基準電流源・基準電圧源

(1)

11

計測制御工学第

5

回講義

基準電流源・基準電圧源

小林春夫

群馬大学大学院理工学府電子情報部門

[email protected]

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https://kobaweb.ei.st.gunma-u.ac.jp/lecture/lecture.html 2021

年

5

月

17

日

(

月

)

(2)

アナログ集積回路での「基準信号」の重要性

群馬大学大学院理工学府電子情報部門小林春夫

[email protected]

2019年 9月11日(水) 東京 9月13日(金) 京都

不易流行

(3)

2/47

発表内容

●

起：基準信号の重要性の気付き

●

承：研究事例

- 基準電圧・電流源研究 - 時間デジタイザ回路研究

●

転：不易流行

●

結：まとめ

(4)

3/47

発表内容

●

起：基準信号の重要性の気付き

● 承：研究事例

- 基準電圧・電流源研究 - 時間デジタイザ回路研究

● 転：不易流行

● 結：まとめ

(5)

4/47

ＤＡ変換器とは

Digital-to-Analog Converter (DAC) :

● デジタル信号をアナログ信号に変換する回路

● 単位基準電圧（または電流、電荷）の

入力デジタル値（整数値

)

倍を出力する回路

回路センスを感じる

(6)

5/47

パイプライン

ADC

の構成と動作

Vin=35.7

D1=3

Vout=30.0

Vin-Vout = 5.7 Vin,2=57

D2=5

Dout=3×10+5=35 ＡＤＣ1

入力Vin 出力D1 30.0≦ Vin ＜40.0 3

入力Vin,2 出力D2 50.0≦ Vin,2 ＜60.0 5 ＡＤＣ２

出力

アナログ入力

(7)

6/47

パイプライン

ADC

の内部の

ADC/DAC

Vin=35.7

D1=3

Vout=30.0

Vin-Vout = 5.7 Vin,2=57.0

D2=5

アナログ入力

精度不要精度必要

なぜ？

(8)

7/47

内部

ADC1

で精度不要

Vin=35.7

D1=4

Vout=40.0

Vin-Vout = - 4.3 Vin,2= - 43.0

D2= - 5

Dout=4×10 – 5 = 35 ＡＤＣ1

入力Vin 出力D1 30.0≦ Vin ＜40.0 3

入力Vin,2 出力D2

-40.0≦ Vin,2 ＜-50.0 -5 ＡＤＣ２

出力

アナログ入力

不正解

!

正解

!

ADC2

の入力レンジ冗長性で対応可能

(9)

8/47

内部

DAC1

で精度必要

Vin=35.7

D1=3

Vout=30.8

Vin-Vout = 4.9 Vin,2=49

D2=4

Dout=3×10 + 4 = 34 ＡＤＣ1

入力Vin 出力D1 30.0≦ Vin ＜40.0 3

入力Vin,2 出力D2 40.0≦ Vin,2 ＜50.0 4 ＡＤＣ２

出力

アナログ入力

誤差

!

不正解

(10)

9/47

ADC

の線形性を考える

「

ADC

全体の線形性の基準は内部

DAC

の線形性である」

（東京都市大名誉教授堀田正生先生）

遷移点アナログ値を

内部

DAC

で

生成

(11)

10/47

アナログフィルタ特性調整は基準周波数が必要

バンドパスフィルタ中心周波数の調整

基準周波数（時間）が必要アナログフィルタ回路の

キーコンポーネント：

アナログ積分回路

時定数の調整必要

(12)

11/47

発表内容

●

起：基準信号の重要性の気付き

●

承：研究事例

- 基準電圧・電流源研究 - 時間デジタイザ回路研究

●

転：不易流行

●

結：まとめ

(13)

12/47

基準電圧源はシステムの北極星

システムの基準電圧源は、システム

精度

の基準となるもの。

システム内に複数の基準は設けない。

一つの基準にたいして、システム内の全てのアナログ部精度がトレースする様に設計。

北極星

基準電圧源は、システム精度における北極星

ADC1 ADCn

DAC1 DACn

システム

基準電圧源

参考群馬大学中谷隆之先生資料

(14)

13/47

ＩＣ設計での温度特性の重要性

自動販売機メーカーの技術者

「広い範囲の温度で電子回路の特性保証する必要あり。

学会論文・発表で少しでも温度特性に言及していると少しは信用する気になる。」

沖縄の炎天下北海道の氷点下

● 「温度特性を調べてなければ信用できない」と指摘される

● 信頼性：ＩＣはジャンクション温度

10

℃上昇で寿命半分

● 車載用ＩＣでも温度特性は重要

(15)

14/47

MOS

温度特性

温度が高くなる

MOS

は寝起きが悪くなる

若者の生活習慣

!?

