クロック信号の高調波【LTspiceシミュレーション回路図】

ノイズ試験における EMI（エミッション）で問題になるデジタル回路の高調波について、LTspice を使って確認する方法をまとめます。3 つのテーマに分けて説明します。

1. 矩形波の周波数成分と包絡線
2. 共振によるノイズ、EMI 対策部品での対策
3. LTspice での FFT 波形確認

矩形波の周波数成分と包絡線

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このセクションでは基板や素子の影響を考慮せず、抵抗負荷を使用したシミュレーション回路を紹介します。

• 矩形波の高調波：PULSE ファンクションで矩形波を出力し、.four コマンドで高調波レベルを数値取得
• 矩形波の高調波（デューティ比変更）：PULSE 設定の ON 時間を調整してデューティ比を変更
• LPF を通して高調波を除去：フィルタ挿入前後の波形比較と周波数特性表示
• 正弦波の重ね合わせ：オペアンプを使った加算器で信号を合成
• 台形波：形状表示とスペクトラム解析

基板上の共振による影響

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容量負荷を使用したシミュレーションです。

• リンギング波形：基板の寄生成分（R: 1 mΩ/cm、L: 10 nH/cm、C: 5 pF/cm）を追加
• 立ち上がり時間変更時のリンギング波形：.step コマンドで立ち上がり時間を自動切り替え
• フェライトビーズ挿入による対策：村田製作所製 BLM18RK601SN1 を使用（SPICE モデル提供）

LTspice で使用した設定とコマンド

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トランジェント解析

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.tran 0 2u 0 1p

Maximum Timestep を解析したい信号の周期の 1/100 程度にするのがポイントです。

AC 解析（周波数特性）

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.ac oct 100 1meg 1G

スイープ種類の選択肢は次の通りです。

データ処理設定

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.options plotwinsize=0
.options numdgt=15

データ圧縮を禁止し、精度を向上させます。

フーリエ変換

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.four 10Meg 7 1 V(OSC)

.four コマンドを使うと高調波のレベルを数値で取得できます。波形ウィンドウの FFT 表示と異なり、数値データとして出力されるため比較・記録に便利です。

パラメータ（変数）使用

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PULSE(0 1 0 {tr} {tr} {ton} {cycle})
.param cycle=100n ton=cycle/2-tr
.step param tr list 1n 10n

波括弧 {} で囲んだ文字列が変数となります。.param で値を代入し、.step で複数の値を自動的に切り替えてシミュレーションを実行できます。

シミュレーションモデルの取り込み

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.include BLM18RK601SN1.mod

外部モデルを使用する場合は .include コマンドでファイルをインクルードし、回路図上でシンボルとモデルを関連付けます。

電圧源設定：矩形波出力

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PULSE(0 1 0 15n 15n 35n 100n)

パラメータの順序は次の通りです。

FFT の表示方法

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波形ウィンドウで右クリック → View → FFT → 信号選択 → 周波数領域表示

シミュレーション回路図について

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すべてのシミュレーション回路図は GitHub 上で公開しています。LTspice はアナログデバイセズが提供する無料の回路シミュレータで、公式サイトからダウンロードできます。