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オシロスコープを選ぶ際、特に重要な性能の一つが「帯域幅」です。
しかし、仕様表に「帯域幅100MHz」と書かれていても、
- 100MHzの信号まで正確に測定できるのか
- 10MHzの信号には何MHzの帯域幅が必要なのか
- 帯域幅とサンプリングレートは何が違うのか
- 正弦波と矩形波で必要な帯域幅は変わるのか
と疑問に思う人も多いでしょう。
結論からいうと、オシロスコープの帯域幅は、信号を正確に測定できる周波数の上限そのものではありません。
帯域幅100MHzのオシロスコープに100MHzの正弦波を入力すると、表示される振幅は実際の約70.7％まで低下します。
そのため、正確に測定したい場合は、一般的に次の目安で帯域幅を選びます。
必要な帯域幅 ＝ 測定したい最高周波数の3～5倍
特に振幅をできるだけ正確に測定したい場合は、5倍以上を目安にすると安心です。
この記事では、オシロスコープの帯域幅の意味、測定できる周波数との関係、サンプリングレートとの違い、用途別の選び方までわかりやすく解説します。
オシロスコープの帯域幅とは
オシロスコープの帯域幅とは、簡単にいうと、どの程度高い周波数の信号まで入力回路を通して測定できるかを示す性能です。
オシロスコープは、入力されたすべての周波数を同じ振幅で表示できるわけではありません。
周波数が高くなるほど、内部の増幅回路や入力回路の影響によって信号が減衰し、画面上に表示される振幅が小さくなります。
一般的に、オシロスコープの帯域幅は、入力した正弦波の振幅が低周波時の約70.7％になる周波数として定義されます。
この点を「－3dBポイント」と呼びます。
例えば、帯域幅100MHzのオシロスコープに、振幅1Vの100MHz正弦波を入力した場合、画面上では約0.707Vとして表示されます。
つまり、帯域幅100MHzという仕様は、
100MHzまで誤差なく測定できる
という意味ではありません。
より正確には、
100MHzにおいて、振幅が約70.7％まで低下する
という意味です。
帯域幅は「ここから先はまったく測定できない」という境界ではなく、振幅誤差が大きくなり始める基準と考えるとわかりやすいでしょう。
帯域幅と測定できる周波数の関係
オシロスコープの帯域幅と、測定対象の周波数には密接な関係があります。
帯域幅と同じ周波数の信号を入力すると、振幅は約29.3％小さく表示されます。
一方、オシロスコープの帯域幅に余裕があるほど、振幅の誤差は小さくなります。
一次のローパス特性を仮定した場合のおおよその目安は、次のとおりです。
| オシロスコープの帯域幅 | 測定信号との関係 | 振幅誤差の目安 |
|---|---|---|
| 信号周波数の1倍 | 帯域幅と信号周波数が同じ | 約29.3％低下 |
| 信号周波数の2倍 | 帯域幅にやや余裕がある | 約10.6％低下 |
| 信号周波数の3倍 | 波形確認に使いやすい | 約5％低下 |
| 信号周波数の5倍 | 比較的正確に測定できる | 約2％低下 |
| 信号周波数の10倍 | 十分に余裕がある | 約0.5％低下 |
このため、オシロスコープを選ぶ際には、次の「5倍ルール」がよく使われます。
必要な帯域幅 ＝ 測定したい最高周波数 × 5
例えば、10MHzの正弦波を測定したい場合は、50MHz以上の帯域幅を持つオシロスコープが目安です。
必要な帯域幅の計算例
| 測定したい最高周波数 | 推奨される帯域幅の目安 |
|---|---|
| 100kHz | 500kHz以上 |
| 1MHz | 5MHz以上 |
| 5MHz | 25MHz以上 |
| 10MHz | 50MHz以上 |
| 20MHz | 100MHz以上 |
| 50MHz | 250MHz以上 |
