Microsoft PowerPoint - 01.pptx

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ディジタル電子回路

電子情報学類

講義案内

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システム全体を考えると全てのシステムは

ミクストシグナル

• ミクストシグナルLSI (

Mixed Signal LSI or Analog Mixed Signal

LSI)＝アナログ情報とディジタル情報の両方を使って処理を行うＬＳＩ

• 無線通信、集積化Sensor（撮像素子など）、Digital audio等で必須

の技術

• ソフトウェア無線(Software defined transceiver)、Bio-sensor、

MEMSセンサ、Vision processorなどに発展中

典型的ミクストシグナルLSI センサネットワークトランシーバ（金沢大） 3次元イメージセンサ（ソニー）地上波ディジタル・レシーバ（シャープ） NVRAM Mask ROM MCU 無線暗号化 SRAM 非接触ICカード Felica（ソニー） RF IF ディジタル信号処理

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GSMチップの例

アンテナ共用器 Low Noise Amp. Power Amp. ミキサーシンセサイザミキサー復調器変調器多重化処理回路音声符号復号器画像符号復号器 (MPEG-4) LCD CMOS イメージャマイクスピーカディジタルデータ ANT

RF

ベースバンド

インタフェース

Analog Digital Infineon, CMOS 130nm

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Matching Network

Rectifier,

Regulator ADC Sensor RC Oscillator Control Logic Backscatter Modulator Temperature Data ADC Control Logic CRC Encoder FM0 Encoder POR

ADC out EOC start Data out enable enable

パッシブ型センサ

RFIDの例

500 s

クロック

温度センサ

S. Nakano et.al., Kanazawa Univ., CMOS 180nm Analog Digital ANT

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DVDチップの例

CPU(MIPS) DSP ROM/GIO Interface PCI/ISA Interface

ATA Interface

UART Timer GPIO I2_C

Interface

Host Interface High Speed Peripheral Peripheral

MPEG2 AV Encoder 10bit ADC Audio Encoder Micro-controller Stream processor Encryption/ Decryption DMA Audio Proc. MPEG2 Decoder BitBlt DAC NTSC/PAL Encoder SDRAM Interface Video Scalar/On-Screen Manager/SPD/Noise Reduction/Deinterlace 1394 Codec Memory Bus CPU Bus

PCI/ISA Bus, Flash Memory HDD DVD Recorder

i-Link 5.1ch Audio, SPDIF DDR SDRAM V A RGB DV Analog

MPU MPU MPU MPU

Digital

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ミクストシグナル回路の

2つの利点

• 実世界とのインタフェースにより新機能を追加できる

– 医療、健康、農業、防災、宇宙などの分野で自然界のア

ナログ情報を直接扱うことができる集積回路が求められ

ている

• アナログ処理、ディジタル処理、ソフトウエア処理の

連携が可能になる

– アナログ処理、ディジタル処理、ソフトウエア処理は等価（

後述）であるため、性能を達成するために必要な方式を

選択できる（柔軟性、処理精度、処理速度、消費電力）

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集積回路工学第1 集積回路工学第2 ディジタル電子回路集積回路設計及び演習ＳｏＣ設計基礎論ミクストシグナルLSI工学組み込みシステム特論

回路設計技術コースの流れ

大学院 3年後期 3年前期 4年前期基礎知識ディジタル回路ミクストシグナル回路ディジタルLSI設計組み込みソフトウエア大規模ディジタルLSI CMOSアナログLSI 2年後期 2年前期電子回路第1及び演習電子回路第2及び演習論理回路回路の基礎回路の基礎シミュレーションディジタルアナログ

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ディジタル電子回路目次（予定）

0 講義案内本科目の内容と位置づけ 1 RF/AMS LSI設計の概要 1.1 アナログ回路の役割と設計フロー 2 アナログ要素回路 2.1 ミクストシグナル回路の階層構造 2.2 要素回路の機能 2.3 OPAとOTAの周波数特性 3 HDLによる回路のモデリング 3.1 Verilog-AMSの概要 3.2 Verilog-Dによる動作モデリング 3.3 Verilog-Aによる動作モデリング 4 伝達関数の回路表現 4.1 伝達関数と周波数特性 4.2 ブロック図による伝達関数の表現 4.3 離散時間回路の伝達関数 4.4 RCアクティブフィルタ 4.5 SCフィルタ 5 オーバサンプリング・コンバータ 5.1 オーバサンプリング 5.2 ノイズシェーピング 5.3 デルタ-シグマADC 5.4 オーバサンプリングDAC 5.5 高次∆-∑ADCとバンドパスデルタ-シグマADC 6 ミクストシグナル・シミュレーション 6.1 AMSシミュレーション実習

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講義で扱う設計階層

段階設計内容の例記述方法の例システムレベル （HW+SWの全体） 演算レベルのアルゴリズム SW/HW分割 組込みソフトウェアフローチャート高級言語アセンブリ言語 システムレベルHDL 数式(Matlabなど) サブシステムレベル動作レベルのアルゴリズム論理レベルのアルゴリズムアナログ回路動作モデルフローチャート、状態遷移図

Register Transfer Level HDL

ブロック図 Analog HDL (Verilog-AMS) 機能ブロックレベル論理機能アナログ機能伝達関数論理回路図、真理値表、状態遷移図 構造記述HDL Analog HDL (Verilog-AMS) アナログ要素ブロックを含む回路図トランジスタレベル基本論理回路アナログ要素回路トランジスタ回路図 SPICEネットリスト レイアウト（物理レベル）レイアウト設計 レイアウト図（GDS-II） （注1）設計自動化技術（CAD技術）は全てのステージに関係している。 本講義

