コモンモードノイズ ガイド

コモンモードノイズの原因と対策

ボード上の回路でもケースに組み込まれた製品でも、電気信号の出入り口は二つの端子（ポート）です。多くの場合、二つの内の一つはグラウンド（アース）になっています。回路動作の出発点となる二つの端子間に信号がつながるのは「ごく普通のこと」なので、この形態で加わる信号をノーマルモードと言います。

また、片方の端子をグラウンドとする信号接続はシングルエンド（片線接地）と呼ばれます。
一方、実際の回路や機器に加わる電圧には、もうひとつ別の形態が考えられます。それは、筐体電位（シャーシグラウンド）のような第三の地点と二つの端子との間に加わる電圧です。電圧が二つの端子に「共通して加わる」ことから、この形態はコモンモードと呼ばれます（図1）。

コモンモードの電圧は、回路動作の基準となるグラウンドの電位を変動させます。回路にとっては、地面が揺れる、足元が揺るがされることに他なりません。ただ、通常の場合は、コモンモード電圧が加わったとしても回路の動作に異常はありません。外が見えないエレベータに乗っている人はエレベータの上下に気づかないのと同じで、回路（人）はグラウンド（床）の動きを感じないからです。

図2は、電子回路の入力部分を模式的に表したものです。図でR1、R2は各々の入力インピーダンスを、R3、R4は接地インピーダンスを意味し、Vinが回路の真の入力電圧です。この時、図にVcomで示したコモンモードノイズが加わるとどうなるかを計算したのが図の下に示した式です。この式はコモンモードノイズ対策の幾つかのヒントを暗示 しています。

例えば、R1=R2 and R3=R4 即ち二つの端子の条件が同じであれば Vin=0、つまり回路はコモンモードノイズの影響を受けません。R1、R2が極めて大きい場合とR4がゼロの時も同様です。

ところが、実際の回路ではそうしたことは稀です。図2の式は、上の条件が満たされない場合にはVinにVcomが現れて来ることを示しています。Vinというのはノーマルモードの入力に他なりません。つまり、例えば二つの端子のインピーダンスにアンバランスがあると、「コモンモードだったはずのノイズがノーマルモードに変換されて回路に加わるモード変換が起こる」ことを意味します。

ちなみに、シングルエンド入力は図2でR2がゼロの場合に相当します。その場合、Vcomを入力インピーダンスと接地抵抗で分圧した値がVinとなり、大きなノイズが加わることになります。先に、「通常の場合は、コモンモード電圧が加わったとしても回路の動作に異常はありません」と書きましたが、式はこれとは反対に回路がコモンモードノイズの影響を受ける大きな危険性を示唆しています。

図2及び同図に示した式は、二つの入力端子のインピーダンス条件が等しければ、コモンモードノイズはノーマルモードに変換されないことを意味していました。この条件を満たすのが差動（デファレンシャル）入力です。差動アンプの二つの入力は極性が異なるだけで他の条件は同じです。したがって差動性を満足している限り差動回路はコモンモードノイズの影響を受けません。なお、図2の式は入力インピーダンスが大きいほどコモンモードの影響が少ないことも示しています。つまり、入力インピーダンスが高い差動回路ほどコモンモードノイズの影響を受けにくいと言えます。なお、差動性を活かすためには信号源側もバランス（平衡）している必要があります。

図2の式ではR2とR4がゼロの場合にもVinがゼロになります。これは、システム上の全ての接地（グラウンド）が完全であればコモンモードノイズは発生しないことを意味します。ですが、現実にその様な状態を作り出すことは不可能です。

反対にノイズ源と信号入力のグラウンドを切り離してしまうことでコモンモードノイズから逃れるのが絶縁（アイソレーション）のアイデアです。絶縁はデジタル回路から発生するコモンモードを避ける場合などに使われます。絶縁はトランスを使うことで実現できますが、直流が通らず広帯域化するのも難しい欠点があります。そうした場合は、信号を光に変換して絶縁するオプトアイソレータやフォトカップラなどが使われるほか、測定システムなどではアイソレーションアンプが用いられます。