夜：なかなか寝ない（なかなかオフしない）

朝：なかなか起きない（なかなかオンしない）

(16)

15/47

温度不感基準電圧源

Insensitive to temperature

[1] L. Sha, A. Kuwana, H. Kobayashi, “ Reference Voltage Generation Circuit Insensitive to Temperature”, Taiwan and Japan Conference on Circuits and Systems (TJCAS), Nikko, Japan (Aug. 2019)

2019

年６月の

VLSI Circuit Symp

で特殊デバイス使用をした発表有

標準

CMOS

で正と負の温度特性を実現できることを発見

(17)

16/47

温度不感基準電流源の基本アイデア

(18)

17/47

JEDAT

社の

AnaCell

を用いた設計

●

JEDAT/

群馬大共著論文

2019

年

6

月

Design Automation Conference

で発表

● 安定性解析、スタートアップ回路も日光での国際会議で共同発表

(19)

18/47

電源電圧不感改良永田電流源

オリジナル永田電流源

改良

永田電流源

1960

年代

日立製作所永田穣氏

（パイポーラ

Tr)

ピーキング電流源

(20)

19/47

改良永田電流源試作・測定

● 電源電圧不感

● 温度変動に弱い

(21)

20/47

温度にも不感さらなる改良永田電流源

[2] T. Hosono, N. Kushita, Y. Shibasaki, T. Ida, M. Hirano, N. Tsukiji, A. Kuwana, H. Kobayashi, Y. Moroshima, H. Harakawa, T. Oikawa

"Improved Nagata Current Mirror Insensitive to Temperature as well as Supply Voltage“, Taiwan and Japan Conference on Circuits and Systems (TJCAS), Nikko, Japan (Aug. 2019)

深みのある回路技術へ

(22)

21/47

発表内容

● 起：基準信号の重要性の気付き

●

承：研究事例

- 基準電圧・電流源研究 - 時間デジタイザ回路研究

往古来今、之を宙と謂い時間四方上下、之を宇と謂う。空間

淮南子

(23)

22/47

時間デジタイザ回路

Time-to-Digital Converter

（

TDC

）

in1

in2 n Dout

Convert

in1 in2

ΔT Dout

0101110...

（

n bit Digital Code

）

2

つのディジタル信号間の時間差

ΔT

をディジタル値に変換

出力のディジタル値より

ΔT

を測定可能

(24)

23/47

フラッシュ型時間デジタイザの構成と動作

t t

D Q

t t t

D Q D Q D Q

START

STOP

a b c d

ΔT START

STOP D¹ D² D³ D⁴

時間分解能：

t

_Encoder

_Dout

+Dt₁ ₊Dt₂ ₊Dt₃ ₊Dt₄ ₊Dt₅

STOP START

a b c d

t D¹= 1

D²= 1 D³= 0 D⁴= 0 t

t t

ΔT

_{の大きさに比例した}

デジタル値

Dout

を出力時間分解能

t

●

ΔT

高エネルギー加速器研究機構素粒子原子核研究所

新井康夫氏による発明

(25)

24/47

遅延素子τの製造ばらつき

「絶対（平均値）ばらつき」

入力レンジに影響

調整には外部から基準時間信号が必要

「相対ばらつき」

非線形性

周りの遅延素子の遅延値と同じかを見る

「自分の周り」が基準

外部から基準時間信号不要

•

今回は「相対ばらつき」に着目

論より証拠

(26)

25/47

通常測定モード

t₁ t₂

D Q

t₃ t₄

D Q D Q D Q D Q D Q

MU START X

STOP Test mode

“0” or “1” ^{D Q}

エンコーダ

t_N-1 t_N

時間差信号を入力

デジタル出力値を得る

25

(27)

26/47

自己校正機能時間デジタイザ

Test mode

“0” or “1”

t₁ t₂

D Q

t₃ t₄

D Q D Q D Q D Q D Q

MU START X

STOP

D Q

エンコーダ

t_N-1 t_N

N

個

ヒストグラムエンジン

(28)

27/47

ヒストグラム法による測定

S¹

S²

N1

N²

Area ratio

# of dots ratio N¹ N²

S¹ S²

Random dots (Monte Carlo Method)

(29)

28/47

モンテカルロ法

=

サイコロ遊び

「神はサイコロ遊びなどされない」

Albert Einstein

量子力学を批判

「アインシュタインよ、神が何をなさるかなど注文をつけるべきではない」

Niels Henrik David Bohr

量子力学の育ての親

我々は神ではないので

サイコロ遊び（モンテカルロ法）を使用

(30)

