🔇 ノイズ設計とPSRR（電源変動耐性）
🔇 Noise Design and PSRR (Power Supply Rejection Ratio)
📘 概要｜Overview
アナログ回路は、微小な信号を扱うためノイズや電源変動の影響を強く受けます。
本節では、回路・レイアウトの両視点からノイズ対策を整理し、PSRR（Power Supply Rejection Ratio）という代表的な設計指標を中心に解説します。
Analog circuits are highly sensitive to noise and power supply variations due to their small signal levels.
This section organizes countermeasures from both circuit and layout perspectives, focusing on the key metric PSRR (Power Supply Rejection Ratio).
🧭 ノイズの種類と発生源｜Noise Types and Sources
| 🎧 ノイズ種別｜Noise Type | 📘 特徴｜Characteristics | ⚙️ 主な発生源｜Main Source |
|---|---|---|
| 熱雑音（熱ノイズ） Thermal Noise |
白色ノイズ、温度比例 White noise, proportional to temperature |
抵抗、MOSチャネル Resistors, MOS channels |
| 1/fノイズ（フリッカ） Flicker Noise |
低周波数で増加 Increases at low frequencies |
MOSトランジスタ（特にPMOS） MOSFETs, especially PMOS |
| 電源ノイズ Supply Noise |
リップルやスパイク Ripple and spikes |
電源配線、レギュレータ Power rails, regulators |
| クロストーク Crosstalk |
隣接配線の干渉 Inductive or capacitive coupling |
長い並走配線、クロック系 Parallel wires, clock signals |
| サブストレートノイズ Substrate Noise |
基板経由の干渉伝播 Coupling through substrate |
デジタル→アナログ領域 Digital to analog domains |
🧪 PSRR（Power Supply Rejection Ratio）
| 🧩 内容｜Item | 📘 説明｜Description |
|---|---|
| 定義｜Definition | 電源変動が出力にどれだけ影響するかを表す（dB単位） Indicates how much supply variation affects the output |
| 理想｜Ideal Behavior | PSRRが高いほど電源ノイズに強い Higher PSRR means better noise immunity |
| 項目｜Components | PSRR+（正電源側）／PSRR−（負電源・GND側） Evaluate both VDD and GND paths |
| 計算式｜Formula | PSRR = 20 × log10(ΔVDD / ΔVOUT) |
⚙️ 対策例（回路側）｜Circuit-Level Countermeasures
- カスコード構成：出力インピーダンスを上げ、電源変動をブロック
Use cascode stages to raise output impedance and suppress supply influence - 負帰還回路：出力安定化とノイズ除去
Negative feedback stabilizes output and suppresses noise - 差動構成：共通モードノイズの除去効果
Differential circuits cancel common-mode noise
🧱 対策例（レイアウト側）｜Layout-Level Countermeasures
| 🧩 対策｜Technique | 📘 内容｜Description |
|---|---|
| アナログ・デジタル電源分離 Separate Power Rails |
別バス・LDO介在・専用レギュレータなど Separate buses, LDO insertion, dedicated regulators |
| ガードリングとウェル隔離 Guard Ring & Well Isolation |
寄生経路・ノイズ注入の遮断 Block parasitic paths and noise injection |
| サブストレートコンタクト密度 Substrate Contact Density |
GNDの等電位化・振動除去 Equalize substrate potential and prevent disturbance |
🧰 SPICEシミュレーション指標｜SPICE Simulation Metrics
- AC解析（.AC）：PSRRの周波数特性評価
Frequency-domain PSRR analysis - 過渡解析（.TRAN）：電源リップル応答の確認
Transient response to supply ripple - ノイズ解析（.NOISE）：熱雑音・1/fノイズのスペクトル観察
Spectral analysis of thermal and flicker noise
🎯 教材的意義｜Educational Significance
- 「ノイズに弱い＝設計ミス」とならないよう、物理構造と伝播経路の理解が重要
Designing for noise immunity requires structural awareness, not just fixing flaws - 混載環境でのノイズ管理はデジタル設計者にも必須の知識
Noise management is essential knowledge for digital engineers in mixed-signal SoC - PSRRを“環境耐性”として捉え、定量評価できる習慣を持つ
Treat PSRR as an environmental robustness metric and evaluate it quantitatively
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▶️ mixed_signal_interface.md：ADC/DACなどのデジアナ境界設計へ
Mixed-signal interface design (ADC/DAC)
📘 応用編 第5章：アナログ／ミックスドシグナル｜Analog / Mixed-Signal Design
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