低ノイズ電圧レギュレータを特徴づけるものは何か？

投稿日八月 13, 2021
更新日七月 1, 2024

ICは安定したDC電源が正しく動作するために必要であり、低ノイズはどのDCレギュレータにも求められる標準要件です。場合によっては、ノイズをフィルタリングできる限り、負荷規制の数dBを気にすることはないかもしれませんが、超精密なタイミングと非常に狭い入力電圧範囲を持つコンポーネントが必要なアプリケーションでは、非常に安定したDC電圧と低ノイズが必要です。では、低ノイズの正確な限界をどのように定義し、どのタイプのレギュレータがこれらのアプリケーションに最適なのでしょうか？

電圧レギュレータの仕様を一度も見たことがない場合、次のシステム用の低ノイズ電圧レギュレータを見つけるためには、マーケティング用語に頼る必要があるかもしれません。しかし、レギュレータ自体が全てではなく、レギュレータが安定した低ノイズDC出力を提供するために必要な他のコンポーネントやレイアウト戦略があります。低ノイズレギュレータの異なるタイプと、ニーズに最適なコンポーネントを選択する方法について知っておくべきことはこちらです。

低ノイズ電圧レギュレータの基礎

低ノイズ電圧レギュレータは技術的にはどのトポロジーからも構築できますが、実用的な使用に十分なほどノイズを低減する方法は、コンポーネントまたは回路設計者が対処すべき別の問題です。選択するレギュレータコンポーネントには多くの重要な仕様がありますが、以下の3つはレギュレータのノイズ処理（内部生成のものと外部のものの両方）について基本的に必要なすべてを教えてくれます。

電源リジェクション比（PSRR）。 簡単に言うと、この仕様はレギュレータによって上流の電源から拒否される導通ノイズ（dB単位）の量を教えてくれます。LDOのエラーアンプは高いPSRRを保証します（スイッチングコンバータと同様に）、ただし、高いステップダウンが必要な場合は非効率的です。
出力規制。 これは名目値に対してdB単位で測定されるか、またはパーセンテージとして測定されます。真に低ノイズのレギュレータは非常に低い出力規制値を持つべきです。最高のコンポーネントは1%以下の規制評価を持ちます。この仕様は、名目電圧出力の一部としてのRMS出力の観点からも定義されるかもしれません。
ノイズ電力密度。 これは任意の周波数範囲で予想されるノイズの量を示します。関連する範囲はDCから非常に高い周波数（100 kHzから1 MHz）まで、またはスイッチングレギュレータのスイッチング周波数まで取ることができます。

上記のすべての量は周波数依存です。ノイズ電力密度は、内部スイッチングノイズを含む、内部で生成されるすべてのノイズ源を包含していることに注意してください。これらの三つの仕様は、低ノイズ電圧レギュレータを選択する際に一緒に考慮する必要があります。例えば、入力が0 dB PSRRの場合、低出力規制とノイズ電力密度は意味がありません。同様に、出力規制値が非常に高い場合はPSRRは関係ありません。

ディスクリートコンポーネントからのレギュレータの構築

電圧レギュレータからの出力やレギュレータIC内部のその他の補助回路は、レギュレータ出力のノイズをさらに低減するのに役立ちます。たとえば、離散部品から独自のリニアレギュレータを構築する場合、容量乗算器を使用することは、ノイズを減らすためのシンプルだが強力な方法です。このトポロジーは、特殊な部品を必要とせずに、オーディオや低周波RFレギュレータでよく使用されます。もう一つの例は、理論的に完璧なノイズ低減を提供するアクティブレギュレータです。

さらにノイズ低減を求める場合は、入出力に追加のフィルタリングが必要になるか、高度に設計された統合ソリューションを使用する必要があります。また、出力のフィルタリングとスイッチング周波数がレギュレータのノイズ内容にどのように影響するかも考慮するべきです。

スイッチング周波数とフィルタリングの役割

スイッチングコンバータを探している場合、レギュレータからの出力に追加のノイズが発生します。本質的に、スイッチングレギュレータはACソースからの低周波リップルを高周波ノイズに交換し、PWM信号の帯域幅全体に広がります。これが、多くの低ノイズ電圧レギュレータコンポーネントがLDOである理由を説明しています。スイッチングノイズがありません。この記事をご覧くださいスイッチングコンバータの設計と、コンバータに最適な周波数の選択方法について詳しく学ぶことができます。

2つのモードで駆動されたバックコンバータによって生成されたノイズスペクトルの例とCISPRの限界の比較。[出典]

最後に、レギュレータから非常に低いノイズ内容が必要な場合、高次のローパスフィルタを使用してデバイスからの一部のノイズ内容を除去することができます。これらのフィルタは受動部品から設計できますが、スイッチングレギュレータで高電流を扱う際にはレイアウトに注意してください。スイッチング動作は高磁場を発生させ、フィルタ出力に電流を誘導し、その後下流の他のコンポーネントに伝播する可能性があります。

低ノイズ電圧レギュレータの2つの例

STMicroelectronics, LD56100

低電圧、中程度の電流アプリケーションの場合、STMicroelectronicsのLD56100シリーズは、最大5.5Vの出力を1Aの電流で提供する低ノイズLDOです。出力は統合されたセラミックキャパシタを使用して安定しており、ドロップアウト電圧は120mVで非常に低く、PSRRは70dB（1kHz周波数）で、3V出力で0.13mV RMSのノイズがあります。

LD56100低ノイズLDOレギュレータのブロック図。出典: LD56100データシート.

アナログ・デバイセズ LTC7151S

低コストで低ノイズの電圧レギュレータの一例として、アナログ・デバイセズのLTC7151Sがあります。このSMD低ノイズレギュレータは、ユーザーが制御可能な調整可能なスイッチング周波数を400 kHzから3 MHzまで提供し、統合されたPWMドライバーを備えているため、低損失で高電力スイッチングコンバーターが必要なシステムに最適です。入力範囲は最大20 Vまで、出力範囲は最大5.5 Vまでで、負荷に対して15 Aを供給できます。2つの供給規制モードが提供され、どちらも出力電流範囲全体で出力負荷規制を0.25%以下に維持します。

LTC7151S datasheet。

電源システム用のその他のコンポーネント

低ノイズ電圧レギュレータは自身だけで低ノイズにはならず、レギュレータセクションには所望の電力出力とノイズフロアを提供するために他のコンポーネントが必要です。高電力システムで非常に正確な規制を維持し、同時に安定性を保ち低ノイズを確保することは大きな課題であり、他の電力管理コンポーネントの範囲が必要です。製品に必要な他のコンポーネントは以下の通りです：

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