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スが帯域制限されない限りは非線形ブロックを複数通過しても 3 次高調波はキャンセルさ れ続ける。しかし、それらの非線形ブロックにより fs/2 近傍のスプリアスが低減されてし まった場合に関しては低減効果が減少してしまうことを述べた。更に、この fs/2 近傍のス プリアスの低減は時間波形に対応させると、位相差切り替え信号の位相差が小さくなるこ とを述べた。低減量が増える毎に両者の位相差は小さくなる。極論すれば、位相差切り替 え信号の fs/2 近傍のスプリアスを完全に除去すれば、従来信号になり、これは時間波形で 言うとπ/3 あった位相差がゼロになったことになる。そのため、低減効果を大きく得たい 場合はこの fs/2 近傍のスプリアスが内部で低減されないような位置に発生させることが重 要になる。このfs/2近傍のスプリアスはAWGのサンプリング周波数fsにより決まる。
第 3 章で実機により位相差切り替え信号の歪み低減効果を従来信号と比較し行ったが、
ここでは同時にAWGのサンプリング周波数を等価的に減少させる手法について述べた。信 号生成時のサンプル点のホールド効果を利用した。このことによりAWG内部で最大限に低 減効果が得られるように努力した。通常のAWGのサンプリング周波数50MHzで位相差を 切り替えた場合、DACのsin(x)/xロールオフ特性に加え、内部のアンチエイリアスフィル
タが12.5MHzのカットオフ周波数特性を持つためfs/2近傍のスプリアスが内部で大幅に低
減されてしまい、3次高調波の低減効果が得られない。そのため、fsの速度を等価的に落と して、fs/2近傍のスプリアスをAWG内部の帯域制限をするブロックの影響を受けないとこ ろまで下げた。そのことにより、数値シミュレーションに対して実測で比較的等しい現象(低 減効果)が得られ、位相差切り替え信号が実機で生成可能であることを示した。また、完全 に3次高調波がキャンセルされないのは第2章で議論したようにAWG内部でのfs/2近傍 スプリアスの減衰によるものと考えられる。ただし、本測定では6dB程度の3次高調波の 低減効果が得られた。
第4章では第2, 3章で紹介した位相差切り替え信号による低歪み信号が実際にADCの精 度向上につながるかの検証を行った。また、位相差切り替えのfs/2-finのスプリアスをADC の3次高調波検出にあたり、どの程度ADC前段で落とさなければならないのかの検討を行 った。この低減には第3章で実装したfs/2-finのスプリアス低減用のフィルタを用いた。こ のフィルタは4種類あり、fs/2-finのスプリアスの低減量を 8dB、17dB、30dB、54dBと 変更することができる。測定の結果、これらの低減量に依存することなくほぼ一定の 3 次 高調波の値を得ることができた。しかし、全く低減しない場合では正しい測定結果を得る ことができなかったため、位相差切り替え信号を用いたADCの3次高調波測定に関しては
fs/2-finのスプリアス8dB以上低減することで従来信号に対して検出誤差を改善することが
できる。本測定では従来手法で 6%~11%あった検出誤差について位相差切り替え手法を用 いることで3%程度に低減した。
第4章の測定結果から位相差切り替え手法を用いることでAWGのハードウェアを変更せ ずに(コストをかけずに)、ADC テスト精度を向上させた。このテスト精度向上により、出 荷テスト時の歩留りが向上し、テストコスト削減が期待できる。
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謝辞
本研究の研究機会を与えて頂き、3 年間懇切丁寧に研究ご指導を賜りました群馬大学大学 院理工学研究科小林春夫教授に深く感謝致します。研究を進めるにあたり、常に建設的な アドバイスをして頂き、適切な方向付けをして頂きました。ここに感謝致します。また、
石川技官には測定に必要な部品や回路の購入サポート、更には学会参加時の旅費の申請な どをサポートして頂きました。深く感謝致します。また、高井伸和准教授にはゼミで本研 究に関するアドバイスを頂き、アナログ回路の講義もして頂きました。深く感謝致します。
新津葵一助教授(現名古屋大学大学院講師)には研究内容に関する助言から、学会発表時の 発表資料の作成方法など、研究者・技術者として基礎となる技術を丁寧にご指導頂きまし た。ここに感謝致します。また、アナログ信号処理用回路の設計・実装・評価にあたりま しては群馬大学客員教授の遠坂俊昭先生に丁寧にご指導して頂きました。更に、ベクトル シグナルアナライザや周波数分析器などの測定器をお借りして実装回路の評価をさせて頂 きました。深く感謝申し上げます。また、群馬大学大学院の弓仲研究室所有のスペクトト ラムアナライザをお借りして信号の評価をさせて頂きました。弓仲准教授のご厚意に深く 感謝申し上げます。また、本研究の修士公聴会にて、主査をして頂きました安達定雄教授 に感謝致します。
