アクティブフィルタ テスト容易化設計

群馬大学 コバ研

KOBA Lab. Gunma University KOBA Lab.

1

群馬大学 工学部電気電子工学科

高橋 洋介

林 海軍

小林 春夫

小室 貴紀

高井 伸和

発振を利用したアナログフィルタの

テスト・調整

群馬大学 コバ研

Gunma University KOBA Lab.

2

発表内容

1.

研究背景と目的

2.

提案回路

3.

題材に利用したアクティブフィルタ

4.

提案する発振によるテスト方法

①

AGC（自動利得制御）

②バンドパス出力の帰還による発振

③ローパス出力の帰還による発振

④ハイパス出力の帰還による発振

5.

結果

6.

まとめ

群馬大学 コバ研

Gunma University KOBA Lab.

3

発表内容

1.

研究背景と目的

2.

提案回路

3.

題材に利用したアクティブフィルタ

4.

提案する発振によるテスト方法

①

AGC（自動利得制御）

②バンドパス出力の帰還による発振

③ローパス出力の帰還による発振

④ハイパス出力の帰還による発振

5.

結果

6.

まとめ

群馬大学 コバ研

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4

研究背景と目的

SoCのアナログ回路部の

テスト容易化技術の確立

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5

研究背景と目的

フィルタを簡単にテストする

テストのための回路を簡単な構成で行う

発振を利用する

連続時間フィルタは携帯電話の送受信器で

重要なコンポーネント

製造上のばらつきがある 周波数カウンタによってデジタル的計測

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6

発表内容

1.

研究背景と目的

2.

提案回路

3.

題材に利用したアクティブフィルタ

4.

提案する発振によるテスト方法

①

AGC（自動利得制御）

②バンドパス出力の帰還による発振

③ローパス出力の帰還による発振

④ハイパス出力の帰還による発振

5.

結果

6.

まとめ

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7

提案回路

通常のフィルタの動作

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8

発表内容

1.

研究背景と目的

2.

提案回路

3.

題材に利用したアクティブフィルタ

4.

提案する発振によるテスト方法

①

AGC（自動利得制御）

②バンドパス出力の帰還による発振

③ローパス出力の帰還による発振

④ハイパス出力の帰還による発振

5.

結果

6.

まとめ

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9

状態変数型アクティブフィルタ

素子値偏差が小さい

出力が３つ得られる

素子感度が小さい

オペアンプを３つ使用する

LP

BP

HP

バンドパス出力を使用

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10

バンドパスフィルタの伝達関数

 

2 2 B       S Q S S Q A s H B B B B B B     _{ }                            5 1 2 1 1 1 1 6 7 1 2 5 4 2 1 3 5 1 2 1 1 1 1 6 7 1 2 1 5 4 3 2 2 1 2 R R R R R R A C R R R C R R R R R R Q C C R R R R B B B  中心周波数 795Ｈｚ Ｑ値 4.33 ゲインＡ 4.33 OpampはuA741

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11

問題設定

状態変数型バンドパスフィルタを使用する

複数の発振周波数モードを設ける

BPFの

ω

B、

Q

B、

A

B

の値を推定する方法

を確立する

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12

発表内容

1.

研究背景と目的

2.

提案回路

3.

題材に利用したアクティブフィルタ

4.

提案する発振によるテスト方法

①

AGC（自動利得制御）

②バンドパス出力の帰還による発振

③ローパス出力の帰還による発振

④ハイパス出力の帰還による発振

5.

結果

6.

