初めてのBeyond5G開発 VCOには超低雑音LDO

PLLシンセサイザの高C/N化に欠かせない

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汎用レギュレータは雑音が多く使いものにならない

1．VCO電源純度の重要性

ミリ波領域におけるPLL ICのVCO（Voltage-Controlled Oscillator）の性能が，システム全体のC/N（キャリア対ノイズ比）特性を左右します．VCOに供給される電源の純度が，出力信号のスペクトラムに直接的な影響を及ぼすため，極めて重要です．ADF5356（アナログ・デバイセズ）などのPLL ICでは，VCO専用の電源入力端子が設けられており，この入力に高純度の電源を供給することで，C/N特性を大幅に向上させることが可能です．

汎用のLDOレギュレータを使用してPLL ICの出力を測定した場合，ノイズの多いスペクトラムが観測され，C/Nとして評価できない結果になることが多々あります．この問題を解決するために，高純度のディスクリート・トランジスタを用いたリプル・フィルタがしばしば利用されます．この回路は，無線機のVCOにおいて伝統的に使用されており，ノイズを効果的に低減する手法として知られています．電圧安定度の面で課題があるため，より洗練されたICの利用が推奨されます．

2. 超低雑音LDO ADM7150の採用

アナログ・デバイセズの超低雑音LDOレギュレータADM7150は，Beyond 5Gにおける高C/N PLLシンセサイザに理想的な電源ソリューションです．このICは，以下の特徴をもっています．

1. 極めて低いノイズ特性
   10kHzから1MHzの範囲で，ノイズ・スペクトル密度は$1.7 \, \mathrm{nV/\sqrt{Hz}}$と，OPアンプに匹敵する性能を実現
2. 高出力電流
   最大出力電流$800 \, \mathrm{mA}$
3. 優れた電源電圧除去比（PSRR）
   $1 \, \mathrm{kHz}$から$100 \, \mathrm{kHz}$の範囲で$95 \, \mathrm{dB}$を達成。
4. 安定した出力電圧
   $V_{IN}$が$4.5 \, \mathrm{V}$から$16 \, \mathrm{V}$の範囲で，出力電圧の変動が最小限に抑えられます

これにより，リプル・フィルタと同などのノイズ性能をもちながら，電圧安定性が向上し，Beyond 5G向けの高度なアプリケーションに対応可能です．

3. LDOとVCOの相乗効果

ADM7150を用いた場合，ミリ波PLL ICのVCO出力におけるスペクトラムが大幅に改善されることが実証されています．PLLシンセサイザの出力が，カタログスペックに近いC/N特性を実現できることが確認されています．このことは，VCO専用の電源設計が，Beyond 5Gのシステム全体にわたる信号品質向上に寄与することを意味します．

C/N（キャリア対ノイズ比）改善におけるLDOの役割

1．C/Nとは

C/N（キャリア対ノイズ比）は，通信システムにおける信号品質を評価するための重要な指標です．具体的には，信号のキャリア電力とノイズ電力の比をデシベル（dB）で表します．高いC/Nは，高品質な通信が可能であることを意味し，特にBeyond 5Gのような高速通信環境では不可欠な要素になります．

2．LDOによるC/N改善のしくみ

LDO（低ドロップアウトレギュレータ）は，入力電圧を安定した出力電圧に変換するためのICです．特に超低雑音LDOは，以下の要因でC/N改善に貢献します．

1. ノイズ除去
   LDOが出力する電圧には，入力電圧由来のノイズがほとんど含まれないため，VCOへの供給電源がクリーンになります
2. 安定性の向上:LDOのPSRR性能により，外部環境や入力電圧の変動が出力電圧に与える影響を最小化します

3．実際の応用例

ADM7150のような超低雑音LDOを使用することで，PLL ICのVCOが生成する信号のC/Nが劇的に向上します．これは，ノイズが削減された結果，信号のキャリア成分がより鮮明に表れるためです．この効果は，特にミリ波帯の通信において顕著であり，Beyond 5Gや次世代通信システムの設計における必須要素といえるでしょう．〈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．
6. 高感度受信！ソフトウェア無線機の心臓部“Root-Raised Cosine Filter”の設計，ZEPエンジニアリング．
7. 超長距離無線LoRaからローカル5Gまで！GNU Radio×USRPで作るソフトウェア無線機，ZEPエンジニアリング．
8. 自宅で設計・開発！USBミクスト・シグナル・アナライザ Analog Discovery Pro 3000 誕生，ZEPエンジニアリング．
9. 高精度基準搭載＆1GSPS広帯域！
10. プロ用USBマルチ測定器 ADP5250誕生，ZEPエンジニアリング．
11. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.1]，ZEPエンジニアリング．
12. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.2]，ZEPエンジニアリング．
13. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.3]，ZEPエンジニアリング．
14. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.4]，ZEPエンジニアリング．
15. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.5]，ZEPエンジニアリング．
16. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.6]，ZEPエンジニアリング．
17. ，ZEPエンジニアリング．
18. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.8]，ZEPエンジニアリング．
19. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.9]，ZEPエンジニアリング．
20. GNU Radio×USRPで作るソフトウェア無線機，ZEPエンジニアリング．
21. ［KIT］ミリ波5G対応アップ・ダウン・コンバータ MkⅡ【z-mmcon2】（mz-mmcon1後継機），ZEPエンジニアリング．
22. ［KIT］ミリ波5G対応アップ・ダウン・コンバータ【mz-mmcon1】（生産終了，後継機 z-mmcon2），ZEPエンジニアリング．
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25. ［KIT］実験用27.5G-29.5GHzバンド・パス・フィルタ【mz-mmbpf1】，ZEPエンジニアリング．
26. ［VOD/KIT］GPSクロック・ジッタ・クリーナ【z-pptgen-on1】，ZEPエンジニアリング．

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．