| 100MHz | 500MHz以上 |
ただし、この目安は主に正弦波や比較的単純なアナログ信号に適用されます。
矩形波、パルス波、クロック信号などを測定する場合は、基本周波数だけでなく、高調波や立ち上がり時間も考慮しなければなりません。
帯域幅100MHzなら100MHzまで測定できる？
帯域幅100MHzのオシロスコープでも、100MHzの信号を画面上に表示することはできます。
しかし、正確な振幅や波形を測定できるとは限りません。
100MHz帯域のオシロスコープで100MHzの正弦波を測定すると、振幅は実際の約70.7％まで低下します。
例えば、実際には1Vの信号でも、約0.707Vと表示される可能性があります。
そのため、100MHz帯域のオシロスコープで測定できる周波数は、目的によって次のように考えます。
| 測定目的 | 周波数の目安 |
|---|---|
| 信号が存在するか確認する | 100MHz付近まで |
| おおよその波形を確認する | 30MHz程度まで |
| 振幅を比較的正確に測定する | 20MHz程度まで |
したがって、帯域幅100MHzのオシロスコープは、20MHz程度までの信号を高い精度で測定する機器と考えると安全です。
「表示できる周波数」と「正確に測定できる周波数」は異なる点に注意しましょう。
正弦波と矩形波では必要な帯域幅が異なる
同じ10MHzの信号でも、正弦波と矩形波では必要な帯域幅が異なります。
その理由は、信号に含まれる周波数成分の違いにあります。
正弦波の場合
理想的な正弦波は、基本的に一つの周波数成分だけで構成されています。
例えば、10MHzの正弦波であれば、主な周波数成分は10MHzです。
そのため、振幅を比較的正確に測定したい場合は、5倍にあたる50MHz以上の帯域幅が一つの目安になります。
矩形波の場合
矩形波には、基本周波数だけでなく、3倍、5倍、7倍といった複数の奇数次高調波が含まれています。
例えば、10MHzの矩形波には、次のような周波数成分が含まれます。
- 基本波：10MHz
- 第3高調波：30MHz
- 第5高調波：50MHz
- 第7高調波：70MHz
- 第9高調波：90MHz
これらの高調波が合成されることで、矩形波の急な立ち上がりや平らな波形が作られています。
オシロスコープの帯域幅が不足すると、高い周波数の成分が十分に測定できません。その結果、実際には矩形波である信号が、丸みを帯びた波形として表示されます。
そのため、10MHzの矩形波を測定する場合は、最低でも50MHz程度、立ち上がりや波形の細部まで確認する場合は、100MHz以上の帯域幅が必要になることがあります。
デジタル信号ではクロック周波数より立ち上がり時間が重要
デジタル信号を測定する際は、クロック周波数だけで必要な帯域幅を判断してはいけません。
重要なのは、信号がLowからHigh、またはHighからLowへ変化する速さを表す「立ち上がり時間」です。
例えば、クロック周波数が1MHzであっても、立ち上がり時間が1nsの信号には、数百MHzに及ぶ高周波成分が含まれます。
つまり、クロック周波数が低くても、立ち上がり時間が短い信号には、広い帯域幅が必要です。
帯域幅と立ち上がり時間の関係
オシロスコープの帯域幅と立ち上がり時間には、一般的に次の関係があります。
帯域幅［Hz］≒ 0.35 ÷ 立ち上がり時間［s］
反対に、オシロスコープ自身の立ち上がり時間は、次の式で概算できます。
立ち上がり時間［s］≒ 0.35 ÷ 帯域幅［Hz］
例えば、帯域幅100MHzのオシロスコープの場合は、次のようになります。
0.35 ÷ 100MHz ＝ 3.5ns
つまり、帯域幅100MHzのオシロスコープ自身の立ち上がり時間は、約3.5nsです。
帯域幅ごとの立ち上がり時間
| オシロスコープの帯域幅 | 立ち上がり時間の目安 |
|---|---|
| 20MHz | 17.5ns |
