PLLのC/Nと超低雑音LDO LT3045

低エラー・レート広帯域SDR入門

PLLのC/N性能と電源ノイズの関係

PLL（Phase-Locked Loop）のVCO（Voltage Controlled Oscillator）設計において，電源のノイズ特性は非常に重要です． とくにリファレンス用PLLを設計する際，VCOの電源品質がそのままキャリア・ツー・ノイズ比（C/N）へ影響を与えるためです．

C/NはPLLの性能指標として代表的であり，これを改善するためには低ノイズ電源を用いる必要があります． ここで注目されるのが，超低ノイズLDO（Low Drop-Out Regulator）の活用です． アナログ・デバイセズ社が提供しているLDO，たとえばLT3045などは，評価ボードにも標準的に使用されており，使用が推奨されています．

超低ノイズLDOの特性

LT3045のようなLDOは，1/fノイズおよび熱雑音において非常に優れた特性をもっています． ノイズ・スペクトル密度で見ると，$2\ \mathrm{nV}/\sqrt{\mathrm{Hz}}$という極めて低い値を示しており，OPアンプ用途として見ても高性能です．

加えて，PSRR（Power Supply Rejection Ratio）も非常に高く，電源由来のリプル成分が出力に与える影響を効果的に遮断します． 一般的なLDOであるAZ1117は，100kHzにおいて約70dBのPSRRを示していますが，LT3045はこれを大きく上回る性能を広帯域にわたって維持します．

実装上の工夫と注意点

VCOの電源だけでなく，すべての電源を超低ノイズLDOで構成することで，システム全体のノイズ低減につながります． アナログ・デバイセズ社の評価ボードでも，VCOだけならずほかの供給ラインにも同一のLDOが使われています．

一般的なLDOと比較した実測データでは，電源ノイズに起因するスプリアスがサイドに現れ，約11kHzあたりにディジタル系由来のノイズが確認されました． 一方で，LT3045による電源ではこれらのノイズは確認されません．

技術選定時のポイント

1. PLLのC/Nを改善するには電源ノイズの抑制が必要
2. VCOやリファレンス部だけでなく，すべての電源ラインに対して低ノイズLDOを適用するべき
3. AZ1117など汎用LDOではPSRR性能が限定的であり，特に高周波帯域では劣化が顕著
4. LT3045のようなLDOは広帯域で高いPSRRを示し，1/fノイズも抑制できる
5. 実装時にはLDOの近傍に十分なデカップリングを行い，リプル抑制を最適化する

このような設計配慮により，PLL回路におけるC/Nやスプリアス性能を大幅に向上させることができます． 広帯域SDRやミリ波通信など，高精度を求められる無線機器設計において，電源ノイズの管理は極めて重要です．

〈著：ZEPマガジン〉

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著者紹介

• 1990年　無線通信機器メーカで設計開発．その後，計測器メーカでRF測定機器，半導体試験装置の設計開発
• 2017年　フリーランスエンジニアとして独立，無線通信機器やSDR機器の受託開発
• 2019年　株式会社ラジアンとして法人化，現在に至る

著書

1. ソフトウェア制御フェーズドアレイ・ミリ波モジュール“mmCon3”誕生［Vol.1　分散型マルチビーム無線機のハードウェア］，ZEPエンジニアリング．
2. ソフトウェア制御フェーズドアレイ・ミリ波モジュール“mmCon3”誕生［Vol.2　1エレメント1モジュール独立分散型の理由］，ZEPエンジニアリング．
3. ソフトウェア制御フェーズドアレイ・ミリ波モジュール“mmCon3”誕生［Vol.3　ソフトウェアによるマルチビーム制御の実験］，ZEPエンジニアリング．
4. ソフトウェア制御フェーズドアレイ・ミリ波モジュール“mmCon3”誕生［Vol.4　非接触共振カプラによるアレイ・チャネル拡張］，ZEPエンジニアリング．
5. ［Webinar/KIT/data］Arm M4/M7/DSP×500MHz！STM32H7ハイスペック計測通信Module開発，ZEPエンジニアリング．
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参考文献

1. ［VOD］MATLAB/Simulink×FPGAで作るUSBスペクトラム・アナライザ，ZEPエンジニアリング．
2. ［VOD/KIT］3GHzネットアナ付き！RF回路シミュレーション＆設計・測定入門，ZEPエンジニアリング．
3. ［VOD/KIT］3GHzネットアナ付き！初めてのIoT向け基板アンテナ設計，ZEPエンジニアリング．
4. ［VOD/KIT］初めてのソフトウェア無線＆信号処理プログラミング 基礎編/応用編，ZEPエンジニアリング．
5. ［VOD］Pythonで学ぶ マクスウェル方程式 【電場編】＋【磁場編】，ZEPエンジニアリング．