参考資料

低ノイズ電源デバイスによる電源アー
キテクチャの簡素化

Marcoo Zamora
System Engineer
Linear Power要求の厳しい電子システムで高精度シグナル チェーンを実現するには、固有ノイズとシステム ノイズの低減が不可欠です。低ノイズ電源デバイスのイノベーションは、システム ノイズの低減や精度と正確度の向上に貢献します。の新しい電源と低ノイズの電圧リファレンスは、これらのトレン概要

ドを利用して、低消費電力アプリケーションでの高分解能測定を ADC が実現するのに役立てています。

1

電源アーキテクチャにおけるノイズと精度の定義

ノイズを最小限に抑えるために、シグナル チェーンと電源ア

ノイズは多くの場合、アプリケーション固有ですが、このホワイト ペーパーの文脈では、ノイズとは、最大で約う。図 1 に、外部電圧リファレンス、クロック、シグナル コンデーキテクチャにおけるノイズの発生源を再確認してみましょィショニング回路を必要とする ADC を中心とした代表的なシ

100kHz の熱ノイズや 1/f ノイズ、低周波数発振に起グナル チェーン アプリケーションを示します。図 1 のすべて因するあらゆる不要な信号のことです。の部品はシステム ノイズの一因となっており、最適化が必要

低ノイズと低消費電力の電圧リファレンスのイノベーション

2です。

電源アーキテクチャでノイズを低減すると、A/D コンバ

DC/DCVoltage
ReferenceLDO

ータの分解能と精度の向上に役立ちますが、消費電力、プリント回路基板 (PCB) のサイズ、製造フロー、コストなど、設計上の課題が発生します。
SensorAmpler

高精度バッテリ監視のイノベーション

Clock
ADC

シリコン テクノロジー分野の独創的なソリューションに

3より、電源アーキテクチャとバッテリ システムの最適化

図 1. 一般的なシグナル チェーンの電源アーキテクチャが可能となります。

ノイズと ADC

分解能と精度のトレードオフを解消していくことが業界のトレ

ADC 内のノイズは、高精度の電圧測定で誤差を引き起こすンドとなっている中、シグナル チェーンで最小のノイズを実現可能性があります。内部および外部の発生源からのシグナルすることは大変重要です。このトレードオフを解消していく際にチェーン内のノイズの寄与の合計を考慮する必要がありま

重要なのは、A/D コンバータ (ADC) やアンプのようなシグナす。合計ノイズは多くの場合、ADC 熱ノイズ、ADC 量子化ノル チェーン部品のノイズだけでなく、スイッチング レギュレーイズ、アンプ ノイズ、電圧リファレンス ノイズ、電源ノイズの組タや低ドロップアウト レギュレータ (LDO) のような電源製品のみ合わせです。

ノイズも考慮することです。シリコン テクノロジーの進歩によ

図 1 に基づいてセンサを測定する際の、ADC の入力 (フルスり、電源トポロジで低ノイズと高精度を実現しようとする場合ケール電圧時) での換算ノイズの合計を、式 1 に示します。のトレードオフが減少しています。

設計上の主な課題は、アプリケーションが必要とするノイズ目

24 ビット デルタ シグマ ADC の最近のトレンドでは、サンプリ標を達成するためにすべてのノイズ源を最適化することでング速度の向上と消費電力の低減が進んでいます。低ノイズ

低ノイズ電源デバイスによる電源アーキテクチャの簡素化

2

November 2023

す。式 1 では、ADC の電源除去比 (PSRR) によって電源ノイズが低減され、これが 1 MHz にプロットされます。
ADC 合計 ノイズ =(1)PSRR 2
222ADC 熱 ノイズ + ADC 量子化 ノイズ + 電 源 ノイズ × 10 20+ 電圧 リファレンス ノイズ

