低ノイズLDOを使用した定電流源回路

■問題

【 LT3041 】

小川　敦　Atsushi Ogawa

　図1は，低ノイズLDO(Low Drop-Outレギュレータ)^注1の「LT3041」を使用した定電流源回路です．負荷抵抗(R_L=15Ω)に，一定の電流を供給するように動作します．図1の回路定数の場合，OUT端子の電圧は，(a)～(d)のどれでしょうか．

図1　低ノイズLDOを使用した定電流源回路⁽¹⁾
LT3041の内部ブロックは簡略化している．

(a) 1.5V　(b) 2V　(c) 2.5V　(d) 3V

■ヒント

　LT3041は，基準電圧源の代わりに，基準電流源を内蔵した低ノイズなLDOです．図1では定電圧源ではなく，定電流源として使用しています．図1のOPアンプ(OP₁)は，+入力端子と-入力端子の電圧が等しくなるよう，トランジスタ(Q₁)のベース電流をコントロールします．その結果，R₁に流れる電流がいくつになるかを計算すれば，OUT端子の電圧が分かります．

注1：LDOとはLow Drop-Outの略で，入力電圧と出力電圧の差(ドロップアウト電圧)が小さくても動作するレギュレータの略称として使われています．当然ですが，入力電圧が高く，入力電圧と出力電圧の電圧差が大きいときは，ドロップアウト電圧は大きくなります．

■解答

(d) 3V

　図1のR₂には，定電流源(I₁)の電流100μAが流れます．R₂の値は2kΩなので，R₂の両端電圧は200mVになります．
　OPアンプ(OP₁)の，+入力端子と-入力端子の電圧が等しくなるよう，トランジスタ(Q₁)のベース電流がコントロールされるため，R₁の両端電圧はR₂の両端電圧と等しくなります．
　R₁の値は1Ωなので，R₁に流れる電流は200mAとなります．
　R₁に流れる電流とR_Lに流れる電流は，ほぼ等しいため，R_Lに発生する電圧は「200mA*15Ω=3V」となり，OUT端子の電圧は3Vになります．

■解説

●LDOの出力ノイズ
　図2は，一般的なLDOのブロック図です．基準電圧源回路の出力電圧を，直流増幅回路で増幅して必要な電圧を得ています．基準電圧源回路の出力電圧には，回路を構成するトランジスタや抵抗が発生する，微小なノイズが重畳しています．

図2　一般的なLDOの構成
基準電圧源回路の出力電圧を，直流増幅回路で増幅して必要な電圧を得ている．

　また，直流増幅回路の帰還抵抗(R₁，R₂)からも微小ノイズが発生します．通常の用途でこのノイズが問題になることはありませんが，高周波回路や高精度ADコンバータ等に使用する場合に問題となることがあります．LDOの出力インピーダンスは非常に小さいため，出力端のコンデンサ(C₁)では出力ノイズを低減することができません．そのため，特別に低ノイズ化したLDOが開発されています．

●出力ノイズを低減したLDO
　図3は，出力ノイズを低減した，低ノイズLDO(LT3041)の動作原理を示したブロック図です．LT3041は，基準電圧源ではなく，温度依存性のない，高精度な基準電流源(I₁)を使用しています．I₁の大きさは100μA(±0.5%)となっています．この電流と外付け抵抗のR₁で出力電圧を設定します．出力電圧(V_OUT)は式1で表されます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)

　I₁に含まれる電流ノイズによって発生した電圧ノイズは，C₂によるハイカット・フィルタで低減することができます．また，LT3041は出力アンプ(OP₁，Q₁)をゲイン1のバッファ・アンプとすることで，一般的なLDOのような帰還抵抗を使用していません．そのため，帰還抵抗でのノイズの発生もありません．また，出力段にPNPトランジスタ(Q₁)を使用しているため，入力と出力間の電圧降下を小さくすることができます．

図3　低ノイズLDO(LT3041)の動作原理を示したブロック図
基準電流源(I₁)に含まれるノイズは，C₂によるハイカット・フィルタで低減することができる．

●LDOを定電圧源として使用したときの動作を確認する
　図4は，LT3041を定電圧源として使用したときの動作をシミュレーションする回路です．

図4　LT3041 を定電圧源として使用したときの動作をシミュレーションする回路
SET端子の抵抗(R₁)が3.3kΩなので，OUT端子の電圧は3.3Vになる．

　SET端子に接続されている抵抗(R₁)は3.3kΩなので，OUT端子の電圧は式2のように3.3Vになります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)

　LT3041には，過電流保護機能があり，ILIM端子の抵抗値で保護電流値(I_LIMIT)を設定することができます．その値は式3で表され，図4の定数の場合は294mAになります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(3)

　また，LT3041には，出力電圧が判定電圧以上であることを示す，PG(POWER GOOD)ピンがあります．その判定電圧は，PGFB端子に接続したR₂およびR₃で設定します．判定電圧(V_TH)は式4で計算できます．

・・・・・・・・・・・・・・・・(4)