まとめ

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13

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14

バンドパス帰還における発振波形

 

2 2 1 1 2 2 2 2 1 2 1 4 2 sin 1 2 1 4 ) 0 (       _{ }         _{ }         _ R R A Q Q osc t e R R A Q BP A t BP B B B B t R R A Q B B _B B B







 B BP

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15

発振波形解析

AB・ ＞1 オペアンプ 電源電圧

 

2 2 1 1 2 2 2 2 1 2 1 4 2 sin 1 2 1 4 ) 0 (       _{ }         _{ }         _ R R A Q Q osc t e R R A Q BP A t BP B B B B t R R A Q B B B B B     B R1 R2

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16

ＡＧＣ（

Automatic Gain Control）

AGCの中で使用されるVCR(Voltage Control Resistor)

-Ｖｇｓによって抵抗値が変化

AGC（Automatic Gain Control）を用いて発振振幅を制御

S

rds

G

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17

AGC（自動利得制御）を用いた発振回路

ＶＣＲ 整流回路 _{基準電圧発生回路} バンドパス 帰還発振回路

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18

AGCを用いた発振回路の過渡解析結果

発振周波数

ωosc1はフィルタの中心周波数ω

B

で発振

オペアンプの電源電圧は±１５V ±５V VBP

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19

発表内容

1.

研究背景と目的

2.

提案回路

3.

題材に利用したアクティブフィルタ

4.

提案する発振によるテスト方法

①

AGC（自動利得制御）

②バンドパス出力の帰還による発振

③ローパス出力の帰還による発振

④ハイパス出力の帰還による発振

5.

結果

6.

まとめ

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20

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21

バンドパス帰還での過渡解析結果

オペアンプの電源電圧で飽和

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22

フィルタ特性の計測

フィルタのパラメタ

周波数

ω

B

、

Q

B

値、利得

A

B

ω

B

→固定

A

B、

電源電圧→パラメタ

Q

B

→可変

各パラメタを変化させたときの発振周波数の変化を計測

A

B

→固定

Q

B

→パラメタ

ω

B

→可変

ω

B

→固定

Q

B

→パラメタ

A

B

→可変

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23

A

B

→固定 Q

B

→パラメタ

ω

B

→可変 発振周波数ωosc2の変化

ωB→大 ωosc2→大

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24

ω

B

→固定 Q

B

→パラメタ

A

B

→可変 発振周波数ωosc2の変化

ＡB→大 ωosc2→小

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25

QB→大 ωosc2→大

ωosc2→電源電圧に依存しない

ω

B

→固定 A

B

、電源電圧

→パラメタ Q

B

→可変

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26

発表内容

1.

研究背景と目的

2.

提案回路

3.

題材に利用したアクティブフィルタ

4.

提案する発振によるテスト方法

①

AGC（自動利得制御）

②バンドパス出力の帰還による発振

③ローパス出力の帰還による発振

④ハイパス出力の帰還による発振

5.

結果

6.

まとめ

群馬大学 コバ研

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27 2 2 2 0 ) ( B B B LP S Q S A s H       1 5 2 5 4 2 1 3 5 1 2 1 1 1 1 6 7 1 2 1 5 4 3 2 2 1 2 R R A C R R R C R R R R R R Q C C R R R R LP B B                              LPFの伝達関数

ローパス出力から帰還させて発振させる方法

LP

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28

＝

0

帰還させたときの伝達関数 2 2 2 ) ( L L S Q S A s H L L L L      









5 1 5 2 5 4 1 1 5 1 3 5 1 5 1 2 1 1 1 1 6 7 1 2 1 5 4 3 1 5 1 2 2 1 2 R R R A C R R R C R R R R R R R R R R R Q C C R R R R R R R L L L                                =0 つまり Q→∞ 1 Q

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29 1 Q →0とする方法   2 1 ' 2 5 4 1 1 5 1 3 5 1 5 1 2 1 1 1 1 6 7 1                            C R R R C R R R R R R R R R R RS R Q_L (RSはスイッチの抵抗) Ｓオープン

Ｑ→

∞

RS→∞

提案する

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30 ローパス帰還による発振波形

V

p-p

ω

L

小

ω

L

大

オペアンプ

電源電圧





2

1

5

4

3

1

5

1

2

2

C

C

R

R

R

R

R

R

R

L







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31 ωＬ可変のとき発振周波数ωosc3の変化

ω

L<ωB ωosc3→電源電圧依存しない ωL→大 ωosc3→大

ω

L

>

ωB ωosc3→電源電圧依存 ωosc3→飽和

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32

発表内容

1.