電源アーキテクチャにおけるノイズと精度の定義

無相関のノイズ源が存在する場合、合計ノイズはすべてのノイズ源の二乗和平方根となり、最大のノイズ源の寄与が大き電源ノイズはランダムであり、あらゆる半導体のパワー デバく強調されます。1 つのノイズの多い部品が、測定値に大きなイスや電源トポロジで発生します。このホワイト ペーパーでは歪みを生じさせる可能性があります。たとえば 図 2 と 図 3 に100kHz 未満の信号に注目します。これを上回る信号は多く示すように、電圧リファレンスのノイズの寄与が ADC や電源の場合、スイッチング リップルまたは電磁干渉 (EMI) に起因よりも大きい場合、電圧リファレンスのノイズを低減するのがするからです。図 4 に示すように、さまざまな要件と設計上のシステム ノイズを低減する最善の方法になります。さらに課題により、ノイズを低周波ノイズ (0.1Hz から 10Hz) と高周ADC ノイズの種類は分解能によって異なります。量子化ノイ波ノイズ (100Hz から 100kHz) に分けることもできます。

ズは 16 ビット ADC では重要ですが 24 ビット ADC では無100RMS Voltage Noise (nV/ (Hz)視できます1210Input Referred Noise108651/fSW .

4Broadband .

1312201010100100010000

Switching Frequency (kHz)図 4. ノイズ周波数スペクトル
ADC Therm
ADC Quant
VREF
Power SupplyVoltage Reference Dominant Noise Type

低周波ノイズは多くの場合、シリコンの特性と設計アーキテク

図 2. 電圧リファレンスの支配的なノイズチャの組み合わせにより、半導体デバイスが自然に生成する
0.1Hz から 10Hz の範囲のピーク ツー ピーク ノイズと定義されます。図 5 に示すように、この低周波ノイズは通常、高分

Input Referred Noise

12解能で電圧レールを拡大するとオシロスコープで確認するこ10とができ、高精度 DC 測定では多くの場合誤差の原因となり8ます。低周波ノイズの仕様が不可欠である ADC アプリケー

6ションとしては、バッテリ測定、エネルギー測定、地震測定、さ5らには半導体試験測定などがあります。

432202

ADC Therm
ADC QuantVREF
Power Supply
ADC Thermal Dominant Noise Type

図 3. 支配的な ADC 熱ノイズ

低ノイズ電源デバイスによる電源アーキテクチャの簡素化

3November 2023

低ノイズと低消費電力の電圧リファレンスのイノベーション
ノイズを低減する 1 つの方法はシステムの電力を増やすことですが、多くの場合、電力バジェットが存在するため、限られた電力でノイズ性能を最大化する必要があります。テキサス・インスツルメンツの低ノイズ電圧リファレンスの製品ラインアップは、REF33、REF34、REF35 の各ファミリなどの低消費電力オプションを含み、高精度の低消費電力 ADC で電力とノイズの境界を広げることができます。静止電流 (IQ) が低い電圧リファレンスは、電力バジェットが限られている 2 線式トランスミッタなど、携帯用またはエッジ側アプリケーションにメリットが

図 5. オシロスコープに表示した低周波ノイズあります。
もう一つは高周波ノイズであり、図 6 に示すような 100Hz か

効率的なバンドギャップ回路と出力バッファのイノベーション

ら 100kHz 帯の、ホワイト ノイズ、スイッチング ノイズ、クロッにより、電圧リファレンスの電力 / ノイズ比が向上していま

ク ジッタなどが含まれます。また、高周波ノイズ源としては、す。REF33、REF34、REF35 は、低ノイズと低消費電力を実EMI による結合を通じて、環境から発生することもあります。

現するテキサス・インスツルメンツの電圧リファレンス製品ライ

例えば、ノイズの多い電源から ADC のエラーが発生する可ンアップの主要デバイスです。図 7 は、ノイズと消費電力を比能性があります。同様にノイズの多い電源からの EMI は、ク較し、REF35 の革新性を強調しています。

