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あかりおおかわち
5 years ago
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1 2.2 要素回路の機能代表的なアナログ要素回路の機能を学ぼう ( 注 ) アナログ要素回路は基本論理ゲートよりかなり複雑ですがここではトランジスタ回路を理解する必要はありません各回路がどのような機能を持っているかどのような点に注意して使用しないといけないかだけ理解してください 1

2 2.2.1 表記上の注意 2

3 MOSFET の記号 MOSFET の記号 (Symbol) はいろいろな書き方があるので覚えておこう p-ch n-ch G G S S S B G G D D D D D D B G G S S S B 端子を省略した形 B 端子は原則として n-ch は GND, p-ch は VDD に接続 3

4 電源ラインの ± 表記アナログ回路では VDD(+), VSS(-) の2 電源電圧で表記されることが多いこのようにすると入力信号の直流バイアスを省略した簡潔な回路表記が可能だ VDD VDD 交流信号回路回路 VSS GND = VDD +VSS 直流バイアスを書かなくてもよい VSS アナログ回路では Rail と呼ばれる注意実際に 2 つの電圧源を接続するわけではなく VDD - VSS の間の電位を基準電位 (GND) として記述しているに過ぎない 4

5 電源ラインの表記に関する注意電圧 (V) アナログ回路 VDD ディジタル回路 VDD 実際の電源接続 5V GND 接続してはいけない VSS 接続可能 VDD(+2.5V) 5V V IH V IL GND VDD(5V) VSS(-2.5V) GND(0V) 2 電源表記されたアナログ回路とディジタル回路は GND の電位が異なるので回路同士の電源配線には注意が必要 5

6 ( 注 ) 変数の表記について本講義では慣例に従い電流や電圧の表記を以下のように行う直流は大文字記号で表し小信号交流を小文字イタリック記号で表す直流と交流の両方の成分を含む場合は大文字で表す電圧電流の複素ベクトルは場合により大文字と小文字のどちらも使用するので注意 Z 1, Z 2 の並列インピーダンスは (Z 1 //Z 2 ) のように表す差動信号は正相成分の添え字 ( 下付 ) の最後をp (positive) で表し逆相成分の添え字 ( 上付 ) の最後の文字をn (negative) で表す例 : 信号電圧 V d の正相成分 =V dp, 逆相成分 =V dn 6

7 本講義で使用するアナログ要素回路回路 CMOS スイッチコンパレータ OPA(Operational Amp.) OTA (Operational Transconductance Amp.) 機能ディジタル回路の CMOS スイッチ ( またはトランスミッションゲート ) と同じ 2 つの入力電圧の大小により '1' または '0' の論理値を出力する差動増幅機能 ( 出力インピーダンス小 )=2 つの入力電圧の差に比例した電圧を出力差動増幅機能 ( 出力インピーダンス大 )=2 つの入力電圧の差に比例した電流を出力これらの要素回路はさらに小さな多数の要素回路に分解される詳細は集積回路工学第 2 で学ぼうこれだけのアナログ要素回路とディジタル回路を組み合わせれば殆どの処理が可能になる 7

8 2.2.2 CMOS スイッチ 8

9 CMOS スイッチの機能 CMOS スイッチ 2 極 CMOS スイッチ Input Output = の論理レベル 'H'/'L' によって Input - Output 間を ON/OFF する Input は VDD ~ VSS の任意の電圧を入力可能 ( アナログ信号でもディジタル信号でもよい ) 2 極 CMOSスイッチは 2 個の CMOSスイッチで実現 9

10 CMOS スイッチの具体的回路例 ( 集積回路工学第 1 の復習 ) V gsn ON 状態での直流伝達特性 V in VSS VDD V out V out VDD CMOS Sw. V gsp n-mos Sw. V in = V out p-mos Sw. = 'H' (VDD) のとき V V gsn gsp VDD V VSS V in in VSS V V tp tn VDD p-ch の動作範囲 n-ch の動作範囲 V in 10