更 に 、 本 研 究 は 半 導 体 理 工 学 研 究 セ ン タ ー (STARC：Semiconductor Technology Academic Research Center) にサポートして頂きました。特に、小林修氏、松浦達治氏、
辻将信氏、梅田定美氏、土橋則亮氏、塩田良治氏、渡邉雅史氏、荒川隆彦氏には有意義な 議論、助言をして頂きました。ここに感謝致します。
最後に、小林研究室・高井研究室の興大樹、平林大樹、宮崎雄太、新井直樹、神山透、
堺昴浩、都木新太郎の諸氏とは研究室配属からほぼ一年間、それぞれの研究の傍ら毎週 Behzad Razavi 著 ”アナログ集積回路の設計”を熟読し、内容を議論し合いました。そこ で、議論した内容は本研究を行う上での基礎的な知識となりました。ここに感謝します。
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参考文献
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[12] 川田章弘”OPアンプ成功のかぎ” CQ出版,2009
[13] 大類重範”ディジタル信号処理” 日本理工出版
[14] Anatol I. Zverev “Handbook of Filter Synthesis”
[15] Arthur B. Williams, Fred J.Taylor “ELECTRONIC FILTER DESIGN HANDBOOK”
[16] 本多平八郎 著 ”作りながら学ぶエレクトロニクス測定器/電子機器の設計・製作から調
整/評価に役立つ” トランジスタ増刊号 CQ出版社
[17] 森栄二”LCフィルタの設計＆製造”
[18] Mark Burns and Gordon W. Roberts ”A Introduction to mixed-Signal IC Test and Measurement”
[19] STARC教育推進室 浅田邦博・松澤昭 共著 アナログRF CMOS集積回路設計[応用編]
[20] STARC教育推進室 浅田邦博・松澤昭 共著 アナログRF CMOS集積回路設計[基礎編]
[21] Behzad Razavi 著 黒田忠広監訳 アナログCMOS集積回路の設計 基礎編
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本研究に関する成果
[1] 安部文隆, 澤田健士, 小林春夫, 小林修「任意波形発生器を用いた低歪み信号発生技 術の実用化検討」 電気学会 電子回路研究会 ECT-14-032 金沢（2014年1月24日）
[2] Keisuke Kato, Fumitaka Abe, Kazuyuki Wakabayashi, Chuan Gao, Takafumi Yamada, Haruo Kobayashi, Osamu Kobayashi, Kiichi Niitsu,“Two-Tone Signal Generation for ADC Testing,”IEICE Trans. on Electronics, Special Section on Analog Circuits and Related SoC Integration Technologies,vol.E96-C, no.6, pp.850-858 (June 2013)
[3] P79 Low Distortion Signal Generation for ADC Linearity Testing Fumitaka Abe, Haruo Kobayashi, Osamu Kobayashi Gunma University, Semiconductor Technology Academic Research Center (STARC), Japan 5th International Conference on
Advanced Micro-Device Engineering (AMDE2013)Kiryu, Japan (Dec. 19, 2013)
[4]ETT-12-39, ETG-12-39 安部文隆*，加藤啓介，小林春夫（群馬大学），新津葵一（名古
屋大学），小林 修（STARC） 「任意波形発生器を用いた ADC テスト用低歪み信号発 生技術の実験検証」 第3回電気学会東京支部栃木・群馬支所合同研究発表会 2013年2 月28日（木）, 3月1日（金） 宇都宮大学工学部
[5] 安部文隆, “任意波形発生器を用いたＡＤＣ評価用低歪み・高ＳＮＲ信号発生技術”
STARCシンポジウム、学生ポスターセッション、横浜 (2013年1月31日）
[6] Keisuke Kato, Fumitaka Abe, Kazuyuki Wakabayashi, Takafumi Yamada,Haruo Kobayashi, Osamu Kobayashi, Kiichi Niitsu
"Low-IMD Two-Tone Signal Generation for ADC Testing", IEEE International Mixed-Signals, Sensors, and Systems Test Workshop,Taipei, Taiwan (May 2012).