ロック ジッタを増加させる可能性があり、これが大きい場合、5信号対雑音比が低下する可能性があります。
ジッタの影響を受けやすいデジタル回路では、クロック周波数Voltage Reference (V)4の上昇に起因する高周波ノイズを低減することがますます重要になっています。高周波ノイズが重要な仕様である ADC アプリケーションには、電力線品質モニタ、デジタル信号処理アプリケーション、無線周波数 (RF) 通信機器などがあります。

Quiescent Current (mA)
Low Frequency Noise (µVP-P/V)

43.2

332

1.5
0.8

10.25
0

REF70

4x REF50

REF50

図 7. 電圧リファレンス電力とノイズ低ノイズの一般的なアプリケーションの 1 つは、携帯型心電図装置などの携帯型医療機器です。24 ビット ADC のADS124S08 ファミリは消費電力がわずか 280 μ A であるため、電力バジェットが限られているフィールド機器やエッジ デバイスの電力消費を最小限に抑えることができます。表 1 はREF35 を 内蔵の ADS124S08 電圧リファレンスと比較し、IQ
図 6. 降圧レギュレータのスイッチング ノイズによる精度が向上していることを明確に示すものです。
REF35 の低ノイズと高精度は、システムの消費電力を低減しながら、量子化誤差とゲイン誤差の両方を改善します。電圧リファレンスの電圧がフレキシブルであることにより、低ノイズ電源デバイスによる電源アーキテクチャの簡素化

4November 2023

100 kADS124S08 のフルスケール レンジを最大化するためのさら10 pFなる最適化が可能です。

100 

–デバイス

REF35

ADS124S08 内部電圧
リファレンス

電圧レベル

1.25 V ～ 5 V

2.5V

低周波ノイズ

8.5µVPP

9µVPP

IQ

0.65μA

280μA

+5 V
VIN

OUTF
OUTS

REF7025100 
22 F+OPA211

10 F

toADC
0.1 F VREF

100 F

図 8. 外部ローパス フィルタ付き REF7025 アプリケーション

表 1. 外部電圧リファレンス対、内部電圧リファレンス

REF35 は、低消費電力で DC 精度を重視した ADC である

簡素化した電源アーキテクチャによるノイズ特性と放熱特性の改善

ADS127L11 とも組み合わされます。REF35 は REF34 に比クロック、データ コンバータ、アンプに電力を供給する従来のべて消費電流が 1/10 であるため、低速モードでは構成は、図 9 に示すように、DC/DC コンバータ (またはモジADS127L11 と最適な組み合わせとなります。この組み合わュール) の後段に LDO、さらにその後段にフェライト ビーズ フ

せにより、ADS127L11 は高精度を必要とする電力品質アナィルタを配置するものでした。この設計のやり方で、電源からライザ システム、またはソリューション サイズ、分解能、帯域負荷に伝わるノイズとリップルの両方を最小化でき、負荷電幅のバランスを取るために低消費電力を必要とする機械振動流がおおむね 2A 以下の場合は適切に動作します。ただし、システムで高精度を実現できます。

負荷が大きくなるほど、LDO で生じる電力損失が原因で、効率と放熱管理に課題が生じます。たとえば、標準的なアナロ

超低ノイズ電圧リファレンスのイノベーション

グ フロント エンド アプリケーションでは、ポスト (後段) レギュ

高分解能 ADC は、より電圧リファレンス ノイズの影響を受けレーション LDO により電力損失が 1.5W 増加する可能性がやすく、データ変換回路に直接接続されているため、電圧測あります。