　SET端子には，基準電流源に含まれるノイズを低減するため，比較的大きいコンデンサが接続されます．このコンデンサを100μAの基準電流で充電すると，出力電圧が立ち上がるまでの時間が長くなってしまいます．この問題を対策するため，LT3041には急速充電機能が内蔵されています．出力電圧がV_THを越えるまでの間は，充電電流を10mAに増やし，出力電圧の立ち上がりを高速化しています．ここでは，電源を0Vから5Vに立ち上げたときの，出力電圧の立ち上がり波形をシミュレーションします．
　図5は，図4のシミュレーション結果です．左側の横軸は0～1sで，右側は時間軸を拡大し，0～10msの部分を表示しています．SET端子とOUT端子の電圧は同じように変化し，1.5msで3Vまで立ち上がっています．その後，0.5sで3.3Vになっていることが分かります．

図5　LT3041 を定電圧源として使用したときの出力立ち上がり特性
OUT端子の電圧は1.5msで3Vまで立ち上がっている．

●LDOのノイズ特性を確認する
　図6は，LT3041のノイズ特性をシミュレーションする回路です．SETピンに接続したコンデンサ(C₁)の効果を確認するため，C₁の値を，「.step」コマンドで1pFと4.7μFに切り替え，ノイズ解析を行います．そして，「.meas］コマンドで，積分したノイズの実効値を「TOTAL_NOISE」という変数に代入します．

図6　LT3041のノイズ特性をシミュレーションする回路
「.step」コマンドで，C₁の値を1pFと4.7μFに切り替えてノイズ解析を行う．

　図7は，図6のシミュレーション結果です．C₁の値が1pFのときに比べ，4.7μFのときのノイズ密度は，けた違いに小さくなっていることが分かります．

図7　LT3041のノイズ特性のシミュレーション結果
C₁が4.7μFのときのノイズ密度は，けた違いに小さくなっている．

　図8は，ログ・ファイルに出力された，「.meas］コマンドで計算したノイズの実効値です．

図8　「.meas］コマンドで計算したノイズの実効値
C₁が4.7μFのときのノイズは10.5μVで，C₁が1pFのときのノイズの1/100になっている．

　C₁が1pFのときのノイズが1.04mVなのに対し，C₁が4.7μFのときのノイズは10.5μVと1/100になっていることが分かります．

●LDOを定電流源として使用したときの動作を解析する
　図9は，図1と同じで，LT3041を定電流源として使用したときの動作を解説する回路図です．

図9　LT3041 を定電流源として使用したときの動作を解析する回路図
OPアンプ(OP₁)はA点とB点の電圧が等しくなるよう，Q₁のベース電流を制御する．

　R₂には基準電流(I₁)が流れます．そのため．R₂の両端電圧(V_R2)は式5で表されます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(5)

　OPアンプ(OP₁)は，+入力端子の電圧と，-入力端子の電圧が等しくなるよう，Q₁のベース電流を制御します．その結果，A点とB点の電圧が等しくなります．A点とB点の電圧が等しく，R₁，R₂ともにOUT端子に接続されているため，R₁の電圧降下(V_R1)はV_R2と等しくなります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(6)

　式5，式6からI_OUTを求めると，式7になります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(7)

　この回路は出力電流200mAの定電流源として動作することが分かります．厳密には，I_OUTの値は，式7の結果にI₁が加算されますが，100μAと非常に小さいため，無視できます．
　図9の回路ではR_Lが15Ωのため，OUT端子の電圧(V_OUT)は式8のように3Vになります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(8)

●LDOを定電流源として使用したときの動作を確認する
　図10は，図1や図9のように，LT3041を定電流源として使用したときの動作をシミュレーションする回路です．負荷抵抗(R_L)を「.step」コマンドで10Ω，15Ω，20Ωに変えたときの出力電流とOUT端子の電圧をシミュレーションで確認します．

図10　LT3041を定電流源として使用したときの動作をシミュレーションする回路
負荷抵抗(R_L)を「.step」コマンドで10Ω，15Ω，20Ωに変えてシミュレーションする．

　図11は，図10のシミュレーション結果です．図11の上段がR_Lに流れる電流です．R_Lの値を変えても，200mAで一定になっていることが分かります．図11の下段がOUT端子の電圧です．R_Lに流れる電流が一定なため，R_Lの値によってOUT端子の電圧は変化し，R_L=15 Ωのときは3Vになっていることが分かります．

図11　LT3041 を定電流源として使用したときの動作のシミュレーション結果
R_Lに流れる電流はR_Lの値を変えても200mAで一定．

　以上，低ノイズLDO(LT3041)について解説しました． LT3041の詳しい使い方に関してはデータシートを参照してください．

◆参考・引用*文献
(1)LT3041データシート，Figure 88. Ultra-Low Noise-Current Source for RF Biasing Applications：アナログデバイセズ

■データ・ファイル

解説に使用しました，LTspiceの回路をダウンロードできます．
LTspice11_017.zip

●データ・ファイル内容
LT3041_VS.asc：図4の回路
LT3041_NOISE.asc：図6の回路
LT3041_NOISE.plt：図7のグラフを描画するためのPlot settinngsファイル
LT3041_CCasc：図10の回路
LT3041_CC.plt：図11のグラフを描画するためのPlot settinngsファイル