29/47

遅延ばらつきなし（理想状態）のヒストグラム

# of “1” output

Code

22 20 18 16 22 20 18 16 20 18 16 0 500 1000 1500 2000 2500

テストモード

3000

２つの入力

START, STOP

が全く相関のないクロックの場合

時間デジタイザで、

十分時間をかけて出力データをたくさんとると全出力デジタルコードのヒストグラムは等しくなる

● モンテカルロ法の一種

● 時間信号なので容易に実現可能

電圧信号では実現大変

(31)

30/47

ヒストグラム法による遅延ばらつきの測定・補正

ヒストグラム

時間デジタイザ出力コード

t2

D t

t3

D

t4

D

t5

D

t1

t D t Dt₂ t Dt₃ t Dt₄

遅延配列とばらつき

D Q D Q D Q

時間デジタイザ回路の非線形を測定値に基づきデジタル演算で補正

ヒストグラム値と遅延値は比例

(32)

31/47

自己校正前後の時間デジタイザ入出力特性

0 5 10 15 20 25

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000

出力デジタル値

入力信号時間差(ns)

PSoCTDC

出力特性

校正前ＴＤＣ

出力校正後ＴＤＣ

アナログ

FPGA

での試作・測定

個別遅延素子用可変容量配列

(33)

32/47

発表内容

● 起：基準信号の重要性の気付き

● 承：研究事例

- 基準電圧・電流源研究 - 時間デジタイザ回路研究

●

転：不易流行

● 結：まとめ

(34)

33/47

変わる、変わらなければならない

● 生き残る者。

強い者ではない、賢い者でもない。

変化できる者だけが生き残る。

（チャールズ・ダービン進化論）

日本で首相の国会演説でも引用

● 万物は流転する。

（ギリシャ哲学者ヘラクレイトス）

(35)

34/47

日本の古典にも

● 祇園精舎の鐘の音、諸行無常の響きあり。

（平家物語）

●

ゆく河の流れは絶えずして、

しかももとの水にあらず。

淀みに浮かぶうたかたは、

かつ消えかつ結びて、

久しくとどまりたるためしなし。

（鴨長明方丈記）

(36)

35/47

が、何かが足りない

応用科学学会講演会での

北森俊行先生（東大名誉教授）のご指摘

● 時を経ても、条件が変わっても

「変わらないもの」を見つけると本質が分かる。

● 「常に変わっている」ということが

本質であることもあるかもしれないが。。。

北森先生

(37)

36/47

変わらないもの

● 航海：北極星

● 数学：写像での不動点

● 物理学：不変量を見つけるとわかる。

エネルギー保存則、質量保存則

● 計測標準：ジョセフソン電圧標準、セシウム周波数標準

● アナログ集積回路内：基準電圧源、基準電流源

（チップ間、電源電圧変動、温度変動に依存せず一定）

基準電流源を次々にコピー

f(x⁰)=x⁰

^不動点

x⁰

(38)

37/47

不易流行

(

松尾芭蕉）

● 不易：変わらないもの、変えてはいけないもの

● 流行：時代に応じて変わらなければならないもの

● 「不易を知らざれば基立ちがたく、

流行を知らざれば風新たならず」

芭蕉と曾良奥の細道

(39)

38/47

芭蕉都市伝説

● 芭蕉は幕府隠密だった

!?

-

徳川家（日光）礼賛の傾向

-

三重県伊賀市出身

-

奥の細道は各藩の様子を探るため？

旅費は幕府から？

● 日光での回路とシステム分野の初の国際会議

Taiwan and Japan Conference

on Circuits and Systems 2019

年

8

月栃木県日光市にて開催

群馬大学がホスト役

https://kobaweb.ei.st.gunma-u.ac.jp/tjcas2019/

(40)

39/47

究極の不易「物理量」

ＳＩ単位系

(International System of Units)

メートル

m,

キログラム

kg,

秒

s,

アンペア

A,

ケルビン

K,

モル

mol,

カンデラ

cd

対応する物理量

長さ、質量、時間、電流、熱力学温度、物質量、光度

定義（

2018

年に変更決議、

2019

年

5

月から実施）

セシウム

133

原子振動数

Δν_Cs 9192631770 Hz

真空における光速度

c 299792458 m/s

プランク定数

h 6.62607015

×

10⁻³⁴ J s

電気素量

e 1.602176634

×

10⁻¹⁹ C

ボルツマン定数

k 1.380649

×

10⁻²³ J/K

アボガドロ定数

N_A 6.02214076

×

10²³ mol⁻¹

周波数

540

×

10¹² Hz

単色光の発光効率

K_cd 683 lm/W

メートル原器は

1960

年に廃止

キログラム原器は

2019

年に廃止

(41)