定に直接影響を及ぼします。超低ノイズの電圧リファレンス
は、高分解能 ADC の性能を最大限に発揮するのに役立ちま

1.4 V, 2 A
Typical DC/DCconverter

す。REF70 は超低 1/f ノイズを実現しており、高分解能 ADCなどの超低ノイズを必要とする製品や、AFE2256 などのマル

400 mW loss

1.2 V, 2 A

Low dropout
regulator

Noise and ripple
sensitive device

図 9. DC/DC コンバータ、LDO、フェライト ビーズ フィルタを使用する
標準的な低ノイズ アーキテクチャ

チチャネル アナログ フロント エンドに接続できます。図 8 に示すように、電圧リファレンスの出力にローパス フィルタを追

標準的な電源アーキテクチャにおける LDO の利点は、高加すると、広帯域ノイズが低減し、システム ノイズも減少しま

PSRR により高周波ノイズ領域のスイッチング ノイズを低減しす。

ながら、高精度の電圧レールを提供できることです。LDO をローパス フィルタを設計するときは、出力インピーダンスによ使用する場合のトレードオフは、発熱と消費電力の増加でって AC 性能が低下しないようにすることが重要です。これす。電力損失を制御しながら低ノイズを確保する効果的な方は、出力電流変動により、大きな直列抵抗が負荷過渡に影響

法は、図 10 に示すように LDO を電源設計から全面的に排を与える、RC ローパス フィルタで発生する可能性がありま除し、低ノイズの DC/DC 降圧コンバータまたは降圧モジューす。広帯域ノイズの影響を制限するため、10Hz 未満のロールを使用することです。LDO を使用しないこのデザインは、低パス フィルタ帯域幅カットオフ周波数を選択します。

ノイズを達成しながら、電力損失を低減し発熱を改善します。
1.2 V, 2 A
Low noise, low ripple
DC/DC converter

Noise and ripple
sensitive device

図 10. LDO なしで低ノイズ降圧コンバータを採用

低ノイズ電源デバイスによる電源アーキテクチャの簡素化

5November 2023

TPS62912 と TPS62913 で構成される低ノイズ降圧コンバー

12 に示すように、NR ピンにコンデンサ (CNR/SS) を追加する

タ ファミリや、TPSM82912 と TPSM82913 の各モジュールと、VREF ノードに内部抵抗を持つ RC フィルタが形成されまは、ノイズ低減 / ソフト スタート ピンを実装しており、ここに 1す。

個のコンデンサを接続して、図 11 に示すように、内蔵の Rf

A.
VOUTと、外部接続コンデンサ CNR/SS を組み合わせてローパス RCTo
LoadIN

フィルタを形成します。この実装は本質的に、LDO のバンドギャップ ローパス フィルタの動作を模倣しているため、出力電BIAS
VREF

TPS62913 は、2.2MHz のスイッチング周波数とオプションのVREF

2 段目フェライト ビーズ LC フィルタを活用することで、標準的NR/SSなスイッチング ノイズが存在しない高周波領域でも低ノイズ

CNR/SS+

圧リップルを 10μVRMS 未満に抑えることができます。また、

R1
FB

GND

R2フロアを実現できます。
VIN

図 12. NR/SS ピンを備えた N チャネル金属酸化膜半導体 LDO
INR/SS
FB
Soft-start+

0.8 V
VREF

gM

RF

VOUT = VREF × 1 + R1
R2

A.

2nd stage filter
compensationVO(2)より新しい LDO には、高精度で正確な低ノイズの電流源と、その後段にはエラー アンプが実装されています。ユニティ ゲイン構成を実装すると、出力範囲全体にわたって低ノイズもNR/SS保証されます。これらの高精度、低ノイズ LDO の適切な例の

図 11. バンドギャップ ノイズ フィルタリングを実行する低ノイズ降圧コンバータのブロック図

1 つは TPS7A94 で、この製品は 10Hz から 100kHz の帯域幅で 0.46μVRMS を実現できます。図 13 に、出力ノイズ密度

ADC12DJ5200RF は、4W の消費電力で DC から 10GHzと、CNR/SS を 1µF から 10µF に増加させた場合の影響を示の範囲をサンプリングする RF サンプリング ADC です。

します。

PSRR は電源のリップルとノイズを減衰させますが、残留リップルとノイズが ADC の出力スペクトルに現れ、誤差の原因となります。ADC12DJ5200RF のアナログ電圧レールの電源要件はより敏感なため、低ノイズが必要です。低ノイズおよび大電力のアナログ レールに TPS62912 を使用すると、DC/DC と LDO の組み合わせに比べて電力損失を最小化しながら、簡素化された効率的な電源アーキテクチャを可能にします。

