ディジタル変復調への応用

(a) 搬送波10kHz

(b) 搬送波15kHz 図5-8 実験用OOK波

40

図5-9 混合OOK波入力時の出力

図5-10 動的チューニングによる出力

41

図5-8は各搬送波の成分を 10kHz, 15kHzとした OOK波(電圧振幅 100mV)で あり、これらの混合波を中心(スイッチング)周波数 10kHz に設定した Passive

4-path BPFに入力した場合の出力を図5-9に示す。実験結果から、10kHzの成分の

み分離できていることが確認できる。また、シミュレーションと同様に高Qに起因 して波形が扇形になる様子も確認できる。

図5-10は混合波(電圧振幅20mV)の入力に対し、スイッチング周波数を40ms毎

に10kHzと15kHzで動的に切り替えた場合の出力結果である。設定したスイッチ

ング周波数時にその成分を取得できていることが確認できる。このことから、N-path BPFがリアルタイムで中心周波数をチューニング可能であることが実験から

も確認できた。動的チューニングを行うための多相クロックの切り替えは CMOS スイッチ「TC74HC4053」により行った。

42

第６章 結言

N-path構成による狭帯域フィルタの理論をSIMetrix/SIMPLISを用いたシミュレー

ションにより検証を行った。まず、N-path 構成によるフィルタの特徴である、①使用 面積の大きいインダクタを用いずに高い Q 値のフィルタ特性を実現する、②中心周波 数をスイッチング周波数でチューニング可能で、素子のばらつきの影響を受けにくいと いう特徴を実証した。さらに、回路構成のアクティブ化による利得の設定が可能であり、

従来型の多重帰還型・フリーゲ型のBPFと比較して、中心周波数のチューニングが容 易であることを示した。また、先行研究事例の少なかった過渡解析を用いることで、出 力される近似波形の様子を確認し、ディジタル変復調への応用やリアルタイムでのチュ ーニングが可能であることも実証した。加えて、上記のN-pathフィルタの特徴・応用 を、個別素子を用いた実験により確認した。

一方で、シングルエンド構成では、低周波数帯域にローパス特性が残り、スイッチン グ周波数帯域以降にもサンプリングによりコピーされたバンドパス特性が生じること から、用途に応じて適宜プレフィルタを用いる必要がある。しかし、実際の無線通信に おいては倍数の周波数での選択性が問われることは少ないので、アナログ部分の処理に 用いる分には十分に有効であると考えられる。低周波数帯域のローパス特性・偶数倍の 周波数帯でのバンドパス特性は、回路構成の差動化により解消されるが、Q値が犠牲に なり、素子数も増加するため、回路全体の設計条件を含めて検討する必要がある。また、

今回の実験はCMOS スイッチのスイッチングの動作周波数を考慮したもの(kHz帯)で あり、無線通信分野での実用に向けて、高周波帯域での検証を行う必要がある。

N-pathフィルタは理論上パス数N, 時定数RSCを上げれば性能が向上するが、パス

数の増加は回路規模の拡大、高周波でのクロックのオーバーラップ対策、時定数の増加 は消費電力の増大といった課題がある。また、Q値があまりに高くなると本研究で提案 したOOKへの適用に関しての条件が厳しくなる可能性もある。

今後は、実際のセルラ応用を目的とし、gm-Cフィルタ等を用いた、より高周波動作 が可能な狭帯域フィルタ構成の考察、高周波動作に適したCMOSスイッチを用いた実 験を行う予定である。また、本研究ではQ値の高さに着目したが、可変抵抗などによる Q値の調整なども考慮に入れることで、より有用性の高いフィルタ回路を実現できると 考えられる。N-path ノッチフィルタについても、各種パラメータの変化、回路構成の 差動化、過渡応答についても検証を行いたいと考えている。また、セルラ応用等で実際 に使用されているBPF回路の代用に向け、回路構成の全体設計、SAWフィルタとの比 較、具体的な損失の検証にも取り組んでいきたい。

43

参考文献

[1] L.E. Franks and I.W. Sandberg,“An alternative approach to the realization of network transfer functions: The N-path filters,” Bell Sys. Tech. J., Vol.39, pp.1321-1350, 1960.

[2] A. Ghaffari, E.A.M. Klumperink, M.C.M. Soer and B. Nauta,“Tunable high-Q N-Path band-pass filters: Modeling and Verification,”IEEE Journal of Solid State Circuits, Vol.46, pp.998-1010, 2011.

[3] L.C. Fortgens,“Approximation of an ideal bandpass filter using an N-path filter with overlapping clocks and harmonic rejection,”University of Twente Master Thesis, 2012.

[4] 亀井成保, “N-path構成を用いた狭帯域フィルタ回路”,

平成25年度 群馬大学工学部電気電子工学科 卒業論文

[5] 江村稔, 高橋晴雄：“パルス工学”, コロナ社（1983）

[6] A. Ghaffari, E.A.M. Klumperink and B. Nauta,“Tunable N-Path Notch Filters for Blocker Suppression: Modeling and Verification,”IEEE Journal of Solid State Circuits, Vol.48, pp.1370-1382, 2013.

[7] SIMetrix/SIMPLISユーザーズマニュアル 株式会社インターソフト

[8] 遠坂俊昭：”電子回路シミュレータSIMetrix/SIMPLISによる高性能電源回路の設

計”, CQ出版株式会社 (2013)

[9] M. Darvishi, R. Zee and B. Nauta,“Design of active N-Path filters,”IEEE Journal of Solid State Circuits, Vol.48, pp. 2962-2976, 2013.

[10] 亀井 成保, 弓仲 康史 : “N-path構成を用いた狭帯域フィルタ回路に関する基礎

的考察,'' 電気学会第４回栃木支所・群馬支所合同研究発表会（優秀発表賞受賞）, ETG-14-51, 桐生 (2014-3).

44

[11] 保谷和男, 山越芳樹, 弓仲康史, 遠坂俊昭, “OPアンプと基本回路と応用回路”,

群馬大学アナログナレッジ養成拠点電子回路基礎ナレッジ養成コース A11 電子 回路実習講座Ⅰ講義資料 (2013)

[12] Joung Won Park and Behzad Razavi, “Channel Selection at RF Using Miller Bandpass Filters,” Journal of Solid State Circuits, Vol.49, No.12, pp.3063-3078, 2014.

[13] Analog Discovery™ Technical Reference Manual DIGILENT社

https://reference.digilentinc.com/_media/analog_discovery:analog_discovery_r m.pdf

[14] トランジスタ技術 2015年4月号, CQ出版株式会社

[15] 亀井 成保, 弓仲 康史 : “N-path構成を用いた狭帯域バンドパスフィルタの解析

及び実験的考察,'' 電気学会第６回栃木支所・群馬支所合同研究発表会（優秀発表 賞受賞）, ETG-16-49, 前橋 (2016-3).