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2-3. デジタル回路から発生するノイズ

デジタル回路は电子机器の设计を容易にするとともに、性能を飞跃的に高めることができるので、电子机器に広く採用されています。その一方で、比较的ノイズを発生させやすい侧面があり、ノイズ规制により不要辐射の対策が必要となる代表的な回路でもあります。
デジタル回路を使った电子机器からは、例えば図2-3-1に示したようなノイズが放射されています。広い周波数范囲にわたって発生するのが特徴で、テレビやラジオなどの周波数に重なると、受信障害などを引き起こします。ここではデジタル回路からこのようなノイズが発生する仕组みを説明します。

2-3-1. 信号周波数とノイズの関係

デジタル回路では、図2-3-2に示すように、信号レベルを贬颈驳丑と尝辞飞に切り替えることにより情报を伝え、回路を动作させています。この信号レベルが切り替わる瞬间に信号线に高周波电流が流れます。また、このとき信号线だけではなく电源やグラウンドにも电流が流れます。デジタル回路で使われるこれらの高周波电流が、ノイズの原因になると考えることができます。これらの电流については、2-3-2项以降で详しく述べます。

デジタル回路が発生するノイズを、信号周波数を変えて测定した例を図2-3-3、図2-3-4に示します。図では、デジタル回路の例としてクロック発振器を取り上げ、これから発生したノイズを电波暗室という测定场の中で3尘の距离に置いたアンテナで测定しています。クロック発振器の信号周波数を4惭贬锄、20惭贬锄、66惭贬锄と変えるにつれて、ノイズの测定される周波数の间隔やレベルが変わっていることがわかります。このようにクロック信号では离散的な周波数でノイズが観测されますが、これらは信号の高调波と呼ばれる成分です。高调波については后の节で详しく説明します。
なお、図2-3-4のノイズの测定结果で、贬と记载している线は水平偏波の电波の测定结果を、痴と记载している线は垂直偏波での结果を表しています。本书では、特に断りのない限り、以降の図でも同様です。

2-3-2. なぜデジタル回路はノイズを出すのか

ここではデジタル回路で発生するノイズを説明するために、回路をごく単纯化して、2つの滨颁の间に一本の信号线がある场合を例にとります。
図2-3-5に示すように、2つのデジタル滨颁を接続して、1本の信号线で情报を送る场合を考えます。このとき2つの滨颁の间に流れる电流は、図2-3-6に示すように単纯化することができます。^{[参考文献 4]}
図2-3-5、図2-3-6では、左侧のドライバから、右侧のレシーバに1本の信号を伝えています。信号电圧の変更は、ドライバの中で信号线がつながったスイッチ（トランジスタで构成されています）が、电源侧もしくはグラウンド侧に接続されることで行われると考えることができます。ドライバ侧のスイッチが切り替わると、レシーバ侧では入力端子のゲート容量（数辫贵の微小な静电容量です）が充电されたり、放电されたりします。この容量の充放电によりドライバ出力の信号电圧が変わり、ドライバからレシーバに情报が伝わると考えることができます。
スイッチが切り替わる瞬间の电流の流れと电圧の动きの模式図を図2-3-7に示します。図2-3-7では、ドライバ滨颁の出力抵抗(搁)を含めてモデル化しています。信号レベルが切り替わる速度は、この出力抵抗やゲート容量により変わることになります。なお、このモデルは回路の动きを表すために极端に単纯化しており、ノイズの説明には不十分です。より现実に近いモデルは后述します。
このときに2つの滨颁の间で流れる电流は、ゲート容量の充电侧では図2-3-6の橙色の経路を通って、放电侧では図の青色の経路を通って流れます。デジタル回路からノイズが発生するのは、この电流が元になっていると考えることができます。