LDO 電源レールによる大電流、低ノイズLDO 固有の最大のノイズ源は内部電圧リファレンスです。ノイズを低減し、全体のシステム性能を向上させるために、テキサス・インスツルメンツの製品ラインアップのさまざまな LDOに NR ピンによるノイズ低減機能が組み込まれています。図低ノイズ電源デバイスによる電源アーキテクチャの簡素化

VOUT = 3.3V

CIN = COUT = 10µF

IOUT = 500mA

10Hz ≤ fSW ≤100kHz

図 13. TPS7A94 の出力ノイズ対 CNR/SS

6November 2023

TPS7A94 が備える機能の組み合わせは、優れた電圧精度と• バッテリ モニタを PCB に半田付けする場合、PCB の反り

超低ノイズを実現できる新世代の低ノイズ LDO の代表例でによってダイがわずかに曲がるため、電圧測定の精度がす。これは、高分解能の ADC はノイズの影響を受けやすい低下します。内蔵のひずみゲージは、この曲げを測定し、電圧の測定値を補正します。

ため、TPS7A94 が高分解能シグナル チェーンの主電源であ• 内蔵のセル バランシング電界効果トランジスタと電源による場合に重要です。図 14 に示す代表的なアプリケーション

り、ダイの温度が上昇し、温度偏差に起因する電圧測定で、TPS7A94 は高性能デバイスである ADC やオペアンプ、誤差が生じます。BQ79718-Q1 は温度センサを内蔵してクロック、外部電圧リファレンスの主電源です。このシグナルいるため、温度範囲全体にわたって電圧測定の較正を行

チェーンの目標は、TPH210 および REF70 の低い 1/f ノイズ

うことができ、最高の精度を確保できます。

による超低入力電流ノイズを使用して、ADS127L11 の全高調波歪みとゲイン誤差を最小化し、信号対雑音比を最大化す

BQ79718 や BQ79731-Q1 のような特定用途向け IC は、シることです。TPS7A94 の低ノイズと高 PSRR はクリーンな電ステム レベルの問題をシングルチップで解決するのに役立源ラインを提供し、TPS210、ADC127L11、REF70 のアクティ

ち、システム設計者は市場投入までの期間を犠牲にせずに、ブ回路に結合して性能を低下させる可能性のある、すべての最高の性能を実現できます。

ノイズを制限します。

まとめVOUT

REF70

低ノイズ ADC やアナログ フロント エンド向けの従来の低ノイTPS7A94

ズ電源アーキテクチャは、多くの場合、消費電力と放熱性能の課題に直面します。低ノイズの電圧リファレンスと電源を用Sensor

いて設計することで、電源アーキテクチャを簡素化し、厳しいTHP210

ADS127L11Clock

電力バジェットを満足することが可能となります。REF35 のよ
うな電圧リファレンスのイノベーションは、エッジ デバイスのノ

図 14. シグナル チェーンに電力を供給する TPS7A94

イズ低減と消費電力削減を新しいレベルに引き上げる手助けとなります。RF サンプリング ADC のようなノイズに敏感なア

高精度バッテリ監視のイノベーション

プリケーションでは、TPS62913 などの低ノイズのスイッチン

電気自動車用のバッテリ モニタである BQ79718-Q1 は、セグ レギュレータにより、LDO を使用する従来のスイッチング

ル電圧の測定精度が 1mV です。このように精度と正確度がレギュレータに比べて発熱を低減できます。

高いため、自動車の OEM メーカーは EV バッテリ パックのコストや容量を増やさずに、航続距離を延ばすことが可能でその他の資料す。予想されるとおり、温度や寿命によるドリフト、電源ノイ• 低ノイズと精度の詳細については、「低ノイズと高精度」を