40/47

工学センスの重要性

小惑星探査機「はやぶさ」１６桁指輪の制作工房

3

桁

砲丸の工場１０桁

陸上競技場のトラック

5

桁タイヤメーカー企業秘密

モノづくりにおいて精度が重要

（桜井進氏）

円周率の工学設計での使用桁数

π = 3.14159 26535 89793 23846 26433 83279 50288 …

逆に言えば、現状そのアプリケーションではそれ以上の精度不要

(42)

41/47

発表内容

● 起：基準信号の重要性の気付き

● 承：研究事例

- 基準電圧・電流源研究 - 時間デジタイザ回路研究

● 転：不易流行

●

結：まとめ

(43)

42/47

ものづくりと基準

● 「ものづくり」は「ばらつき」との戦い

「基準」がしっかりしていると「ばらつき」を抑制できる

● アナログ

/

ミクストシグナル回路での

（自動）調整技術、（自己）校正技術

「基準」を明確にする

(44)

43/47

まとめ

● アナログ集積回路設計で基準信号に目を向けるアナログ集積回路設計への視野が広がる

● 温度不感の基準電圧源・電流源の研究紹介

まだまだ純粋アナログ回路研究開発の余地あり

● 時間デジタイザ回路の線形性化の研究紹介

Regression to origin:

新しい時代のテクノロジ

, EDA,

アプリケーション下でのアナログ回路研究

古人の跡を求めず、古人の求めたるところを求めよ

（松尾芭蕉）

(45)

Simple Reference Current Source

Insensitive to Power Supply Voltage Variation -Improved Minoru Nagata Current Source -

Mayu Hirano,

Nobukazu Tukiji, Haruo Kobayashi Gunma University, JAPAN

S05-6 Analog Circuits Ⅰ 15：00‐15：15 PM

Oct.26, 2016

ICSICT2016

Oct. 25-28 2016

(46)

Research Objective 2/38

2020/5/5

Objective

• Development of

simple reference current source

insensitive to power supply voltage variation

Our Approach

• Peaking current source invented by

Dr. Minoru Nagata (Japanese) in 1966.

• Using multiple current peaks and their sum.

(47)

Outline 3/38

Research Background

Nagata Current Mirror Circuit Improved circuit (Zach’s Circuit)

Proposed MOS Reference Current Source

Circuit Configuration and Operation SPICE Simulated Characteristics

Component Variation Effects

2020/5/5

Conclusion

Proposed Bipolar Reference Current Source Temperature Effect

(48)

Outline 4/38

Research Background

Proposed Bipolar Reference Current Source Conclusion

Temperature Effect

(49)

Research Background 5/38

2020/5/5

Most analog ICs require

Reference current / voltage source

Bandgap reference circuit

✓ Complicated

✓ Large chip area.

Stable against PVT variation

☹

Nagata current mirror

✓ Simple

✓ Only effective for voltage variation P: Process

V: Supply voltage T: Temperature

(50)

Outline 6/38

Research Background

Temperature Effect

(51)

Original Nagata Current Mirror 7/38

𝑉_𝐷𝐷 𝑅

MOS Nagata Current Mirror Circuit

𝐼_𝐼𝑁 𝐼_𝑂𝑈𝑇

, 𝑉_𝐷𝐷

Peaking current characteristics

Peak

At peak vicinity

Small output current change against input current change

Simple Widely used. Ex: in DC-DC converter ICs

(52)

Circuit Configuration and Operation(1) 8/38

2020/5/5

MOS Nagata Current Mirror

𝐼_𝐼𝑁: 𝑠𝑚𝑎𝑙𝑙

𝑅𝐼_𝐼𝑁: 𝑠𝑚𝑎𝑙𝑙 𝐼_𝐼𝑁 = 𝐼_𝑂𝑈𝑇

Current Mirror

(53)

Circuit Configuration and Operation(2) 9/38

2020/5/5

V^GS2⁺ _-

M1 M2

𝐼_𝐼𝑁: 𝑙𝑎𝑟𝑔𝑒 𝑅𝐼_𝐼𝑁: 𝑙𝑎𝑟𝑔𝑒

𝑉_𝐺𝑆2 𝑏𝑒𝑐𝑜𝑚𝑒𝑠 𝑠𝑚𝑎𝑙𝑙𝑒𝑟

(54)

