混合信号レベルシフトをよりコンパクトにする方法

投稿日 2026/07/1 水曜日
更新日 2026/07/8 水曜日

At a Glance

レベルシフティングは通常、専用ICを用いてデジタル信号向けに実装されますが、アナログまたはミックスドシグナルのインターフェース向けには適切なソリューションがありません。GreenPAKは、この用途に対して高集積なソリューションを提供します。

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電圧変換は、通常は純粋にデジタルの問題として捉えられます。たとえば、1.8Vのデバイスが3.3Vのデバイスと通信する必要があり、さらにその3.3Vのデバイスが5Vの別のデバイスとやり取りする、といったケースです。このような場合、通常は入力が想定される信号レベルに対応できるかを確認し、必要に応じて抵抗や専用のレベルシフタICでレベルを調整します。I2CやSPIインターフェースのようなデジタルデータの場合は、対象仕様に対応したレベルシフタICを使うのが最も一般的です。

私たちの経験では、レベルシフトはデジタルシステムよりもアナログシステムで発生することのほうが多い一方で、PCB上でアナログのレベルシフトを実装するためのコンパクトなソリューションはほとんど存在しません。しかし、アナログのシフトもデジタル設計と同じ理由で依然として重要であり、レベルシフトのための回路ベースの解決策を考案するうえで、回路設計者にはより大きな負担がかかります。アナログおよびミックスドシグナルシステム向けに、これをよりコンパクトに実現する方法があり、本記事ではそれについて説明します。

デジタル・レベルシフタ

デジタル信号のレベルシフトはディスクリート部品で回路を構成して行うこともできますが、そのような回路の速度や複雑さを考えると、レベルシフタICを使用するほうが合理的です。これらの部品は、別々の電源によって供給される2つの電圧間で、デジタル信号のレベルを直接変換します。これらの部品は半導体メーカー各社から広く提供されており、仕様には違いがあるものの、共通のピン配置やパッケージを持つ場合があります。

レベルシフタの重要な電気的仕様には、次のようなものがあります。

対応インターフェース（I2C、SPIなど）
出力スルーレート、およびクロック周波数／データレートの上限
方向性（単方向または双方向）
オン状態抵抗
回路保護や設定可能なスルーレートなどの追加統合機能

通常、これらはシングルエンドのインターフェースをサポートしており、標準化されたインターフェース、またはオープンドレインもしくはプッシュプルの単純なGPIOレベルシフトに対応します。さらに、一部の部品では、シフタの片側で非常に広い入力電圧範囲をサポートするものもあります。たとえば、 Renesasの部品番号RH4Z2501はラインドライバとしても機能し、最大36Vの入力電圧をサポートできます。

双方向レベルシフタでは、パッド配置がコンポーネントパッケージの両側に分かれて配置されていることがよくあります。以下に、Texas Instrumentsの部品番号TXV0108（独自のRGYパッケージオプション）の例を示します。このピン配置により、ファンインおよびファンアウトが大幅に容易になります。

デジタル・レベルシフタのパッド配置により、PCBレイアウトではコンポーネントの各側面で入力／出力配線を直接行うことができます。

アナログ・レベルシフト回路

アナログのレベルシフトでは、DCオフセットを加える、アナログ信号のピーク電圧を増減させる、またはその両方を行うことで、アナログ信号のレベルを調整します。これは通常、カスタム回路、一般的にはオペアンプを用いて実現され、レベルシフトの過程でノイズ除去を目的とした追加のフィルタリングを適用することもよくあります。

どのエンジニアに尋ねるかによって、アナログ信号に同じ種類・同じ大きさのレベルシフトを適用する方法が複数見つかるでしょう。それぞれが異なる信号タイプや周波数範囲、あるいはその両方に特化しています。実際、特定トポロジを持つ専用のアナログ・レベルシフタがICとしてこれまで作られてこなかった理由は、おそらくそこにあります。とはいえ、アナログ信号でレベルシフトを実装するための興味深い方法をいくつか見てきました。

オペアンプベースのソリューション
ADC-MCU-DAC信号チェーン設計
オペアンプ + ADC/DACソリューション
抵抗分圧ベースの回路（降圧用）
双方向バッファソリューション

これは、アナログ信号のレベルシフトに使えるアプローチのほんの一部にすぎません。これほど多くの選択肢があることを考えると、統合ソリューションを見つけるのが難しい理由は明らかです。ここで、ミックスドシグナル・プロセッサが、アナログのレベルシフト向け統合ソリューションとして価値を発揮します。

GreenPAKにおけるミックスドシグナル・レベルシフト

デジタル設計向けには豊富なソリューションがあり、アナログ設計向けにもレベルシフトソリューションを構築できることは明らかですが、ミックスドシグナルのインターフェースではどうでしょうか。このような部品はシリコン上でカスタム設計される必要がありますが、まさにそれを可能にするのが、GreenPAKのようなプログラマブルなミックスドシグナル・プロセッサです。

GreenPAKコンポーネントでは、設計者はミックスドシグナル・マクロセルを構成することで、デジタル信号とアナログ信号のレベルシフトを同時に、しかも非同期的に行うことができます。GreenPAKデバイスでは、必要に応じて追加のロジック処理をデバイス内に実装しながら、複数の信号を同時にレベルシフトできます。つまり設計者は、標準的なデジタルインターフェース、カスタムロジック、またはその両方を、アナログ信号のレベルシフトと並行して組み込むことができます。

GreenPAKコンポーネントのグラフィカル・プログラミング。

Renesas GreenPAKの開発ツールにより、設計者は専用のレベルシフト機能、または内蔵機能としてのレベルシフトを備えた、完全にカスタムなデジタル、アナログ、またはミックスドシグナルICを開発できます。これらのプログラマブルなミックスドシグナル・プロセッサでは、追加のロジック機能をシリコン上に直接実装して集約できるため、より小型で高効率なシステムを実現できます。

詳細については、GreenPAKコンポーネントとリファレンス例をご覧ください。

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