電源ノイズ

良い電源ノイズとは何ですか？

拡大してみましょう。2つのケースがあります。私はベンチトップPSUを持っています。スコープをACカップリングに配置し、リップルが20mV前後であることを確認します。これはまともなPSUに適した数ですか？（私はANalog回路をいじっていますので、20mVのノイズは大きな問題です）

2番目のケースは、オンボードレギュレーターです。2V〜5Vのブースターがあります。負荷なしで5Vを見ると、7mVのリップル（鋸）が見えます。これは正常ですか？私はそこにすべてのデカップリングキャップを持っているので、特に適切な負荷がなければ、はるかに少ないと予想しました。

おまけの質問、電源ノイズを測定する最良の方法は何ですか？特にこのような小さな電流では、プローブで触れる以上のことが必要になると思いますか？

もちろん、「まともな」電源ノイズとは何の答えもありません。それは、まともな車が何であるかを尋ねるようなものです。

あなたが言及する値がまともかどうかは、その電源レールがどのように使用されるかに依存します。あなたが本当に求めているように見えるのは、これらの値が妥当であるかどうか、電源装置の観点からだけです。一般的なベンチトップ電源の20mVは私にはかなり妥当に聞こえますし、オンボードのブーストコンバーターの7mVもそうです（実際、それらの多くと比較してかなり良いです）。

しかし、あなたの回路は異なる意見を持っているかもしれません。5V電源が単にデジタル回路に電力を供給している場合は、必要以上にクリーンです。100mVppのリップルでも許容できます。

敏感なアナログ回路に電力を供給している場合、7mVは大きくなる可能性があります。その場合、リップルの周波数成分も重要です。ほとんどのアナログICには、電源除去仕様があります。ICには、電源電圧からある程度独立して動作するアクティブな電子回路があります。ただし、その電子機器は特定の周波数までのノイズにしか反応できません。指定された電源除去比を得るための周波数要件が指定されることはほとんどありません。フェライトビーズまたは小さなチップインダクタを配置し、その後にセラミックキャップを取り付けて、アナログパーツの電源リード線を接地することをお勧めします。これにより、ノイズの高周波数が減衰され、残りの低周波数がデバイスがアクティブに処理および除去できる範囲内にあることが期待されます。

一部のパーツは他のパーツよりもはるかに影響を受けやすくなっています。Freescaleの多軸加速度計を初めて使用したとき、出力に多くのノイズがありました。電源ノイズは実際には出力に増幅されているように見えました。前述のチップインダクタをキャップと直列に電源リード線のグランドに追加すると、出力信号のクリーンアップに大きく役立ちます。

最後の質問に答えるために、電源ノイズを調べる通常の方法は、まさにあなたがしたことです。スコープ入力をAC結合し、ゲインを上げて、結果の混乱のサイズを確認します。

以前に非常に低消費電力のPSUを設計したので、プレゼンテーションのために作成したグラフを共有して、さまざまなPSUのノイズレベルの違いを概説します。グラフは、DCから50 kHzまでの周波数の関数としての対数ノイズレベルを示しています。Y軸のスケールがどのようにオフセットされているか覚えていませんが、説明から大まかな要点を得ることができます。

• 赤い曲線：典型的なデジタル製品の3.3v電源（使用中）を表し、10 mVの範囲のノイズでした。
• 紫色の曲線：典型的なウォールウォートと低ノイズの5.6V LDO
• 青い曲線：上記に加えて別の5Vレギュレータ
• 黒い曲線：ノイズが1〜3 uV程度の私のPSU設計

したがって、行うフィルタリングの量と設計によっては、PSUノイズが4桁異なる場合があります。ベンチトップPSUからの20 mVはかなり良い標準だと思います（オシロスコープのプローブノイズについては、以下の警告を参照してください）。

ちなみに、通常のオシロスコープは、10 mV未満の作業にはほとんど役に立ちません。また、ノイズのフーリエ変換（スペクトルコンテンツ）を調べて、有用な結論を導き出す必要もあります。もちろん、大きな波紋や不安定性のような単純なものを見た場合、これは良い出発点ですが、多くの場合、ノイズはそれほど明白ではありません。

専用のスペクトラムアナライザーが適していますが、通常はRFで使用され、100 kHzから5 GHzの範囲で使用されます。たとえば、アナログオーディオアンプをデバッグする場合は、それほど興味深いものではありません。古いモデルのいくつかは、DCから100 kHzと言われています。

また、（通常の）オシロスコーププローブ以外の方法で測定ポイントを機器に結合する必要があります。プローブからのグラウンドループだけで数十mVのノイズを簡単に追加できます。アース線が組み込まれたプローブを使用できますが、PCBからの専用同軸コネクタとケーブルが最適です。

私が設計に携わってきたほとんどのスイッチング電源は、最大DCリップルとして定格DC出力の1％を指定しています。5Vレールでは50mV、12Vレールでは120mVなど

出力にHFスイッチングリップルコンポーネントがないため、線形電源のノイズがはるかに少なくなる傾向があります。

スイッチング電源レールに複数のLCフィルターステージがあることや、超低リップルが必要な場合はリニアレギュレータステージに給電することは珍しくありません。

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これらは電源ラインの通常のノイズレベルのように見えますが、これはアナログ信号にそれほど多くのノイズがあるという意味ではありません。電源除去比PSRRは、たとえばオペアンプのデータシートで、電源ノイズのどれだけが信号に重畳されるかを説明する要素です。

私が使用する2つのベンチトップPSUのデータシートでは、20 Hz〜20 MHzの範囲で15〜30 mVppの電圧リップルを指定しています。

100 kHz〜1 MHzを超えるものはすべて、デキャップによって遮断されます。

100 kHz未満を遮断するには：
1）リニアオンチップレギュレータ
2）電源と電力コンシューマの間にフェライトチョーク（コンデンサと一緒に接地する）を
使用できます。

このような「大きな」電源変動（約10〜20 mV）があることに初めて気づいたとき、私は怖がっていました。ただし、CADに過渡ノイズを入れた後、100 kHzのノイズはほぼ平坦な線でした（通常、マイクロ秒単位のシミュレーションを行いますが、T = 1/100 kHz = 10 usです）。これは、デジタルおよびアナログ電子デバイスがメガおよびギガHz周波数で動作することが多いためです。

ただし、テスト対象のデバイスのアプリケーションと動作周波数によって異なります。

PS：デバイスに影響があるかどうかを確認するには、VDD過渡ノイズをシミュレーターに入れ、結果に影響があるかどうかを確認します。