PSRRを調べてみる! 2020.7.27

ネットをみていたら、こんな素子に目がとまりました。旭化成のAK1110という電圧レギュレータです。

これに目がとまりました。

特徴としては出力が5Vに固定されています。おそらく旭化成のDACのアナログ部分の電圧が5Vなので、それを目的にしてリリースされているのではと思います。
アプリケーションにも高精度DAC、RF,PLLとあるので間違いないところでしょう。

でも、その性能がすばらしいです。
まず、低ノイズで2つある5V出力のうち、LDO2は1uVrmsです。これは、いままでつかった超低ノイズといわれるものよりも半分以下です。
また、目を引いたのがPSRR(電源電圧のリップル除去率)です。1MHzの領域で70dBとあります。

ラズパイのIOボードをつくるときに、レギュレータに7805を使いましたがDCDCコンバータからの高周波数ノイズが素通しなので困りましたが、
これをつかえばもっとノイズが落とせた気がします。

AK1110は5Vの出力が2つあります。どちらも低ノイズです。とくにLDO2は1uVrmsと超低ノイズ!



さらにPSRRも優れた値です。1MHzで70dBもあります。


他のレギュレータのPSRRを調べてみよう!

1)7805
 まいどおなじみの7805です。7805ではSVRという書き方になっています。値は68dBとそこそこなのですが、周波数は120Hzの値です。
残念ながら高周波数でのPSRR値はカタログではわかりません。


7805のカタログスペックです。

2)TPS7A47
TPS7A47は超低ノイズLDOの1つですが、1kHzで78dBです。AK1110に比べると5dBほど低い(悪い)値ですが、これについては流す電流も全然違うのと
5dB程度の差なので、ほとんど同じと思ってもいいかもしれません。


TPS7A47のカタログスペックです。

3)LT3042

LT3042も超低ノイズLDOの1つです。1MHzでみると79dBとあります。AK1110に比べると9dBほど良い値ですね。


LT3042のカタログスペックです。

LT3042のスペックをみて120Hzだと117dBと驚異的な値です。7805が68dBなのに対して50dBほど高いです(1/300以下)。

レギュレータというものは周波数が高くなるほとPSRRの値が悪くなります。LT3042の場合だと120Hzで117dBが1MHzだと79dBと40dB悪化します。
この関係に類似性があるとすれば、7805での1MHzでのPSRRは約28dBになってしまいます。下手をすると素通しかもしれません。

なんといっても!
AK1110のいいところは性能の良さにもありますが、なんといっても値段に魅力があります。DIGIKEYで1個160円ほどです。
このくらいなら、手ごろにつかえそうです。ちょっとパッケージが小さいですが・・・・、まあそれはなんとでもなります。
5V専用なので7805の置き換えにしかできないかもしれませんが、いいかもしれません。
旭化成DACのアナログ段の電源にしてもいいかもです。

ちょっと、買ってみましょう!


部品到着! 2020.7.30

さて、部品が到着しました。早速使ってみましょう。
サイズはLT3042と同じなので小さいです。0.5mmピッチの3mm角のICです。
できたら、メーカさんには老眼バージョンもつくってほしいものです。
DIPとはいいませんから、せめて1.27mmピッチでお願いします(笑。

部品が到着しました。あいかわらず小さい部品です。


裏面で気づいたのは、どうやら端子は金メッキのようです。
さらに中央にすこし穴があいていて、銀色のものが見えます。おそらシリコンウエハーでしょう。
ということはICのダイが見えているということかな?

裏面の様子は他のICと異なっていました。

どの基板に実装してやろうか?

LT304Xと同じパッケージなので、TYPE-OあるいはTYPE-N基板が良さそうなのです。
とくにこれらの基板は、色々な機能が試せるようにLT304Xのすべての足から配線できるようになっています。
ただ、これらの基板をつかうには1つ難点があって、ICのPIn1,2のパターンを分離するのがとても大変そうです。
ということで、残念ながらこの基板をつかうのはパスです。


TYPE-N基板を流用使用と思いましたが、Pin1,2の分離がむずかしそうなので諦めました。

V-regSをつかいましょう!