11 理想的なスイッチとの違い V in CMOS スイッチには "ON" 状態でも抵抗がゼロではないことに注意 ON 抵抗 R ON の影響により容量を含む負荷 ( 容量性負荷とよぶ ) を接続すると出力に遅延時間が発生する CMOS スイッチは "OFF" 状態でも抵抗がではないことに注意僅かにリーク電流が流れ C H の電圧 V out は時間とともに減少していく ON/OFF の切り替えの際にスイッチングノイズが発生するスイッチングノイズを消去する回路上の工夫が必要 'L' H R ON 'L' V out V in V out ON OFF Time time Const. g R dsn ON CH g C dsp リーク電流によるエラー H I on C H Time Const. time スイッチングノイズ 11

12 2.2.3 コンパレータ 12

13 コンパレータ (Comparator) の機能入力 V inp と V inn の電圧を比較する if (V inp > V inn ) then V out = VDD ( 論理レベル = 'H') if (V inp < V inn ) then V out = VSS ( 論理レベル = 'L') シンボルは OPA と同じものが使われることがあるが回路は違うので注意 V out 理想特性 VDD('H') V inp V inn or V out 実際 V inp -V inn V inp V inn V out VSS('L') V OFF オフセット (± 判定誤差 ) 理想的なコンパレータと実際のコンパレータ 13

14 コンパレータの回路例小さな電圧差を差動増幅してからラッチを行う Φ VDD M3L M3R M8L M6L M6R M8R OUT V inp M2L M1L M1R M2R V inn M7L M7R OUT M4L M4R M5L M5R この他にもコンパレータにはいろいろな回路方式がある VSS 差動増幅回路 ( アナログ減算回路 ) ラッチ回路 (H/L 決定回路 ) 14

15 2.2.4 増幅回路の動作モデル 15

16 MOSFET による電圧増幅の原理ソース接地増幅回路 I dsn I L v gs V dsn 負荷としてR, Lも使用されるがしかし v -M1に加えるバイアス電流 I ds L を調整できる - 大きな振幅で出力電圧を取り出せる - MOSFET 電流源は小面積という理由のため電流源 ( 実はMOSFET) が多用されている ( 問題 ) 負荷 I L の代わりに容量 C を使用できない理由を説明せよ 16

17 動作モデルによる増幅回路の表現動作モデルとは回路の機能を計算式で表したものや計算式に相当する等価回路実際の増幅回路は前ページのような構造になっているが回路解析やシミュレーションでは動作モデルを使用することが多いトランジスタの小信号等価回路もトランジスタの動作モデルである増幅回路は制御電圧源または制御電流源によって動作モデルを表すことができる動作モデルを使用するメリット動作モデルでは精密な回路特性は分からないが回路の解析が容易になる ( 人間にとって理解しやすい ) 動作モデルを使用するとシミュレーションが高速に行える 17

18 理想的な増幅回路の動作モデル電圧増幅回路 A V 電流増幅回路 i in A I i out v in v out =A V v in Z L vout i out =A I i in Z L A V v in A I i in トランスコンダクタンスアンプ v in G m i out =G m v in i out Z L vout トランスコンダクタンスアンプ i in R m v out =R m i in Z L v out G m v in R m i in 18

19 入力出力抵抗を考慮した動作モデル A V v in i in A I i in i out vin R in R out L v out R in R out 理想 R in =, R out =0 理想 R in =0,R out = G m v in i out i in R m i in R in R out v in R in R out L L v out 理想 R in =, R out = 理想 R in =0,R out =0 19

20 入力出力インピーダンスの影響電圧増幅回路の動作モデルの表記例 s s in v out in L 入力や出力に別の回路を接続すると電圧利得が下がってしまう v v in out R S Rin R Z R out L in AV Z v L s v in v in の値が R S に依存 v out の値が Z L に依存 20

21 2.2.5 OPA (Operational Amplifier) 2 つの入力電圧の差を取ることができる電圧増幅回路市販の OPA と集積回路内で使う OPA は少し違うので注意簡単増幅回路の入出力形式回路の複雑度 (1) 単相入力 - 単相出力 ( 一般的な増幅回路 ) 反転増幅器を使用して伝達関数を実現できる (2) 差動入力 - 単相出力 ( 単一出力型 OPA) 複雑な伝達関数を簡単に実現できる (3) 差動入力 - 差動出力 ( 全差動型 OPA) 複雑な伝達関数を簡単に実現できる ( 雑音に強い ) 複雑 21