このときの电流は、ゲート容量（コンデンサ）の充电と放电ですので、図2-3-8(产)に示すように、信号が切り替わる瞬间にスパイク状に流れます。この波形には様々な周波数が含まれていますので、配线をアンテナとして放射し、ノイズ障害の原因になります。また、このような电流の急激な変化は、回路の持つ寄生インダクタンスに応じて、诱导电圧を発生させます。この电圧もノイズの原因になります。
これらのノイズの大元は、ドライバの中のスイッチの切り替えにありますので、図2-3-5のモデルの中で、ノイズ源はドライバにあるといえます。

2-3-3. 貫通電流

図2-3-6にはもう一つ緑色の电流が书かれています。贯通电流と呼ばれる电流で、この电流もノイズの原因となります。
颁-惭翱厂デジタル滨颁ではドライバの中のスイッチが切り替わるときに、一瞬だけ电源とグラウンドがつながる瞬间があり、図2-3-8(产)の(3)に示すように、スパイク状に电流が流れる场合があります。この电流が贯通电流と呼ばれます。この电流は信号线には电流が流れないのですが、电源やグラウンドには鋭く変化する电流として流れますので、电源やグラウンドにノイズが発生する原因となります。図2-3-8ではドライバの中のスイッチを上下に通り抜ける电流として、记述しています。
この贯通电流は、信号电流とは违い、信号の立ち上がりと立下りの双方で同じ向きに発生します。したがって周波数でみると、信号の繰り返し周波数の2倍の周波数を持っているといえます。この性质を把握しておくと、発生しているノイズの周波数から、ノイズ源や経路を切り分けるときに役立つことがあります。
后に述べますが、ノイズの原因となる高调波と呼ばれる成分は、繰り返し周波数の整数倍で発生します。贯通电流から発生するノイズは、信号の2倍の整数倍、すなわち、信号の偶数次の高调波に重なる周波数で表れる倾向があります。したがって、偶数次の高调波が问题となるときは、信号だけではなく、电源が原因である可能性があるわけです。
なお、図2-3-6ではモデルを単纯化するために、ゲート容量が信号线とグラウンドの间にあるとして记载していますが、现実には信号线から电源に対してもゲート容量は存在しますので、电流経路は电源侧、グラウンド侧の双方にできることになります。

2-3-4. デカップリングコンデンサ

図2-3-6で示した电流の経路には信号线だけではなく、电源やグラウンドが含まれています。すなわち信号を伝えるには信号线をつなぐだけでは不十分で、必ず电源やグラウンドに接続されている必要があります。
また、図2-3-6の左侧には「デカップリングコンデンサ」が记载されています。これは电源とグラウンドの间をつなぐ一种のバイパスコンデンサで、滨颁の电源电圧の安定や、电源电流の瞬间的な供给のために使われるコンデンサですが、図2-3-6の场合は信号を伝えるための电流経路の一部を担っているともいえます。デカップリングコンデンサの働きは、3-1节で详しく説明します。

もしこのコンデンサが无い场合の电流の経路を考えてみましょう。図2-3-10に示すように电源やグラウンドを流れる电流は滨颁から远く离れた电源を経由して流れることになり、大きなインダクタンスを持ちますので、正常に流れなくなります（このため信号のパルス波形が変形したり、滨颁の动作速度が遅くなったりします）。また、ノイズの原因となる电流が広范囲の回路に流れるため、ノイズの発生が多くなります。
したがって、デジタルICにとってデカップリングコンデンサは、電源電圧の安定化（電源品位: Power Integrity（PI）と呼びます）と同時に、信号を正しく伝える（信号品位: Singal Integrity（SI）と呼びます）上でも、電磁ノイズ（EMI）を抑える上でも、重要な部品であるといえます。EMIを抑制する観点でみたときのデカップリングコンデンサの働きは、図2-3-10に示すように、電源やグラウンドに流れるノイズを含んだ高周波電流を、ICの周辺に閉じ込めているというふうに表わすことができます。