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他科目との関係

CMOSアナログ回路 CMOS高周波回路 CMOSロジック SPICEシミュレーション Verilog HDL/VHDL Verilog-AMS ディジタル信号処理コンピュータ・アーキテクチャ半導体(主にMOSFET) プロセス技術（概要のみ）レイアウト伝達関数設計高抽象度低抽象度（情報システム工学実験第2）

実際にシステム

を設計するには、

全ての知識を結

合させることが

重要

（集積回路工学第1/第2）ここはやや難関（主に大学院で扱う, 入門編は集積回路工学第2）（集積回路工学第1）（集積回路工学第1）（集積回路工学第1）（集積回路設計及び演習）ディジタル電子回路（ディジタルシステム論）（計算機アーキテクチャ）

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「ディジタル電子回路」の目標

1. アナログ要素回路を利用して各種アナログ機能を実現するための考

え方を理解する

– トランジスタレベルの回路は扱わない – 要素機能の組み合わせで設計する

2. 伝達関数から連続時間・離散時間ミクストシグナル回路を設計できる

– s変数やz変数で表された伝達関数から回路を構成する方法を学ぶ

3. OversamplingとNoise shapingの原理を理解し回路設計に応用でき

るようにする

4. 簡単な信号処理回路の

Verilog HDL（ディジタルおよびアナログ）記

述が読めるようにする

5. ミクストシグナル回路の回路シミュレーションの具体的方法を学ぶ

アナログ回路の設計技術者は非常に不足している。しかし、アナログ回路

の知識だけでは最先端の設計はできない（それでも企業は欲しがるが）。

ディジタル・システムにアナログ処理を組み込むことで付加価値が生じる

（＝アプリケーションが絞り込まれる）

ことに注意しよう。

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ディジタル電子回路を履修するメリットは？

• 集積回路の専門知識を習得したい人 – アナログ・ディジタル混載設計技術の入門編となる – 集積回路設計技術の全体像を見渡すための基礎知識となる（設計分野で頻出する専門用語が多い） – アナログが使えるLSI設計者は非常に少なく、アナログ設計の知識が自身の価値を高める効果を持つ • 集積回路を専門としない人 – アナログ処理とディジタル処理を統一的に理解する視点が得られる – PSoCなどのリコンフィギャラブルデバイスを利用できるようになる – DSPやプログラマブルデバイスの信号処理フローを理解できる – ディジタルーオーディオ/ビデオの仕組みや仕様を理解できる – アナログ技術が解るシステム技術者は希少であり、当分野の知識を持つこと自体に価値がある（学部の電子回路の知識では現代の技術を理解するには不足） – 先端技術、特に先端的な無線通信およびセンサ技術を理解するための基礎知識が得られる • ※ 従来の当該分野の講義との違い – アナログ回路のトランジスタレベル設計には立ち入らない（CMOSアナログ回路の設計技術は大学院で扱う） – フローチャート、伝達関数、回路の知識を結びつける – HDL記述と回路記述のミクストランゲージシミュレーションの方法を体験する

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教科書・参考書

• 教科書

– 指定なし（講義資料を使用する）

– 印刷物は配布しないので、事前にダウンロードしておくか講義中に

ノートPC、タブレット等で参照すること（ただし、メモをとる必要あり）

– ダウンロードページ

• http://jaco.ec.t.kanazawa-u.ac.jp/edu/

→ 「ディジタル電子回路」をクリック

• 参考書

– 自主課題研究“Bluetoothを利用したスマートフォンアプリの開発” • http://jaco.ec.t.kanazawa-u.ac.jp/edu/android/ – 小林一行/鈴木郁「これならわかる!PSoCマイコン活用術」（オーム社） – A. Handkiewicz, "Mixed-Signal Systems", IEEE Press, ISBN

0-471-22853-2 – 和保孝夫 / 安田彰著「∆Σ型アナログ/デジタル変換器入門」（丸善） – 谷口研二著「LSI設計のためのCMOSアナログ回路入門」（CQ出版） – 深山正幸他著「HDLによるVLSI設計第2版」（共立出版） – 桜井至, HDL設計入門 – Verilog-AMS http://homepage3.nifty.com/hdl_design/verilog_ams.htm

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成績評価法・履修条件等

• 履修条件 – ディジタルシステム論、電子回路第1・第2、集積回路工学第1の知識を前提とする（最低限の知識について講義中に復習を行う） • 成績評価 – 宿題、実習レポート（実習の出席を含む）、期末試験（持込可）により評価する – 宿題30%、実習30%、期末試験40%の配点比率とし、合計点数60％以上で合格とする – 無断で実習レポートや宿題を期限に遅れて提出した場合は、0点とする • 部活動、病気など、本人の責任でないことを第３者が証明できる場合は、提出遅れでも正規の提出として扱う • 遅れても提出はすること。提出しなかった場合は放棄評価とする • 手書きのレポートは受理しません（回路図は手書き可） – 原則として、再試験および保留評価は行わない • 入院など、特別な事情がある場合は相談してください – 不可抗力により期末試験を受けられなかった人には、追試験を実施する • その他 – プリントを配布するが、教科書ではないのでプリントだけでは理解が困難である。スピードの速い講義を聴きながらメモを取る訓練をすること – プリントのバグ報告者には、期末テストにバグ発見点をプラス • 変換ミス、タイプミス、表記の揺らぎなど 5点 • 内容や計算に関するミス 10点

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