ICから直接のジャンパー線が発生してしまいますが、ここはV-RegS基板をつかうことにしました。
これだと、Pin1,2の分離ができます。それに、小さく仕上がるので7805の代替としても使えるでしょう。

実装の方法についてすこし備忘録代わりに詳しくのせておきます。

1)パターンの切断
下記の青○の中の赤線が切断箇所です。計6箇所あります。70umの銅箔ですが細いところはあまり力必要ないので、
そろりときります。さもないと、となりの線まで切ってしまいそうになります。

切断箇所です。


パターンを6箇所切断しました。ちゃんと切れているかはテスターで確認です。


2)ICの実装とチップコンデンサの実装
 IC1(AK1110)とC1、C2,C3(いづれも10uF)を実装します。このとき、ICのPin2,3,4はすべて共通接続なので半田を盛っておきます。


3)ジャンパー
ジャンパー箇所はトータルで5箇所です。チップコンデンサを搭載してからの方がやりやすいでしょう。
なお、ICのランドから直接配線するところもありますが、端ピンなので難しくありません。これが中ピンだった難易度が急にあがります。

ジャンパー箇所です。パターン上にジャンパーをつける場合は勿論レジストを剥がします。

3)追加部品の実装
LDO1.2の電圧出力のデカップリングコンデンサ(10uF)を実装しjます。チップコンデンサはいずれも2012サイズのものがいいでしょう。
なお、基板の出力(OUT)はAK1110のLDO2出力になっています。LDO1の出力をつかうときは、R2の端子がLDO2出力になっています。


最後に追加のチップコンデンサを取り付けます。

仕上がりました
 一部順番を間違えたところがありますが、こんな感じで出来上がりです。

出来上がりです(倒立状態)


出来上がりです(こちらが正立です)

評価してみましょう!
さて、さっそく手持ちのDCDCコンバータをつかって、その出力を観察してみましょう。比較したのは汎用の78N05です。
DCDCコンバータはLM2596を用いた降圧タイプのものです。入力電圧15V、出力電圧8.5Vに設定です。
なお、負荷抵抗は100Ωにしました。5V出力のときは負荷電流50mAになります。


テストの様子です。

実際測定してみて、かなりノイズの測定はむずかしいです。オシロプローブのGND線と先端を負荷抵抗の同じ位置に接続しても、ノイズが観察されてしまいます。
電磁誘導をうけるのでしょうね。ということで、オシロプローブの先端の接続を変更して、わずかな差ですが観察です。

 結果としては、DCDCの生出力は150mV程度の盛大なリップルが生じます(周波数は60kHz程度)。
それをレギュレータを通すと78N05も、AK1110も大幅に減少します。予想以上に78N05でも落ちるものです。
ただ、気のせいかもしれませんが、78N05では高周波数のパルス状のノイズが残っているようにも見えます。
やっぱりAK1110の方が優秀かな?でも、この結果だけでは、なんとも明言しにくいなあ〜。
もうちょっと、実験方法を検討したほうが良さそうです。

オシロプローブ先端を負荷抵抗のGND側に接続した場合。 オシロプローブ先端を負荷抵抗の+側に接続した場合。
DCDCコンバータの生出力

(出力電圧8.5V、負荷抵抗100Ω)

DCDCの生出力は約60kHz間隔で150mV程度のリップがあります。
78N05の場合


負荷抵抗:100Ω
78N05の入出力には0.1uFのパスコンあり。


すこし高周波パルスが残っているようです。気のせい?
AK1110の場合

負荷抵抗:100Ω

78N05で残っていた高周波波パルスは消えています。


あ、評価失敗!

考えれば、とてつもなく78N05に不利な実験でした。78N05にも発振止めに0.1uFのコンデンサをとりつけていますが、
AK1110基板には、入出力に10uFのコンデンサをとりつけています。こりゃ、コンデンサの容量を考えても、平等な比較にならないですね。
でも、どうやって比較したらいいだろう?

失敗その2)
 ファンクションジェネレータがあるので、1MHz:0.5V振幅に5Vのオフセットを乗せた信号を作成し、それをオペアンプで2倍に増幅して
ちょうど10V電源に1Vの1MHzの高周波ノイズがのっているような電源を模擬させました。それで78N05とAK1110を評価したところ、
78N05では各レギュレータ基板に乗せたコンデンサのおかげで、発振するやら、AK1110では10uFのコンデンサをドライブしきれずに
振幅が落ちてしまうなど、こちらもうまくいきませんでした。

評価そのものも難しいです。まだまだ修行が必要です。

ひょっとしてパスコンをすべて取っ払って評価したらいいかも・・・また、明日チャレンジしてみましょう。

(つづく?)