10/38

I^IN-I^OUT Characteristics

2020/5/5

𝐼_{𝐼𝑁 𝑚𝑎𝑥}

𝐼_{𝑂𝑈𝑇 𝑚𝑎𝑥} narrow

✓ Peak vicinity is narrow Improved point

Wider

𝐼_{𝐼𝑁 𝑚𝑎𝑥} = 1

4𝑅²𝐾₁ 1 + 𝜆𝑉_𝐷𝑆1

𝐼_{𝑂𝑈𝑇 𝑚𝑎𝑥} = 𝑊 𝐿Τ ₂

4 𝑊 𝐿Τ ₁ ∙ 1 4𝑅²𝐾₁

1 + 𝜆𝑉_𝐷𝑆2 (1 + 𝜆𝑉_𝐷𝑆1)

・・・

1

・・・

2

𝐾₁ = 1

2𝜇𝐶_𝑜𝑥 𝑊 𝐿 1

𝜆:

(55)

11/38

Outline

Research Background

2020/5/5

Temperature Effect

(56)

12/38

Previous Improved Circuit

Parallel Resistors

Large chip area

Problem

Zachary Zehner Nosker Obtained Ph.D.

from Gunma Univ.

Kobayashi Lab.

Inventor

Zach’s circuit

(57)

13/38

Outline

Research Background

2020/5/5

Temperature Effect

(58)

14/38

2020/5/5

Simple design

(59)

15/38

2020/5/5

Multiples of Nagata current mirrors with different peaks and their sum.

(60)

16/38

MOS Reference Current Source Details

2020/5/5

Current source V^DD, Resistor

(61)

17/38

Cascode

Cascode Configuration

2020/5/5

output current change

Output voltage V^OUT

Total output current I^OUT_Total Change!

Change!

Keep Away

Cascode

(62)

18/38

MOS Reference Current Source Operation

2020/5/5

total current

𝑉_𝐷𝐷 𝐼_𝑂𝑈𝑇

Almost constant

wide

Simple

Reference Current Source

(63)

19/38

Advantage of Proposed Circuit

𝐼_𝑂𝑈𝑇

𝐼_{𝑂𝑈𝑇 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙}

𝐼_{𝑂𝑈𝑇 2}

𝐼_{𝑂𝑈𝑇 3} 𝐼_{𝑂𝑈𝑇 4}

Proposed Original

Narrow

𝐼_𝑂𝑈𝑇

𝐼_{𝑂𝑈𝑇 5}

Wide!!

𝑉_𝐷𝐷 𝑉_𝐷𝐷

(64)

20/38

Analysis of Proposed Circuit

2020/5/5

𝐼_{𝐼𝑁 𝑚𝑎𝑥} = 1

4𝑅_𝑛−1² 𝐾₁ 1 + 𝜆𝑉_𝐷𝑆1 𝐼_{𝑂𝑈𝑇 𝑚𝑎𝑥} = 𝐾_𝑛

4𝐾₁ ∙ 1

4𝑅_𝑛−1² 𝐾₁

1 + 𝜆𝑉_𝐷𝑆𝑛 (1 + 𝜆𝑉_𝐷𝑆1)

= 𝑊 𝐿Τ _𝑛

4 𝑊 𝐿Τ ₁ ∙ 1 + 𝜆𝑉_𝐷𝑆𝑛 𝐼_{𝐼𝑁 𝑚𝑎𝑥}

(I^OUT)^max

Change resistor values and MOSFET sizes

Adjusted

(I^IN)^max

・・・

3

・・・

4

(65)

21/38

Outline

Research Background

2020/5/5

Temperature Effect

(66)

22/38

SPICE Simulation Circuit

2020/5/5

LTspice

TSMC 0.18um MOS model

(67)

23/38

SPICE Simulated Characteristics

2020/5/5

𝐼_{𝑂𝑈𝑇_𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙} ~ 4.56𝜇𝐴

Constant over wide range of power supply (𝑉_𝐷𝐷)

(68)

24/38

Outline

Research Background

Temperature Effect

(69)

25/38

Influence of Resistor Variation

2020/5/5

𝟏𝟐. 𝟏𝒌 𝟓𝟓𝟎𝒌

𝟔. 𝟔𝒌 𝟗. 𝟗𝒌

𝟐𝟒. 𝟐𝒌

All resistance values : uniformly shifted by ±10%

450k

5.4k 8.1k 9.9k 19.8k

(70)

