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計測のためのアナログ回路＆基板設計


ケーブルの揺れで雑音？トラブルQ&A

圧電型加速度センサを使った計測回路を例に

図1　圧電型加速度センサを使った計測システムでは，シールド線やバッファ・アンプの選定，寄生容量への対策など，ノイズ抑制への配慮が重要・画像クリックで動画を見る．または記事を読む．［提供・著］中村 黄三
詳細：［VOD］高精度アナログ計測回路＆基板設計ノウハウ

静電気による雑音の発生とそのメカニズム

冬場の乾燥した環境では，シールド線が振動すると摩擦によって静電気（$V_f$）が発生し，これがノイズ源となることがあります．この静電気ノイズは，圧電型加速度センサが出力する信号電圧（$V_s$）と伝送路の寄生容量によって影響を受けます．信号源抵抗（$R_s$）が高い場合，これらの要因が複雑に絡み合い，ノイズが増幅されることがあります．

シールド線がわずかに揺れるだけで，線間容量と静電気の相互作用によって，ノイズ電圧が受信信号に加わります．

この問題は，以下のような設計的な工夫で軽減できます．

  1. シールド固定
    シールド線をしっかり固定することで振動を抑え，静電気の発生を防ぐ
  2. 特殊シールド線の使用
    カーボン・グラファイトを封入した特殊なシールド線を採用することで，静電気の発生を低減
  3. バッファ・アンプの導入
    センサ信号を低インピーダンスに変換することで，寄生容量の影響を抑制する

バッファ・アンプの重要性と選定基準

圧電型加速度センサは電荷信号を出力しますが，この信号は伝送路の影響を受けやすいため，適切なバッファ・アンプを用いることが必要です．高インピーダンス入力かつ低ひずみのOPアンプを選定することで，信号品質を維持できます．

普及しているレール・ツー・レール（R-R）入力OPアンプでは，入力段にP-MOS（$P$）とN-MOS（$N$）を切り替えて増幅を行う構造が一般的です．しかし，この切り替え時に発生するクロスオーバーひずみが信号品質を低下させる場合があります．この問題を回避するには，DC-DCコンバータ内蔵型のOPアンプを使用し，ひずみを抑えます．

寄生容量と静電気の影響を抑える設計手法

寄生容量の影響とブートストラップ技術

寄生容量は，信号ラインに不要な電荷の流出を引き起こす原因になります．センサ信号が寄生容量$C_P$を介してリークすることで，計測精度が低下することがあります．この影響を軽減するためには，ブートストラップ技術が有効です．

ブートストラップ技術では，信号ラインに並行して補助配線を設け，寄生容量の両端の電位を同一に保つ設計が行われます．これにより，寄生容量を実質的に無効化し，信号の漏洩を防ぎます．この手法を採用する場合，次の注意点を考慮する必要があります．

  1. 信号源抵抗とブートストラップの相性
    信号源抵抗（$R_s$）が高すぎる場合，ブートストラップ配線が効果を発揮しない可能性があります．このため，$R_s$と$C_P$の組み合わせを慎重に検討する必要があります
  2. バッファ・アンプの選定
    ブートストラップ技術を適用する場合でも，低ひずみのバッファ・アンプを併用することで，さらなる信号品質の向上が期待できます．特に，圧電型センサでは高インピーダンス入力のアンプが必要です

静電気ノイズの抑制とシールド設計

摩擦による静電気（$V_f$）は，シールド線の設計によって大幅に抑制可能です．炭素粒子を封入したシールド線は，静電気の発生を抑えながら，高い伝送品質を維持します．また，シールド線の固定や適切な防湿処理（たとえばフッ素系コーティング剤の塗布）も効果的な対策になります．〈著：ZEPマガジン〉

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著者紹介

  • 1969年 医療用計測器メーカ入社．心電計，血圧計などの設計に従事
  • 1986年 日本バー･ブラウン入社．工業用リニアICのFAE課長
  • 2001年 日本テキサス・インスツルメンツとの合併で同社へ同職で編入
  • 2004年 同職の部長および上級主任技師（SMTS）へ昇進
  • 2007年 定年退職後，同社の専門職契約にて社員教育／セミナ講演を担当
  • 2021年現在　電気電子系雑誌「トランジスタ技術」のフリー・ライタ

著書

  1. ［VOD］高精度アナログ計測回路＆基板設計ノウハウ，ZEPエンジニアリング株式会社．
  2. 測る電子回路の作り方,トランジスタ技術スペシャルNo.131，CQ出版社．
  3. 連載「新人技術者のアナログ回路スタディ」，トランジスタ技術2021年，CQ出版社．

参考文献

  1. OPアンプ増幅回路の2つのゲイン，ZEPエンジニアリング株式会社．
  2. ［VOD］高速＆エラーレス！5G×EV時代のプリント基板＆回路設計 100の要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
  3. ［VOD］アナログ・デバイセズの電子回路教室【差動信号とその周辺回路設計技術】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  4. ［VOD］アナログ・デバイセズの電子回路教室【A-D/D-Aコンバータの使い方】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  5. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  6. "［VOD］事例に学ぶ放熱基板パターン設計 成功への要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
  7. ［Book/PDF］デシベルから始めるプリント基板EMC 即答200，ZEPエンジニアリング株式会社．