよい^[2]。

頼むときに伝えること

回路が壊れている疑いがあるなら、故障解析として頼む進め方は故障解析を外に頼むときにまとめている。基板の実装の品質が疑わしい場合は基板実装の品質はどう指定するかも参照してほしい。

よくある質問

シールド線に替えたのにノイズが減りません

シールド線（接地した導体で覆った線）が主に効くのは静電結合で、電磁結合にはツイストペアや配線の引き回しのほうが効きやすい^[3]。また、回路の内側で生まれる熱雑音や 1/f 雑音は、シールドでは減らない^[3]。まず入力を短絡したときにノイズが残るかを確かめる。

フィルタを入れたら応答が遅くなりました

帯域を絞れば雑音は減るが、信号の速い変化も削られる。必要な応答の速さから帯域の上限を決め、その範囲で雑音を下げる方法（信号源の抵抗、部品、接地）を先に検討する。

同じ回路なのに、工場によってノイズの量が違います

外側のノイズは、周辺の機器、配線の引き回し、接地の状態で変わる。池田らの式でいえば、発生源と結合の度合いが場所ごとに違う^[4]。それぞれの工場で、周辺機器を止めたときの変化を記録して比べる。

まとめ

アナログ回路のノイズは、まず内側か外側かを分ける。内側のノイズは帯域・信号源の抵抗・部品で決まり、配線を直しても減らない。外側のノイズは、発生源・経路・受ける側の三つに分け、経路を静電・電磁・放射・共通インピーダンスで見分け、ノーマルモードかコモンモードかで対策を選ぶ。社内で出どころが絞れないときは、信号とノイズの性質、配線と接地、周辺機器、試したことをそろえて、測定のできる専門の会社に切り分けを頼む。

出典・参考資料

1. JIS Z 8103:2019 計測用語（日本産業標準調査会 JIS 検索で閲覧／2019 年 5 月 20 日改正・2024 年 6 月 20 日確認）
2. 信号と雑音，および不確かさ（加藤吉彦／応用物理 70 巻 5 号・応用物理学会／2001 年）
3. 工業計測のための電子回路［II］信号の受信とノイズ（伊藤一造・大浦幹夫／計測と制御 27 巻 5 号・計測自動制御学会／1988 年）
4. 手術室における ME 機器と雑音の問題（池田卓也ほか／BME 2 巻 6 号・日本エム・イー学会／1988 年）
5. 検出の限界（森村正直・坪野公夫／計測と制御 27 巻 5 号・計測自動制御学会／1988 年）

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