26/38

𝐼_{𝑂𝑈𝑇_𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙}

= 4.56 𝜇𝐴

𝐼_𝑂𝑈𝑇

Simulation Result

2020/5/5

𝑉_𝐷𝐷

= 4.10 𝜇𝐴

Resistance value Variation

+10％

No variation -10％

= 5.14 𝜇𝐴

Resistance value Variation [％] +10 -10 Total output current

change rate [％] 2.4 1.6

(71)

27/38

MOS Fast and Slow Models

2020/5/5

MOS model Threshold 𝑉

Typical 0.369

Fast 0.332

Slow 0.406

Change threshold voltage by ±10%

(72)

28/38

Simulation Results with Fast & Slow Models

2020/5/5

= 4.56 𝜇𝐴

𝐼_𝑂𝑈𝑇

Typical Fast

𝑉_𝐷𝐷

= 4.72 𝜇𝐴

Slow

= 4.41 𝜇𝐴

MOS model Fast Slow

Total output current

change rate [％] 4.4 2.5

(73)

29/38

Outline

Research Background

2020/5/5

Temperature Effect

(74)

30/38

Proposed Bipolar Reference Current Source

2020/5/5

(75)

31/38

Simulation Result

2020/5/5

Constant over wide range of power supply (𝑉_𝐷𝐷)

(76)

32/38

Outline

Research Background

Temperature Effect

(77)

33/38

Temperature Effect (1)

2020/5/5

𝑉_𝐷𝐷

30℃ 50℃ 100℃

0℃

Proposed MOS circuit

Proposed reference current source dose not consider temperature variation effect

1

℃

UP about 0.023𝜇𝐴 UP

(78)

34/38

Temperature Effect

Proposed Bipolar transistor circuit

Proposed reference current source dose not consider temperature variation effect

1

℃

UP about 0.015𝜇𝐴 UP

(79)

35/38

Outline

Research Background

2020/5/5

Temperature Effect

(80)

1/36

Excellent

Excellent Excellent

Good

Good Good

Fair

Not good

(81)

2/36

(82)

3/36

(83)

Kobayashi Lab.

Gunma University

Silicon Verification of

Improved Nagata Current Mirrors

ASO Inc.

Gunma University

S24-4 Analog Circuits I (Room J) 11:00 – 11:15 Nov. 2, 2018

M. Hirano, N. Kushita, Y. Moroshima, H. Harakawa, T. Oikawa, N. Tsukiji, T. Ida,

〇

Yukiko Shibasaki, H. Kobayashi

(84)

Outline 2/35

• Research Background

• Nagata current mirror circuit

• Improved circuit

• Design guideline

• Design & implementation

• Measurement

• Evaluation

• Conclusion

(85)

Outline 3/35

• Measurement

• Evaluation

• Conclusion

(86)

Research Background 4/35

Most analog ICs require

Reference current / voltage source

Stable against PVT variation

Nagata current mirror

✔

Simple

✔

Constant current for voltage variations

✔

Widely used in analog ICs

P

：

Process

V

：

Supply voltage T

：

Temperature

(87)

Outline 5/35

• Measurement

• Evaluation

• Conclusion

(88)

Original Nagata Current Mirror 6/35

Peaking current characteristics

𝐼_𝐼𝑁𝜆 = 1

4𝑅²𝐾₁ 1 + 𝜆𝑉_𝐷𝑆1 𝐼_{𝑂𝑈𝑇𝜆} = 𝑊 𝐿Τ ₂

4 𝑊 𝐿Τ ₁ ∙ 𝐼_𝐼𝑁 1 + 𝜆𝑉_𝐷𝑆2

・

(89)

Reserch Objective 7/35

Improved point

Improvement

𝑉_𝐷𝐷 𝐼_𝑂𝑈𝑇

Peaking current

characteristics Peaking current characteristics of improved circuit

Peak vicinity is narrow Wider

(90)

Outline 8/35

• Measurement

• Evaluation

• Conclusion

(91)

Overview of Improved Circuit 9/35

Improved circuit Peaking current characteristics of improved circuit

✔

Simple design

✔

Using multiple current mirror circuit

✔

Different current peaks

𝐼_{𝑜𝑢𝑡_𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙}

(92)

10/35

Theoretical Formula

I_IN5λ I_OUT5λ

I_IN4λ I_IN3λ I_IN2λ I_OUT4λ

I_OUT3λ

I_OUT2λ

Condition for saturation region expression

R′_n−1 < V_TH I_IN

V_OUT > V_DD − R I_IN − V_TH

I_INnλ = 1

4R^′_n−1² K₁(1 + λV_DS1)

I_OUTnλ = W LΤ _n

W LΤ ₁ I_INnλ(1 + λV_DSn)