22 OPA の記号と機能 2 つの入力電圧の差を増幅する機能 V out OPA の機能 A d ( V V ) inn inp Single-end ( 単一出力 ) 型 ( 市販の OPA) A d : 差動利得 (Open Loop Gain or Differential Gain) V outp A d ( V V ) inn inp V outn A d ( Vinp Vinn) Full-differential ( 全差動 ) 型 (LSI 中で使用する OPA) 2A d : 差動利得 (Open Loop Gain or Differential Gain) 22

23 理想的な OPA の動作モデル単一出力型 V inp + V out A d (V inp -V inn ) V inn 全差動型 23

24 全差動型回路の使用法集積回路の中では原則としてアナログ信号は差動伝送 ( 位相が 180 度異なる信号をペアで伝送 ) するこのためアナログ入力とアナログ出力を 2 個ずつ持つ全差動型回路が使用される差動出力ポート差動入力ポート回路 A 回路 B 同じ波形を逆位相にして同時に送る 24

25 差動信号伝送の利点簡単のため差動利得 2A d = 1 とするディジタル信号ライン v sig -v sig + v drift ノイズ v sig -v sig 差動入力信号 v sig + v drift 差動出力信号 CMOS スイッチスイッチングノイズドリフト -v sig + v drift + v noise クロストークノイズ v sig + v drift + v noise 各種誤差を含んだ信号減算誤差が取り除かれた信号 drift : 直流電圧の時間的変動をドリフトと呼ぶ ( 温度変化などで発生する ) 信号を差動で伝送するとOPAの減算機能により同相雑音や直流誤差を相殺することができる! アナログ回路にCMOSスイッチを使用するときは全差動が必須 -v sig 25

26 差動信号配線のレイアウト全差動型回路を使用しても同相ノイズしかキャンセルできないのでノイズが同相になるように + 信号とー信号線のレイアウトを対称にする必要がある対称な回路アナログ回路アナログ回路 V dp Line1 V dp Vdn V dn アナログ回路非対称なレイアウトではクロストーク ( 外部雑音 ) がキャンセルできないアナログ回路対称なレイアウトではクロストーク ( 雑音 ) のキャンセルが可能 26

27 OPA の回路例バッファ電圧増幅差動増幅回路電圧増幅バッファ V DD M6La M6Lbn M6Lbp V bias1 M6Rbp M6Rbn M6Ra - + V GEp V GEp + - M4L A NL A NR M4R MB1R MB1L V inp V inn OPA V outn MB2L M5L M1Ln M1Lp M1Rp M1Rn M5R MB2R V outp MB4L MB3L - + A PL V GEn A PR V GEn + - MB3R MB4R V SS MB5L MB6L M2L M3Ln M3Lp V bias4 M3Rp M3Rn M2R MB5R MB6R V DD MC6L V bias5 MC6R 差動増幅回路 = アナログ減算回路バッファ = 出力インピーダンスを下げる回路バイアス回路は省略 CMFB 回路 MC1L MC3L V SS MC1R MC3R V CM 27

28 ( 参考 1)CMFB (Common Mode Feedback ) 全差動型 OPA を使って対称な回路を組むと基準電位 (GND) となるノードがないので OPA 間で基準電位が合っていない ( かもしれない ) という問題があるそこで外部から基準電位 V CM を与える入力を設ける出力差動信号の振幅の平均値を V CM に合わせるように制御する出力差動信号の平均値を V CM にあわせるように OPA の特性を自動調整する回路を CMFB とよぶ Vinp Vinn V outp+v outn 2 Voutn Voutp V CM 28

29 ( 参考 2)CMRR (Common Mode Rejection Ratio) OPAの機能は 2つの入力電圧の差を増幅する実際には MOSFETペアのばらつきによりV inp = V inn のときでも出力が現れる同相信号 V inp = V inn を入力したときの利得 Ac( 同相利得 ) が小さければ正確にV inp -V inn = 0 となる差動利得が大きく同相利得が小さいほど差動伝送の際に信号は大きく増幅しかつ雑音を相殺する能力が高い同相除去比 CMRR A A が OPA の演算精度の指標として使用される d c 29

