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まれあはにうだ
5 years ago
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1 ディジタル電子回路電子情報学類講義案内

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

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(

defined transceiver) Bio-sensor MEMS センサ Vision

無線暗号化 NVRAM MCU SRAM センサネットワークトランシーバ ( 金沢大 )

2 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 などに発展中ディジタル信号処理 IF RF 典型的ミクストシグナル LSI 無線暗号化 NVRAM MCU SRAM センサネットワークトランシーバ ( 金沢大 ) 地上波ディジタルレシーバ ( シャープ ) 3 次元イメージセンサ ( ソニー ) 非接触 IC カード Felica( ソニー ) Mask ROM 2

3 GSM チップの例 Analog Digital RF ベースバンドインタフェース ANT Low Noise Amp. アンテナ共用器 Power Amp. ミキサーシンセサイザミキサー復調器多重化処理回路変調器音声符号復号器画像符号復号器 (MPEG-4) マイクスピーカ CMOS イメージャ LCD ディジタルデータ Infineon, CMOS 130nm 3

パッシブ型センサ RFID の例 ANT Matching Network Rectifier, Regulator ADC Sensor 温度センサ Analog Digital Backscatter Modulator Temperature Data Control Logic RC

4 パッシブ型センサ RFID の例 ANT Matching Network Rectifier, Regulator ADC Sensor 温度センサ Analog Digital Backscatter Modulator Temperature Data Control Logic RC Oscillator クロック ADC Data out FM0 Encoder ADC out EOC start CRC Encoder Control Logic enable enable POR 500 s S. Nakano et.al., Kanazawa Univ., CMOS 180nm 4

DVD チップの例 Analog Digital PCI/ISA Bus, Flash Memory HDD DVD Recorder MPU MPU MPU MPU CPU(MIPS) DSP ROM/GIO Interface PCI/ISA Interface ATA Interface ATA Interface I 2 C Interface UART Timer GPIO Host

5 DVD チップの例 Analog Digital PCI/ISA Bus, Flash Memory HDD DVD Recorder MPU MPU MPU MPU CPU(MIPS) DSP ROM/GIO Interface PCI/ISA Interface ATA Interface ATA Interface I 2 C Interface UART Timer GPIO Host Interface High Speed Peripheral Peripheral V A 10bit ADC Audio Encoder MPEG2 AV Encoder Microcontroller CPU Bus Stream processor Encryption/ Decryption DMA Audio Proc. MPEG2 Decoder BitBlt DAC Video Scalar/On- Screen Manager/SPD/Noise Reduction/Deinterlace RGB DV Memory Bus 1394 Codec SDRAM Interface NTSC/PAL Encoder Okamoto, et al., ISSCC 2003,CMOS 130nm i-link 5.1ch Audio, SPDIF DDR SDRAM 5

6 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 ) 6

7 回路設計技術コースの流れ大学院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 組み込みシステム特論 SoC 設計基礎論ミクストシグナルLSI 工学 4 年前期ディジタル LSI 設計集積回路設計及び演習ミクストシグナル回路 3 年後期ディジタル回路集積回路工学第 2 ディジタル電子回路 3 年前期基礎知識集積回路工学第 1 シミュレーション 2 年後期電子回路第 2 及び演習回路の基礎 2 年前期回路の基礎論理回路電子回路第 1 及び演習ディジタルアナログ

8 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 8

9 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演算レベルのアルゴリズムフローチャート (HW+SW の全体 ) SW/HW 分割高級言語組込みソフトウェア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フローチャート状態遷移図 Register Transfer Level HDL 本講義機能ブロックレベルアナログ回路動作モデル論理機能ブロック図 Analog HDL (Verilog-AMS) 論理回路図真理値表状態遷移図アナログ機能伝達関数構造記述 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トランジスタ回路図アナログ要素回路 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 9

10 他科目との関係高抽象度コンピュータアーキテクチャディジタル信号処理伝達関数設計 Verilog-AMS ( 計算機アーキテクチャ ) ( ディジタルシステム論 ) ディジタル電子回路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低抽象度 Verilog HDL/VHDL SPICE シミュレーション CMOS ロジック CMOS アナログ回路 CMOS 高周波回路レイアウト半導体 ( 主に MOSFET) プロセス技術 ( 概要のみ ) ここはやや難関 ( 集積回路設計及び演習 ) ( 情報システム工学実験第 2) ( 集積回路工学第 1/ 第 2) ( 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) 10

11 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 11

12 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 12

13 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 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 13

14 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 14

15 質問方法なるべく講義時間中に質問してください講義後は時間がないので簡単な質問しか受け付けられません込み入った質問についてはオフィースアワーを利用してください講義実施日 5 限目に教員室 (2B713) で質問を受け付けます ( 但し出張中は除く ) メールでの質問も受け付けます回答は Twitter で行いますメールアドレス : digi@jaco.ec.t.kanazawa-u.ac.jp Twitter アドレス : 質問をしなくて分からないのは自分の責任です 15

Microsoft PowerPoint - 集積回路工学_ ppt[読み取り専用]

Microsoft PowerPoint - 集積回路工学_ ppt[読み取り専用] 2007.11.12 集積回路工学 Matsuzawa Lab 1 集積回路工学東京工業大学大学院理工学研究科電子物理工学専攻 2007.11.12 集積回路工学 Matsuzawa Lab 2 1. 1. ハードウェア記述言語 (VHDL で回路を設計 ) HDL 設計の手順や基本用語を学ぶ RTL とは? Register Transfer Level レジスタ間の転送関係を表現したレベル慣例的に以下のことを行う