[7] Keisuke KATO, Fumitaka ABE, Kazuyuki WAKABAYASHI, Chuan GAO, Takafumi YAMADA, Haruo KOBAYASHI, Osamu KOBAYASHI, Kiichi NIITSU”Two-Tone Signal Generation for Communication Application ADC Testing”,The 21st IEEE Asian Test Symposium, Niigata, Japan (Nov. 2012).
[8] 安部 文隆、加藤 啓介、小林 春夫、小林 修、高井 伸和、新津 葵一、「任意波形発生 器を用いた低歪み信号発生技術でのアナログフィルタ要求性能」電気学会 電子回路 研究会, ECT-12-075, 熊本（2012年10月5日)
[9] ETG-11-18 ADC テスト用低歪み信号発生技術 安部文隆、加藤啓介、若林和行、小林春
夫（群馬大学）、小林修(STARC)、新津葵一（群馬大学）
[10] 安部文隆、加藤啓介、若林和行、小林春夫、小林修、新津葵一「任意波形発生器を用
いた低歪み信号発生技術」電子情報通信学会 第28回 シリコンアナログRF研究会 中央大学 (2012年3月16日）
[11] K. Kato, F. Abe, K. Wakabayashi, C. Gao, T. Yamada, H. Kobayashi, O. Kobayashi, K. Niitsu “Two-Tone Signal Generation for Testing of Communication Application
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Devices”, 第25回 回路とシステムワークショップ、淡路島 （2012年7月30日）.
[12] 加藤啓介、安部文隆、若林和行、山田貴文、小林修、小林春夫、新津葵一、「任意波形
発生器を用いたＡＤＣテスト用低歪み信号発生技術」STARCシンポジウム, 学生ポス ター発表 （2012年2月1日）
[13] 安部文隆, 加藤啓介, 若林和行,小林修, 小林春夫 , 新津葵一「インターリーブを用い
た低歪み２トーン信号発生技術」電気学会電子回路研究会, ECT-11-084, 長崎 (２０ １１年１０月２０日)
[14] 安部文隆、「 任意波形発生器を用いた低歪２トーン信号発生技術」第４９回システム
LSI合同ゼミ、中央大学 (２０１１年１０月２２日）
[15] K Kato, M. Murakami, F. Abe, Y. Arai, H. Kobayashi, T. Matsuura,S. Mohyar, K, Ramin, O. Kobayashi, K. Niitsu, N. Takai,“Low-Cost High-Quality Signal Generation for ADC Testing”,IEEE International Test Conference, (Panel 2 Poster), Anaheim, CA (Nov. 2012).
[16] K. Wakabayashi, K. Kato, T. Yamada, O. Kobayashi, H. Kobayashi, F. Abe, K.
Niitsu,"Low-Distortion Sinewave Generation Method Using Arbitrary Waveform Generator",Journal of Electronic Testing : Theory and Applications,Special Issue on Analog, Mixed-Signal, RF, and MEMS Testing, Springer,vol.28,Issue. 5, pp.641-651 (Oct.2012)
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第2部 MOSFET モデリングの研究
第 1 章 序論
1.1 まえがき
近年、半導体プロセスの微細化に伴い、回路の小型化、高速化、低消費電力化が進む一 方、半導体製造時の特性ばらつきや経年劣化による信頼性が問題になっている。特に、RF アナログ回路は様々なアプリケーションで使用されており、中でも発振回路を用いた集積 回路は基幹回路モジュールである。
発振回路の重要な電気的特性の一つに位相雑音がある。しかし、発振回路が多用される 際に耐久性や特性の劣化は最終製品の耐久性、寿命を考慮した製品に重要である。そのた め、設計段階で位相雑音の劣化・ばらつきについてシミュレーションを行うことで最適マ ージン設計が行える。本研究で検討する位相ノイズはMOSFETの1/fノイズに大きく依存 するため、この特性に注目する。特に今回はばらつきの研究を行った。
1.2 MOSFETの1/fノイズ
1/fノイズはトランジスタなど全ての能動素子で発生し、特に低周波数帯で支配的となる。
また、1/fノイズはノイズパワーが周波数に逆比例することからこのように呼ばれ、フリッ カノイズやピンクノイズなどとも呼ばれている。この1/fノイズの発生要因はMcWorther の提唱するエネルギー準位の変動が挙げられる[1]。更に、Hoogeが移動度の変動によるも のと提唱している[2]。下図1にSi, SiO2界面でのエネルギー準位がチャネル中の電子をト ラップする様子を示した。エネルギー準位の変動によりトラップされる電子の数が変化す ることで1/fノイズが発生する要因となる。
図1 エネルギー準位による電子トラップ
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