| 50MHz | 7ns |
| 100MHz | 3.5ns |
| 200MHz | 1.75ns |
| 350MHz | 1ns |
| 500MHz | 0.7ns |
| 1GHz | 0.35ns |
例えば、立ち上がり時間が2nsの信号を測定する場合、信号帯域の目安は次のようになります。
0.35 ÷ 2ns ＝ 175MHz
したがって、最低でも175MHz以上の帯域幅が必要です。
ただし、175MHzはあくまで最低限の値です。立ち上がり時間をより正確に測定したい場合は、200MHzや350MHzなど、さらに余裕のあるオシロスコープを選ぶ方がよいでしょう。
なお、0.35という係数は周波数応答を単純化した近似値です。実際のオシロスコープでは、機種によって0.4～0.45程度の係数が使われる場合もあります。
帯域幅とサンプリングレートの違い
オシロスコープの仕様表には、帯域幅と一緒に「サンプリングレート」が記載されています。
この二つは混同されやすいですが、役割は異なります。
| 項目 | 意味 |
|---|---|
| 帯域幅 | アナログ入力回路が通せる周波数の範囲 |
| サンプリングレート | 1秒間に電圧を何回取得するか |
| メモリ長 | 取得したデータを何点保存できるか |
帯域幅は高周波信号を通せる範囲
帯域幅は、入力された信号の高周波成分を、どこまで減衰させずに内部へ通せるかを示します。
帯域幅が不足している場合、サンプリングレートが高くても、入力回路の段階で高周波成分が失われてしまいます。
サンプリングレートは波形を取得する細かさ
サンプリングレートは、1秒間に何回信号を測定するかを表します。
例えば、1GSa/sは、1秒間に10億回サンプリングするという意味です。
理論上は、測定する最高周波数の2倍以上のサンプリングレートが必要です。これはサンプリング定理によるものです。
ただし、実際のオシロスコープ測定では、波形を見やすく再現するために、測定信号の最高周波数に対して5倍以上、できれば10倍程度のサンプリングレートがあると安心です。
例えば、100MHz帯域のオシロスコープであれば、最低でも500MSa/s、一般的には1GSa/s程度あると扱いやすいでしょう。
帯域幅とサンプリングレートは両方重要
サンプリングレートが高くても、帯域幅が不足していれば高周波成分は測定できません。
一方で、帯域幅が広くてもサンプリングレートが低ければ、取得点が不足して波形が不自然に表示されたり、エイリアシングが発生したりします。
オシロスコープを選ぶ際は、帯域幅とサンプリングレートの両方を確認することが大切です。
プローブの帯域幅にも注意する
オシロスコープ本体の帯域幅が十分でも、使用するプローブの性能が低ければ、測定システム全体の帯域幅は低下します。
例えば、次の組み合わせを考えてみましょう。
- オシロスコープ本体：帯域幅200MHz
- 使用するプローブ：帯域幅100MHz
この場合、測定システム全体の帯域幅は、100MHz以下に制限されます。
厳密には、オシロスコープ本体とプローブを組み合わせたシステム帯域幅は、それぞれの周波数特性によって決まります。そのため、本体とプローブの帯域幅が同じ場合でも、システム全体の帯域幅はそれより狭くなることがあります。
高周波信号を測定するときは、次の点を確認しましょう。
- プローブの帯域幅
- プローブの入力容量
- 1：1または10：1の減衰比
- プローブ補正が正しく行われているか
- グランド線が必要以上に長くないか
- 測定対象に適したプローブか
特にプローブのグランド線が長いと、寄生インダクタンスによってリンギングやノイズが発生しやすくなります。
高周波測定では、グランドスプリングなどを使用し、グランド経路をできるだけ短くすることが重要です。
必要な帯域幅の決め方
オシロスコープに必要な帯域幅は、次の手順で決めるとわかりやすくなります。
