Murata ノイズ補正 - センサーの誤動作の改善

センサーに誤動作を引き起こすノイズのメカニズム

ワンチップセンサは、主に信号、電力、GNDの3つの線で構成されています。さらに、通信はクロックやデータといった複数の信号線を使用して達成されます。Murataは、さまざまな線にノイズを印加する際の影響を調べました。

デジタル信号線へのノイズの印加

通信が正しく行われない誤動作の例として、デジタル信号線にノイズが印加されレベルが高閾値を超えている、あるいは低閾値を下回っているといった判断が誤っている場合があります。

Murataは、特定の加速度計のデジタル信号線に対して実際にノイズを導入して評価を行し、通信が停止した箇所の誤動作を確認しました。

電力線へのノイズの印加

アナログフロントエンドには、アンプとA/D変換回路が搭載されています。これらの回路の電源が変動し回路が正常に動作しない場合、異常な値が発生すると誤動作が発生するおそれがあります。

Murataは、加速度計の電力線に対する評価を目的としたノイズを導入し、出力が中断された場合の誤動作を確認しました。

センサのノイズ対策の重要なポイント

次はセンサーのノイズ対策として使用されるフィルタに求められる条件です: 
        1. 電源と操作に必要な信号を渡す
        2.  誤動作の原因となるノイズをブロックする

シングルチップタイプのセンサーは、さまざまな種類と製品名でご用意がありますが、ノイズ対策として使用されるフィルタに大きな違いはありません。

これは、フィルタに求められている2つの条件があらゆるセンサーに共通しているためです。
1 電源と操作に必要な信号を渡す
              → シングルチップタイプのセンサーには標準化されたインターフェイス（ICピン）が搭載されている
        2. 誤動作の原因となる突出した（目立った）ノイズをブロックする
              → 突出した（目立った）ノイズの仕様が耐性試験によって標準化されている

フィルタの取付位置

Murataは、フィルタを効果的にするには、センサーの近辺にフィルタを取り付ける必要があると判断しました。

電源線ノイズの対策

低周波から高周波にいたるまで、広い帯域幅での挿入損失が高いフィルタは、電力線ノイズ対策での使用に最適です。

コンデンサのみを使用する対策には、低周波側をカバーする大容量値のコンデンサだけでなく、高周波の挿入損失の達成を目的とした低ESLコンデンサが必要になります。

コンデンサとインダクタを組み合わせると、挿入損失が顕著に増加するという利点があります。マルチレベル構成においてセンサー側に十分な静電容量を配置することによって、インダクタの使用を超過するノイズに対するさらに効果的なフィルタを実現できます。

信号線ノイズ対策

（データ/クロック）信号線のノイズ対策には、通過する必要がある信号周波数での低挿入損失に対処できるフィルタ設計が必須です。

ノイズレベルが小さい場合、あるいは信号とノイズの周波数が離れている場合は、コンデンサのみを使用した対策が可能になります。ただし、信号周波数とノイズ周波数が近いと、インダクタとコンデンサを組み合わせることによってフィルタを鋭い挿入損失特性で構成する必要があります。

インダクタ使用時の重要なポイント

インダクタを特定の線にのみ挿入すると、通常モードへの変換（電位差）が発生して線のバランスが悪くなります。これによって誤動作が悪化する可能性が高まります。Murataは、インダクタを挿入する際にすべての線で同じパーツ番号を使用することが重要であると判断しました。注: インダクタタイプのフィルタであるフェライトビーズは、高インピーダンスのノイズを遮断するだけでなく、フェライトによって損失するノイズエネルギーを吸収するため、さらに高いノイズ対策効果を期待できます。

電源線ノイズ対策の例

センサーの電源線にノイズが検出され、センサー出力値の不規則性（出力エラー）が発生しました。電源線に注入されたノイズレベルを一定に保ち、対策の使用前と後での出力誤差の大きさを調査しました。

センサー出力値の誤作動は、電源線の通常モードのノイズに起因するため、低0.1µFのESLコンデンサ4台をセンサーの付近に挿入しました。

このアクションによって、結果的にセンサーの出力誤差が1%未満に抑制されました。

前述のように、さらなるノイズ対策が必要になる場合、インダクタとコンデンサーをPiタイプのフィルタに構成できます。

信号線ノイズ対策の例

センサーの信号線に及ぼすノイズの影響によってセンサーの通信が停止することがあります。注入したノイズレベルを上昇させ、適切な動作の制限レベル（誤動作が発生しなかった場合）を検査しました。

        •  初期: 誤動作に対する抵抗性は周波数によって大きく異なります。（この例では、抵抗性は100MHzおよび250MHzと低くなっています。）
        •  対策1: コンデンサを追加すると100MHzおよび250MHzでの誤動作に対する抵抗性が向上します。
        •  対策2: フェライトビーズとコンデンサの構成によって200MHzおよび250MHzでの誤動作に対する抵抗が向上します。
        •  対策3: バランスを得るために、Piタイプのフィルタを電源線に構成し、フェライトビーズを接地（GND）線に追加します。これによって、すべての周波数範囲での誤動作に対する耐性が向上しています。

対策3（推奨回路）を実施することによって、周波数帯域幅全域で耐ノイズ性が良好になることが確認されました。

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