研究背景と目的

2.

提案回路

3.

題材に利用したアクティブフィルタ

4.

提案する発振によるテスト方法

①

AGC（自動利得制御）

②バンドパス出力の帰還による発振

③ローパス出力の帰還による発振

④ハイパス出力の帰還による発振

5.

結果

6.

まとめ

群馬大学 コバ研

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33 HPFの伝達関数

ハイパス出力から帰還させて発振させる方法

2 2 2 ) ( B B B HP S Q S S A s H   _   1 2 2 5 4 2 1 3 5 1 2 1 1 1 1 6 7 1 2 1 5 4 3 2 2 1 2 R R A C R R R C R R R R R R Q C C R R R R HP B B                             

HP

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34

＝

0

帰還させたときの伝達関数 2 2 2 H H H H H S Q S S A osc H   _       2 1 2 2 5 4 2 1 1 3 2 1 5 1 2 1 2 1 1 1 1 6 7 1 2 1 2 1 5 4 3 2 1 2 1 2 R R R A C R R R R C R R R R R R R R R R R Q C C R R R R R R R H H H                                =0 つまり Q→∞ 1 Q

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35 1 Q →0とする方法 (RSはスイッチの抵抗)   2 1 ' 2 5 4 2 1 1 3 2 1 5 1 2 1 2 1 1 1 1 6 7 1                         _   C R R R R C R R R R R R R R R R RS R Q_H Ｓオープン

Ｑ→

∞

RS→∞

提案する

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36 ωH 小 ハイパス帰還による発振波形 ωH 大

オペアンプ

電源電圧



1 2



1 2 5 4 3 2 1 2 C C R R R R R R R H  



V

p-p

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37 ωＨ可変のときの発振周波数ωosc4の変化

ω

H<ωB ωosc4→電源電圧依存しない ωH→大 ωosc4→大

ω

H

>

ωB ωosc4→電源電圧依存 ωosc4→飽和

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38

発表内容

1.

研究背景と目的

2.

提案回路

3.

題材に利用したアクティブフィルタ

4.

提案する発振によるテスト方法

①

AGC（自動利得制御）

②バンドパス出力の帰還による発振

③ローパス出力の帰還による発振

④ハイパス出力の帰還による発振

5.

結果

6.

まとめ

群馬大学 コバ研

Gunma University KOBA Lab.

39

結論

ＡＧＣ

バンドパス帰還

ローパス帰還

ハイパス帰還

ωosc2がωB, QB, ゲインＡBの関数 Opampの電源電圧に依存しない ωosc1がωBで発振

ω

L

、

ω

H がωB付近のとき ωosc3,ωosc4電源電圧に依存しない ωL、ωH→大 ωosc3,ωosc4→大

ω

L

、

ω

H がωBより大のとき ωosc3,ωosc4電源電圧に依存 ωosc3,ωosc4→飽和

群馬大学 コバ研

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40

発表内容

1.

研究背景と目的

2.

提案回路

3.

題材に利用したアクティブフィルタ

4.

提案する発振によるテスト方法

①

AGC（自動利得制御）

②バンドパス出力の帰還による発振

③ローパス出力の帰還による発振

④ハイパス出力の帰還による発振

5.

結果

6.

まとめ

群馬大学 コバ研

Gunma University KOBA Lab.

41

まとめ

フィルタを発振させテストする４つの発振モードを

提案した

スイッチと周波数カウンタという尐ない回路構成

でフィルタのテストが可能

発振周波数がフィルタの

_ω

B

、Q

B

、A

B

に依存

発振周波数計測によって

ω

B

、

Q

B

、

A

B

の情報が得られる

フィルタを発振

群馬大学 コバ研

Gunma University KOBA Lab.

42

今後の課題

4つの発振周波数からωB、QB、ABの計算法の導出

フィルタの調整につなげる

群馬大学 コバ研

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43

今後の課題