1．測定する信号の種類を確認する
まず、どのような信号を測定するのか確認します。
- 正弦波
- 音声信号
- PWM信号
- クロック信号
- 通信信号
- スイッチング電源の波形
- マイコンのGPIO信号
- MOSFETのゲート信号
信号の種類によって、必要な帯域幅の考え方は変わります。
2．測定したい最高周波数を確認する
正弦波やアナログ信号の場合は、測定したい最高周波数を確認します。
例えば、最高周波数が10MHzであれば、5倍の50MHz以上が一つの目安です。
ただし、高周波ノイズやリンギングも観測したい場合は、信号の基本周波数ではなく、観測したい現象の最高周波数を基準にします。
3．デジタル信号は立ち上がり時間を確認する
矩形波、クロック信号、パルス信号では、周波数だけでなく、データシートに記載された立ち上がり時間も確認します。
必要な帯域幅は、次の式で概算できます。
必要な帯域幅 ≒ 0.35 ÷ 信号の立ち上がり時間
クロック周波数が低くても、立ち上がり時間が短い場合は広い帯域幅が必要です。
4．将来の用途も考えて余裕を持たせる
オシロスコープは、比較的長期間使用する測定器です。
現在は低速なマイコン回路しか測定しない場合でも、将来的に次のような回路を扱う可能性があります。
- 高速マイコン
- FPGA
- スイッチング電源
- モーター制御回路
- 高速シリアル通信
- パワー半導体回路
予算に余裕がある場合は、計算上必要な最低帯域幅よりも、一段階上のモデルを選ぶと用途を広げやすくなります。
用途別に必要な帯域幅の目安
一般的な用途ごとの帯域幅の目安は、次のとおりです。
| 主な用途 | 帯域幅の目安 |
|---|---|
| 音声回路・低周波回路 | 20MHz程度 |
| Arduinoなどの低速マイコン | 20～50MHz |
| 一般的な電子工作 | 50～100MHz |
| PWM・モーター制御 | 50～200MHz |
| スイッチング電源 | 100～500MHz |
| 高速マイコン・FPGA | 200MHz以上 |
| 高速通信信号 | 500MHz以上 |
| RF回路・高速半導体 | 1GHz以上 |
これはあくまで目安です。
同じマイコン回路でも、クロック周波数、信号の立ち上がり時間、観測したいノイズ、使用するプローブによって必要な帯域幅は変わります。
大学の実験や一般的な電子工作を中心に使用する場合は、帯域幅100MHz、サンプリングレート1GSa/s程度のオシロスコープが、幅広い用途に対応しやすいでしょう。
帯域幅は広ければ広いほどよいとは限らない
帯域幅が広いオシロスコープほど、高速な信号や細かな波形変化を観測できます。
しかし、帯域幅が広ければ、常に測定しやすくなるわけではありません。
帯域幅を広くすると、測定対象とは関係のない高周波ノイズも取り込みやすくなります。
そのため、多くのオシロスコープには「帯域幅制限機能」が搭載されています。
例えば、100MHz帯域のオシロスコープでも、20MHz帯域制限を有効にすることで、高周波ノイズを減らして低周波信号を見やすくできます。
帯域幅制限が有効な測定例には、次のようなものがあります。
- 電源電圧のリップル測定
- センサーの低周波出力
- オーディオ信号
- 低速なアナログ信号
- 高周波ノイズを除去したい測定
必要以上に広い帯域を使用せず、測定対象に合わせて帯域幅を調整することが大切です。
オシロスコープの帯域幅に関するよくある誤解
帯域幅100MHzなら100MHzを正確に測定できる
帯域幅100MHzでは、100MHz信号の振幅が約70.7％まで低下します。
振幅を比較的正確に測定する場合は、20MHz程度までを目安にしましょう。
サンプリングレートが高ければ帯域幅は狭くてもよい
帯域幅とサンプリングレートは別の性能です。