30 2.2.6 OTA (Operational Transconductance Amplifier) 2 つの入力電圧の差を取ることができるトランスコンダクタンスアンプ (CVT) 30

31 OTA (Operational Trans-conductance Amplifier) 2つの入力電圧の差に比例した電流を出力する機能内部では電流を増幅する回路になっている OTAの機能 V inp V inn I outp I outn I I outp outn G m G ( V Vinn ) m inp ( V Vinn ) inp 全差動型 OTA の記号 G m : Trans-conductance( ジーエムともいう ) ( 注 ) G m の単位は [S] ( ジーメンス )= 抵抗の逆数 [1/ ] 31

32 OTA の回路例定電圧回路電流制御電流源 ( カレントミラー ) 差動増幅回路電流制御電流源 ( カレントミラー ) 32

33 OPA と OTA の違い OTA は差動増幅機能をトランスコンダクタンス G m で表現 V inp V inn OPA は差動増幅機能を電圧利得 A d で表現 I outp I outn 電流出力タイプ高出力インピーダンスが理想高出力インピーダンスなのでバッファは不要ただし回路内部は低インピーダンスとなるように設計する電圧出力タイプ低出力インピーダンスが理想 33

34 ( 復習 ) 電流源と電圧源の等価変換理想的ではない電流源と理想的でない電圧源は相互に等価変換が可能 V 0, I 0, R 1, R 2 の関係を求めよ R 1 V 0 等価変換式 R I 1 0 R 2 V0 R 1 ( 証明は各自の宿題 ) 従って OPA と OTA は同じ機能を持つしかし出力インピーダンスが異なる 34

35 出力インピーダンスの影響 V inp 理想的ではない電流源と電圧源を用いて OPA と OTA を表してみよう OPA R o V out + A d (V inp -V inn ) Z L I out OTA V inn V I out out Z L R Z R 誤差 o o 1 Z L L A ( V d A ( V d inp inp V V inn inn 理想 Ro 0 ) A d R 0 A o ) Z d L ( V inp ( V 誤差なし inp V inn V inn ) ) V I out out RoZ L R Z o o L Ro R Z L 誤差 G G m m ( V ( V inp inp V V inn inn Ro ) Z Ro ) G 理想 L m G m ( V ( V inp inp V V inn 誤差なし ) inn ) 演算機能的には OTAとOPAは同じだが OPAは出力電圧がZ L に依存せず OTAは出力電流がZ L に依存しない 35

36 2.2 節のまとめアナログ回路は VDD と VSS の 2 電源表記されることが多いので注意アナログ要素回路には CMOS スイッチコンパレータソース接地増幅回路 OPA OTA などがあるアナログ要素回路を使用する場合は各種の誤差要因があることに注意しなければならない同じ機能のアナログ要素回路でも多くのトランジスタ回路方式があるので要求性能が達成される回路方式を選択する回路の機能を数式または数式に対応する簡単な等価回路で表したものを動作モデルと呼ぶ増幅回路の動作モデルは制御電流源または制御電圧源を用いた等価回路で表すことができるミクストシグナル LSI では増幅回路として全差動 OPA または全差動 OTA が多用される全差動回路で信号を伝送すると同相雑音 CMOS スイッチによるエラーなどを取り除くことができる差動伝送ではプラス信号とマイナス信号の通る回路を回路トポロジーおよびレイアウトの上で完全に対称にする OPA は出力が電圧源として働くので出力電圧が負荷インピーダンスに依存しない OTA は出力が電流源として働くので出力電流が負荷インピーダンスに依存しない 36

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Microsoft PowerPoint - 9.Analog.ppt 9 章 CMOS アナログ基本回路 1 デジタル情報とアナログ情報アナログ情報大きさデジタル信号アナログ信号デジタル情報時間情報処理システムにおけるアナログ技術通信ネットワークの高度化無線通信, 高速ネットワーク, 光通信ヒューマンインタフェース高度化人間の視覚, 聴覚, 感性にせまる脳型コンピュータの実現テシタルコンヒュータと相補的な情報処理省エネルギーなシステム