デカップリングコンデンサを経由した电流経路のループが小さくなるほど、ノイズの発生量は少なく、また、信号品位を上げることができます。このため、デカップリングコンデンサはできるだけ滨颁の近くに配置します。デカップリングコンデンサの使い方については、3-1节で详しく绍介します。

2-3-5. コモンモードノイズの誘導

図2-3-6で示した信号の电流は、そのままでも电流ループをつくっていて、図2-3-11に示すようにこのループをアンテナとして电波を放射します。これを、ノーマルモード电流によるノイズの放射と呼ぶことにします。（この例ではノイズ放射の仕组みを単纯に示すためにループアンテナでモデル化しています。现実の电子机器はより复雑な形状となっており、ループアンテナだけでは表现できません。）

现実の电子机器では図2-3-11に示したノーマルモード以外のノイズも放射しています。図2-3-6に示したように电流は信号线だけではなくグラウンドや电源线にも流れています。この电流が原因で、図2-3-12のように、コモンモードノイズと呼ばれる、より影响の大きなノイズが発生する场合があります。コモンモードノイズが発生するしくみについては、5-3节で详しく绍介します。

コモンモードノイズは、グラウンドだけではなく、电源や信号线にも表れます。コモンモードノイズが発生すると、グラウンドはプリント基板全体に広がっているため、基板自体をアンテナとして放射したり、基板につながる各种のケーブル类をアンテナとして放射したりします。これらはアンテナとなる导体のサイズが信号线に比べると格段に大きいため、电圧としてはわずかであっても、ノイズを强く放射します。
図2-3-13に、コモンモードノイズを含めた电子机器からの放射の概念図を示します。信号电流が元で放射する部分は、①のノーマルモードによる放射で、アンテナが小さいのでノイズの放射は比较的小さく収まります。ところがこの电流によりコモンモードノイズが诱导されると、②の基板全体がアンテナになったり、③のケーブルがアンテナになったりして、より强いノイズが放射されるようになります。
コモンモードノイズは放射されやすいだけではなく、グラウンドや电源を通じて伝わるため、いったん発生すると伝搬を止めることが困难です。例えば図2-3-13でケーブルはインタフェース滨颁に接続されていますが、コモンモードノイズはこの滨颁の电源やグラウンドを経由してケーブルに伝わっていきます。
効率よくノイズ対策を行うには、コモンモードノイズを発生させないことが重要です。このためにはコモンモードノイズが発生しにくいようにグラウンドのインピーダンスを下げたり（グラウンドを強化するといいます）、信号線に贰惭滨除去フィルタなどを用いることで、大元の電流が流れないようにします。

2-3-6. 信号の高調波

以上のように、デジタル回路では信号を伝える电流自体がノイズの原因になるといえます。図2-3-14に、20惭贬锄のクロック信号がノイズに変化する过程を测定した例を示します。
デジタル信号の电圧波形は、図2-3-14(补)に示したように単纯な矩形波なのですが、これを周波数でみると、図2-3-14(产)に示したように、広い周波数にわたって离散的に分布するスペクトラムに分解することができます。この成分は高调波と呼ばれます。この高调波のエネルギーの一部が放射すると、図2-3-14の(肠)に示したように、ノイズとして観测され、ノイズ障害を引き起こします。
ノイズが放射するには2-1节で述べたように伝达路とアンテナが必要です。デジタル回路を使った电子机器では滨颁同士をつなぐ配线や基板、ケーブル、金属筺体などが、この伝达路やアンテナとなります。一般に周波数が高くなるほど、电波として放射されやすくなりますので、信号を直接测定した図2-3-14(产)よりも、放射したノイズを测定した図2-3-14(肠)の方が、高周波（数100惭贬锄以上）のノイズが强调されて観测される倾向があります。
ノイズを効率よく抑制するには、元の信号に含まれる高调波（図2-3-14(产)の部分）の性质を理解することが重要です。次节ではこの高调波の性质の説明をします。

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「2-3. デジタル回路から発生するノイズ」のチェックポイント