入力回路で失われた高周波成分は、サンプリングレートを高くしても復元できません。
10MHzの矩形波なら10MHz帯域で十分
矩形波には、基本周波数より高い高調波が含まれています。
10MHzの矩形波を測定する場合は、最低でも50MHz程度、立ち上がりまで確認するなら100MHz以上が必要になることがあります。
オシロスコープ本体の帯域幅だけ確認すればよい
実際の測定性能は、プローブ、ケーブル、コネクター、測定治具などの影響も受けます。
特にプローブの帯域幅、入力容量、グランド線の長さは、測定波形に大きく影響します。
オシロスコープの帯域幅に関するよくある質問
帯域幅20MHzのオシロスコープで測定できる周波数は？
信号の有無を確認するだけであれば、20MHz付近まで表示できる可能性があります。
ただし、振幅を比較的正確に測定する場合は、5倍ルールから4MHz程度までが目安です。
1MHzの信号には何MHzのオシロスコープが必要ですか？
正弦波であれば、5MHz以上が目安です。
ただし、市販されているオシロスコープは20MHz以上の製品が一般的です。電子工作や大学の実験で使用する場合は、20～50MHz以上を選ぶと使いやすいでしょう。
10MHzの信号には100MHz帯域が必要ですか？
10MHzの正弦波であれば、50MHz程度の帯域幅でも比較的正確に測定できます。
一方、矩形波や立ち上がりの速いデジタル信号を測定する場合は、100MHz以上を選ぶ方が安心です。
100MHz帯域と200MHz帯域では何が違いますか？
200MHz帯域のオシロスコープは、100MHz帯域のモデルよりも高い周波数成分を観測できます。
立ち上がり時間の目安は、次のとおりです。
- 100MHz帯域：約3.5ns
- 200MHz帯域：約1.75ns
そのため、高速なデジタル信号、スイッチング波形、短いパルスを測定する場合は、200MHz帯域の方が波形を忠実に表示できます。
帯域幅と周波数レンジは同じ意味ですか？
似ていますが、厳密には異なります。
帯域幅は、オシロスコープの振幅特性が－3dBになる周波数までの範囲です。
その周波数を超えた瞬間に信号が見えなくなるわけではありませんが、振幅の低下や波形の変形が大きくなるため、正確な測定には適しません。
初心者には何MHzのオシロスコープがおすすめですか？
大学の実験、Arduino、一般的な電子工作、低速なデジタル回路を幅広く測定する場合は、100MHz帯域のオシロスコープが使いやすい選択肢です。
サンプリングレートは、1GSa/s程度あると多くの用途に対応できます。
まとめ：測定したい周波数の5倍を目安に選ぼう
オシロスコープの帯域幅とは、入力回路がどの程度高い周波数まで信号を通せるかを示す性能です。
ただし、仕様に表示されている帯域幅の周波数では、信号の振幅が実際の約70.7％まで低下します。
そのため、帯域幅の数字を、そのまま「正確に測定できる最高周波数」と考えてはいけません。
オシロスコープを選ぶ際は、次のポイントを押さえておきましょう。
- 正弦波では測定したい最高周波数の3～5倍を目安にする
- 振幅を正確に測定したい場合は5倍以上の帯域幅を選ぶ
- 矩形波では基本周波数だけでなく高調波も考慮する
- デジタル信号ではクロック周波数より立ち上がり時間を重視する
- 帯域幅とサンプリングレートは別の性能として確認する
- オシロスコープ本体だけでなくプローブの帯域幅も確認する
- 低周波測定では帯域幅制限機能を活用する
一般的な電子工作や大学の実験では、100MHz帯域、1GSa/s程度のオシロスコープが幅広い用途に対応しやすいでしょう。
測定対象の基本周波数だけでなく、波形の形、立ち上がり時間、観測したいノイズ、使用するプローブまで考慮することが、正確な測定につながります。
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