ズ、基板の曲げに起因するダイ ストレスなど、多くのシステム参照してください。

要因や環境要因が電圧測定の不正確さに寄与しています。

• 技術記事『低ノイズと低リップルを重視した設計手法を活

テキサス・インスツルメンツは、環境への影響を低減し、より用し、パワー インテグリティ (電力品質) とシグナル インテ

高精度な電圧測定を実現するために、単一のダイにいくつかグリティを強化する方法』をお読みください。のテクノロジーを組み込んでいます。次に例を示します。

• e-book『精度に関する基礎、ADC ノイズ分析』および『LDO の基礎』をダウンロードしてください。

• 埋め込みツェナー ダイオードは、埋め込み接合部を表面より十分に下に保持し、ホット キャリアの影響を受けにくく• アプリケーション ノート『TPS62913 低リップルおよび低ノしています。このダイオードは、集積回路 (IC) の温度と寿イズ降圧コンバータによる高感度 ADC への電力供給の命全体にわたって非常に安定した電圧リファレンスを実現設計』および『TPS62913 低リップルおよび低ノイズの降します。

低ノイズ電源デバイスによる電源アーキテクチャの簡素化

7November 2023

圧コンバータによる AFE7920 への電力供給』を参照してください。
• ホワイト ペーパー『バッテリ管理システムのイノベーションによる EV 採用の増加』をご覧ください。

重要なお知らせ：ここに記載されているテキサス・インスツルメンツ社および子会社の製品およびサービスの購入には、TI の販売に関する標準の使用許諾契約への同意が必要です。お客様には、ご注文の前に、TI 製品とサービスに関する完全な最新情報のご入手をお勧め致します。TI は、アプリケーションに対する援助、お客様のアプリケーションまたは製品の設計、ソフトウェアのパフォーマンス、または特許の侵害に対して一切責任を負いません。ここに記載されている他の会社の製品またはサービスに関する情報は、TI による同意、保証、または承認を意図するものではありません。
すべての商標は、それぞれの所有者に帰属します。
© 2023 Texas Instruments IncorporatedJAJY138重要なお知らせと免責事項
TI は、技術データと信頼性データ (データシートを含みます)、設計リソース (リファレンス・デザインを含みます)、アプリケーションや設計に関する各種アドバイス、Web ツール、安全性情報、その他のリソースを、欠陥が存在する可能性のある「現状のまま」提供しており、商品性および特定目的に対する適合性の黙示保証、第三者の知的財産権の非侵害保証を含むいかなる保証も、明示的または黙示的にかかわらず拒否します。
これらのリソースは、TI 製品を使用する設計の経験を積んだ開発者への提供を意図したものです。(1) お客様のアプリケーションに適したTI 製品の選定、(2) お客様のアプリケーションの設計、検証、試験、(3) お客様のアプリケーションに該当する各種規格や、その他のあらゆる安全性、セキュリティ、規制、または他の要件への確実な適合に関する責任を、お客様のみが単独で負うものとします。
上記の各種リソースは、予告なく変更される可能性があります。これらのリソースは、リソースで説明されている TI 製品を使用するアプリケーションの開発の目的でのみ、TI はその使用をお客様に許諾します。これらのリソースに関して、他の目的で複製することや掲載することは禁止されています。TI や第三者の知的財産権のライセンスが付与されている訳ではありません。お客様は、これらのリソースを自身で使用した結果発生するあらゆる申し立て、損害、費用、損失、責任について、TI およびその代理人を完全に補償するものとし、TIは一切の責任を拒否します。
TI の製品は、TI の販売条件、または ti.com やかかる TI 製品の関連資料などのいずれかを通じて提供する適用可能な条項の下で提供されています。TI がこれらのリソースを提供することは、適用される TI の保証または他の保証の放棄の拡大や変更を意味するものではありません。
お客様がいかなる追加条項または代替条項を提案した場合でも、TI はそれらに異議を唱え、拒否します。IMPORTANT NOTICE
郵送先住所：Texas Instruments, Post Office Box 655303, Dallas, Texas 75265
Copyright © 2023, Texas Instruments Incorporated