Current equation of improved circuit

(𝑛 = 2,3,4,5 R′_n−1 = R₁+ R₂+ ⋯ + R_n−1)

𝐼_{𝑜𝑢𝑡_𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙}

(93)

11/35

Outline

• Measurement

• Evaluation

• Conclusion

(94)

12/35

Analysis of Peak Characteristics

Attention peak characteristics

𝑥: 𝑦 = 1: 3

• 𝑥 = 0~𝐼_{𝐼𝑁_𝑃𝐸𝐴𝐾}

= 1

4𝑅²𝐾₁

• 𝑦 = 𝐼_{𝐼𝑁_𝑃𝐸𝐴𝐾}~𝐼′_𝐼𝑁

= ^𝐼_𝐼𝑁^′ ^{− 𝑥}

= 1

𝑅²𝐾₁ − 1 4𝑅²𝐾₁

= 3𝑥 Collinear

approximation

Establish design guideline using this ratio

(95)

13/35

Overview of Design Guideline

Current ^decrease

^＝

^increase

✔

Determine 𝐼_𝑂𝑈𝑇 = 𝐴

✔

Determine 𝐼_𝐼𝑁 of each peak

✔

Derive 𝑅, 𝑅Using the ratio (_𝐼𝑁, L , W from theoretical formula𝑥 ∶ 𝑦 = 1 ∶ 3) Design process

4 peaks

(96)

14/35

Outline

• Measurement

• Evaluation

• Conclusion

(97)

15/35

Parameters by Theoretical Equation

𝑊₁[𝜇𝑚] 1.5 𝑊₂[𝜇𝑚] 0.42 𝑊₃[𝜇𝑚] 1.7 𝑊₄[𝜇𝑚] 6.8 𝑊₅[𝜇𝑚] 27.1 𝑊₆[𝜇𝑚] 27.1

𝑅₁[𝑘Ω] 3.3 𝑅₂[𝑘Ω] 3.3 𝑅₃[𝑘Ω] 6.5 𝑅₄[𝑘Ω] 13.2 𝑅_𝐼𝑁[𝑘Ω] 400

𝐿 = 0.35[𝜇𝑚] in all cases

SPICE simulation result

Parameters

Error by linear approximation and MOS model Fine adjustment

(98)

16/35

𝐿 = 0.35[𝜇𝑚] in all cases

Adjusted parameters

Adjusted Parameters

𝑊₁[𝜇𝑚] 1.5 𝑊₂[𝜇𝑚] 0.42 𝑊₃[𝜇𝑚] 1.7 𝑊₄[𝜇𝑚] 6.8 𝑊₅[𝜇𝑚] 25.5 𝑊₆[𝜇𝑚] 25.5

𝑅₁[𝑘Ω] 3.2 𝑅₂[𝑘Ω] 3.2 𝑅₃[𝑘Ω] 6.4 𝑅₄[𝑘Ω] 22.4 𝑅_𝐼𝑁[𝑘Ω] 400

𝐼_𝑂𝑈𝑇[𝜇𝐴]

𝑉_𝐷𝐷[𝑉]

𝐹𝑜𝑢𝑟𝑡ℎ 𝑇ℎ𝑖𝑟𝑑

𝑆𝑒𝑐𝑜𝑛𝑑 𝐹𝑖𝑟𝑠𝑡 𝐼_𝑂𝑈𝑇_𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

SPICE simulation result

Wider

(99)

17/35

Fabricated Chip

Circuit Type T1 T2 T3 T4 T5

# of peaks 4 4 4 3 4

𝑊 𝐿Τ 𝑊 𝐿Τ _𝑇1 1.5 × 𝑊 𝐿Τ _𝑇1 2 × 𝑊 𝐿Τ _𝑇1 𝑊 𝐿Τ _𝑇4 𝑊 𝐿Τ _𝑇5 R 𝑅′_{𝑛−1𝑇1} 𝑅′_{𝑛−1𝑇1} 𝑅′_{𝑛−1𝑇1} 𝑅′_{𝑛−1𝑇4} 𝑅′_{𝑛−1𝑇5}

Fabricated circuit parameters

✔

5 chips (#1,…,#5)

✔

4 sets (A,…,D) per one chip

✔

5 circuit (T1,…,T5) per one side

20 samples per circuit type

4 ( A,…,D ) x 5(#1,…,#5) Fabricated chip

TSMC 0.35𝜇𝑚 CMOS

(100)

18/35

Circuit Diagram of T1/T2/T3

4 current peaks

(101)

19/35

Circuit Diagram of T4 & T5

T4 T5

3 current peaks 5 current peaks

(102)

