高周波PCB技術 - 回路 設計におけるセンサ回路内部ノイズの７つ問題

回路 設計はセンサ性能が優れているかどうかを判断する重要な要素であり、センサ出力端はすべて微小な信号であるため、ノイズによって有用な信号が水没すれば、それは割に合わないので、センサ回路の耐干渉設計を強化することが特に重要です。その前に、ノイズを低減するためのより良い方法を見つけるために、センサ回路のノイズを理解する必要があります。全体的に、センサー回路のノイズは主に7種類あります。

低周波雑音

低周波ノイズは主に内部の導電性微粒子の不連続によるものです。特に炭素膜抵抗は、その炭素質材料内部に多数の微小粒子が存在し、粒子間は不連続であり、電流が流れると抵抗の導電率が変化して電流の変化を引き起こし、類似の接触不良のフラッシュアークを発生します。また、トランジスタも同様のバーストノイズとシンチレーションノイズを発生する可能性があり、その発生メカニズムは抵抗中の微粒子の不連続性に近く、トランジスタのドーピングの程度にも関係しています。

半導体装置によるショットノイズ

半導体PN接合の両端障壁領域電圧の変化により、この領域に蓄積される電荷の数が変化し、容量効果が現れます。印加順方向電圧が上昇すると、N領域の電子とP領域の正孔が空乏領域に移動し、容量を充電することに相当します。順方向電圧が低下すると、電子と正孔が空乏領域から遠ざかり、容量放電に相当します。逆方向電圧を印加すると、空乏領域の変化は逆になります。電流が障壁領域を流れると、この変化により障壁領域を流れる電流に微小な変動が生じ、電流ノイズが発生します。その発生ノイズの大きさは温度、帯域幅△fに比例します。

高周波熱雑音

高周波熱雑音は、導電体内部の電子の不規則な運動に起因します。温度が高いほど、電子運動は激しくなります。導体内部の電子の不規則な運動はその内部に多くの微小な電流変動を形成し、それは無秩序な運動であるため、その平均総電流はゼロであるが、それが1つの素子として（または回路の一部として）増幅回路に接続されると、その内部の電流は増幅されてノイズ源となり、特に高周波帯域内で動作する回路の高周波熱ノイズに特に影響を与えます。

通常、周波数内では、回路の熱雑音は通過帯域に比例し、通過帯域が広いほど、回路の熱雑音の影響は大きくなります。1 kΩの抵抗を例にとると、回路の通過帯域が1 MHzであれば、抵抗の両端に現れる開放電圧ノイズ有効値は4μVです（温度を室温T=290 Kとする）。ノイズの起電力はそれほど大きくないように見えますが、利得が106倍の増幅回路に接続すると、出力ノイズが4 Vに達すると仮定すると、回路への干渉が大きくなります。

プリント基板上の電磁素子による干渉

多くの回路基板にはリレーやコイルなどの電磁素子があり、電流が通過するとコイルのインダクタンスやハウジングの分布容量が周囲にエネルギーを放射し、そのエネルギーが周囲の回路に干渉します。リレーなどの素子は繰り返し動作し、電源を切ると瞬間的に逆高圧を発生し、瞬間的なサージ電流を形成し、この瞬間的な高圧は回路に大きな衝撃を与え、それによって回路の正常な動作を深刻に妨害します。

トランジスタのノイズ

トランジスタのノイズには主に熱ノイズ、ショットノイズ、シンチレーションノイズがあります。

熱雑音は、BJT内の3つの領域のバルク抵抗及び対応するリード抵抗を介してキャリアの不規則な熱運動が生じることがあります。ここで、rbbによるノイズが主な形式です。

通常、BJTにおける電流は、平均値にすぎません。実際にエミッタ接合を介してベース領域に注入されるキャリアの数は、それぞれの瞬間に異なるため、エミッタ電流やコレクタ電流には不規則な変動があり、ショットノイズが発生します。

半導体材料及び製造プロセスレベルによりトランジスタ表面のクリーニング処理がうまくいかないことに起因するノイズをシンチレーションノイズと呼びます。半導体表面の少数キャリアの再結合に関連し、エミッタ電流の起伏として表現され、その電流ノイズスペクトル密度は周波数近似に反比例し、1/fノイズとも呼ばれます。それは主に低周波（kHz以下）の範囲で主な役割を果たします。

抵抗器のノイズ

抵抗の干渉は抵抗中のインダクタンス、容量効果、抵抗自体の熱雑音に由来します。例えば、抵抗値がRの実芯抵抗は、抵抗R、寄生容量C、寄生インダクタンスLの直列並列接続と等価であることができます。一般に、寄生容量は0.1〜0.5 pFであり、寄生インダクタンスは5〜8 nHです。周波数が1 MHzを超えると、これらの寄生インダクタンス容量は無視できません。

各抵抗は熱雑音を発生し、抵抗値Rの抵抗（またはBJTのバルク抵抗、FETのチャネル抵抗）が回路に接続されていない場合、周波数帯域幅B内で発生する熱雑音電圧を表す公式：kはボルツマン定数、Tは温度（単位：K）である。熱雑音電圧自体は非周期的に変化する時間関数であるため、その周波数範囲は広いです。そのため、広帯域増幅回路はノイズの影響を受けて狭帯域よりも大きいです。

また、抵抗は接触雑音を発生し、その接触雑音電圧を表す公式：Iは抵抗を流れる電流の平均二乗値で、fを中心周波数とし、kは材料の幾何形状に関する定数です。Vcは低域で重要な役割を果たすため、低域センサ回路の主要なノイズ源です。

集積回路のノイズ

集積回路 設計のノイズ干渉には一般的に放射式と伝導式の2種類があります。これらのノイズスパイクは、同じ交流電力網に接続された他の電子機器に大きな影響を与えます。ノイズスペクトルは100 MHz以上に広がりました。実験室では、一般的なモノリシックシステムボード上の集積回路電源とアースピンの間の波形を高周波オシロスコープ（100 MHz以上）で観察することができ、ノイズスパイク-ピークは数百ミリボルトまたはボルト級に達することができます。