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ミックスドシグナルのレベルシフティングをよりコンパクトにする

投稿日 2026/07/1 水曜日
更新日 2026/07/20 月曜日

At a Glance

レベルシフトは通常、専用ICを用いてデジタル信号向けに行われますが、アナログ信号やミックスドシグナル・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では、対象仕様に対応したレベルシフタICを使用する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方がはるかに多いにもかかわらず、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存在していません。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ソリューションを考案するうえで、回路設計者にはより多くの工夫が求められます。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組んで実現することもできますが、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を使用する方が理にかなっています。これらのコンポーネントは、個別の電源から供給される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。これらのコンポーネント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（一方向性か双方向性か）
ON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・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、部品によっては、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の入力電圧に対応できます。

双方向レベルシフタでは、パッド配置はコンポーネントパッケージの両側に分けて配置され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簡単になります。

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で入力／出力を直接配線できます。

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、あるい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で構成された回路によって実現され、ノイズ除去を目的として、レベルシフトの過程で追加のフィルタリングを施す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は複数見つかります。それぞれが異なる信号タイプや周波数帯域（あるいはその両方）向けに適したものです。実際、特定トポロジー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のは、おそらくこれが理由でしょう。とはいえ、アナログ信号でレベルシフトを実装する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のシグナルチェーン設計
オペアンプ + ADC/DACソリューション
抵抗分圧ベースの回路（ステップダウン用）
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対する可能なアプローチのごく一部にすぎません。これほど多くの選択肢があることを考えれば、統合ソリューションが見つかりにく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、アナログレベルシフト向けの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

デジタル設計向けのソリューションが豊富にあり、アナログ設計向けにもレベルシフトのソリューションを構築できることは明らかですが、ではミックスドシグナル・インターフェースはどうでしょうか。こうしたコンポーネントはシリコン上でカスタム設計される必要があり、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、しかも非同期に実行できます。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、複数信号の同時レベルシフトが可能です。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、あるいはその両方を、アナログ信号のレベルシフトと併せて実装できます。

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提供する、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・プロセッサにより、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、より小型で効率的なシステムを実現できます。

詳しくは、GreenPAKコンポーネントおよびリファレンス例をご覧ください。

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