20/35

Outline

• Measurement

• Evaluation

• Conclusion

(103)

21/35

Measurement Method

✔

Output voltage V_OUT = 1V, 2V, 3V

✔

Input voltage V_IN = 0 ~ 5.0 V

Measured the total output current I_OUT

𝑉_𝐼𝑁 𝐼_𝐼𝑁 𝑉_𝑂𝑈𝑇 𝐼_𝑂𝑈𝑇

Measurement environment Photo of prototype chip

(104)

22/35

I_OUT Measurement Results (#1) ^VOUT = 3V

T1

T2

T3

T4

𝐼[𝜇𝐴]𝑜𝑢𝑡 T5

10 8 6 4 2 0 0

10 8 6 4 2 0 12

10 8 6 4 2 0 12 14

1816 1412 108 64 20 -2

𝐼𝑜𝑢𝑡[𝜇𝐴]𝐼𝑜𝑢𝑡[𝜇𝐴] 𝐼𝑜𝑢𝑡[𝜇𝐴]𝐼𝑜𝑢𝑡[𝜇𝐴]

1 2 3 4 5

0 1 2 3 4 5

𝑉_𝑑𝑑[𝑉]

T5

基準電流源・基準電圧源

計測制御工学 第

回講義

基準電流源・基準電圧源

小林春夫

群馬大学大学院理工学府 電子情報部門

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年

月

日

月

アナログ集積回路での「基準信号」の重要性

群馬大学大学院 理工学府 電子情報部門 小林春夫

2019年 9月11日(水) 東京 9月13日(金) 京都

不易流行

発表内容

起： 基準信号の重要性の気付き

承： 研究事例

- 基準電圧・電流源研究 - 時間デジタイザ回路研究

転： 不易流行

結： まとめ

発表内容

起： 基準信号の重要性の気付き

● 承： 研究事例

- 基準電圧・電流源研究 - 時間デジタイザ回路研究

● 転： 不易流行

● 結： まとめ

ＤＡ変換器とは

● デジタル信号をアナログ信号に変換する回路

● 単位基準電圧（または電流、電荷）の

入力デジタル値（整数値

倍を出力する回路

回路センスを感じる

パイプライン

の構成と動作

アナログ入力

パイプライン

の内部の

アナログ入力

精度不要 精度必要

なぜ？

内部

で精度不要

アナログ入力

不正解

正解

の入力レンジ冗長性で対応可能

内部

で精度必要

アナログ入力

誤差

不正解

不正解

の線形性を考える

「

全体の線形性の基準は内部

の線形性である」

（東京都市大名誉教授 堀田正生先生）

遷移点 アナログ値を

内部

で

生成

アナログフィルタ特性調整は基準周波数が必要

バンドパスフィルタ中心周波数の調整

基準周波数（時間）が必要 アナログフィルタ回路の

キーコンポーネント：

アナログ積分回路

時定数の調整必要

発表内容

起： 基準信号の重要性の気付き

承： 研究事例

- 基準電圧・電流源研究 - 時間デジタイザ回路研究

転： 不易流行

結： まとめ

基準電圧源はシステムの北極星

システムの基準電圧源は、システム

の基準となるもの。

システム内に複数の基準は設けない。

計測制御工学第

群馬大学大学院理工学府電子情報部門

群馬大学大学院理工学府電子情報部門小林春夫

起：基準信号の重要性の気付き

承：研究事例

転：不易流行

結：まとめ

起：基準信号の重要性の気付き

● 承：研究事例

● 転：不易流行

● 結：まとめ

精度不要精度必要

（東京都市大名誉教授堀田正生先生）

遷移点アナログ値を

基準周波数（時間）が必要アナログフィルタ回路の

起：基準信号の重要性の気付き

承：研究事例

転：不易流行

結：まとめ

北極星

学会論文・発表で少しでも温度特性に言及していると少しは信用する気になる。」

沖縄の炎天下北海道の氷点下

● 信頼性：ＩＣはジャンクション温度

夜：なかなか寝ない（なかなかオフしない）

朝：なかなか起きない（なかなかオンしない）

温度不感基準電圧源

で正と負の温度特性を実現できることを発見

温度不感基準電流源の基本アイデア

電源電圧不感改良永田電流源

オリジナル永田電流源

日立製作所永田穣氏

改良永田電流源試作・測定

温度にも不感さらなる改良永田電流源

● 起：基準信号の重要性の気付き

承：研究事例

往古来今、之を宙と謂い時間四方上下、之を宇と謂う。空間

フラッシュ型時間デジタイザの構成と動作

_Encoder

_{の大きさに比例した}

を出力時間分解能