h30年度群馬大学電気電子工学特別講義ii

ATN

アナログ技術ネットワーク

群馬大学・客員教授 1 00000-A Rev. 1.00

2018/10/02(火)

■ アナログ技術ネットワーク

ATN (Analog Technology Network)

■ 群馬大学理工学部電子情報理工学科

客員教授

89頁

■ 東京理科大学

電気電子情報工学科

松浦達治

[email protected]

■ 元ルネサスエレクトロニクス

主管技師長

H30年度群馬大学電気電子工学特別講義II

（集積電子回路工学）

1. ミックスドシグナル信号処理LSIとは

16:00-17:30 (90分）

ATN


群馬大学・客員教授

1976年東大・工・計数卒, 1978 同大大学院修士課程了

1978年日立製作所・中央研究所入所

アナログ信号処理LSI、画像信号処理LSI、AD/DA変換器

ミックストシグナルLSI等について研究

1995年日立製作所・半導体グループ

2003年株式会社ルネサステクノロジ（発足）

2010年ルネサスエレクトロニクス株式会社（発足）

技術開発本部、ミックスドシグナルコア開発統括部

主管技師長

2011年シニアエクスパート

2012年11月独立行政法人科学技術振興機構 FIRST合原最先端数理モデル

プロジェクト研究員東京都市大学在勤

2014年4月東京理科大学電気電子情報工学科嘱託助教

2018年4月東京理科大学電気電子情報工学科非常勤講師

IEEE会員、電子情報通信学会、電気学会、応用科学学会会員

1996-2002年 CICC技術プログラム委員

2006-2010年 ISSCC技術プログラム委員

2010年～群馬大学客員教授

工学博士 (東工大）

講演者略歴

2

ATN



3

1. ミックスドシグナルLSIの基礎

1.1 ミックスドシグナル信号処理IC/LSIの例

1.2 ハードディスク用PRML信号処理LSI

2. Bluetooth送受信機の概略

2.1 Bluetoothとは

2.2 送信部（変調）の設計

2.3 受信部（復調）の設計

3. AD/DA搭載マイコンとその応用

3.1 アナログ・デジタル処理の4分類

3.2 AD/DA搭載マイコンと応用例

3.3 マイコンによるモータ制御・電源制御の例

目次

ATN



4

1. ミックスドシグナルLSIの基礎

ミックスドシグナルIC/LSIの例

ATN



5

1.1 A/D, D/A変換器搭載アナ・デジ混載CMOS-LSI

アナログ信号とシステムLSI 携帯電話用高周波LSI

送受信LSI 高周波電力増幅器

ﾌﾞﾙｰﾄｩｰｽ LSI

「デジタルはメインの技術、アナログはキーの技術」

自然界の信号はアナログ信号

自然界の信号をマイコンやデジタル信号処理チップが扱えるデジタル信号に変換してやる必要がある．

RF信号はアナログ

無線で使われるRF信号はアナログデジタル変調を使っても最後はアナログ

ATN



6

Bluetooth用トランシーバIC

ADC

LNA PA

PLL

Logic

DAC

AGC

IRMIX VCO BPF

3.4 mm

3.3

mm

BPF

SW

AGC

VCO PLL

Gaussian Filter

Phase Shifter

IR MIX

*** Internal Clocks

f r

f LO

N

PA

LNA CH

Filter

DC Cancel

Correlator

ADC PLL

DEMOD

Loop Filter

I/O

DAC

Clock Generator

X ’ tal

BPF

SW

AGC

VCO PLL

Gaussian Filter

Phase Shifter

IR MIX

*** Internal Clocks

f r

f LO

N

PA

LNA CH

Filter

DC Cancel

Correlator

ADC PLL

DEMOD

Loop Filter

I/O

DAC

Clock Generator

X ’ tal

・Bluetooth送受信機：

デジタルで復調するアーキテクチャを採用．

デジタル信号処理でチャンネル選択フィルタを

実現して小面積化．

・13MHz, 6bit, 3.2mA パイプラインADCを開発．

0.35um BiCMOS

ISSCC 2002 5.5 Kokubo, Matsuura et al.

ESSCIRC 2001 p544-547 Kudoh, Matsuura et al.

電源電圧 2.7V

電流送信 35mA

受信 45mA

論理面積 2.94x1.11=3.27mm2

18kG程度

11) A Small-Chip-Area Transceiver IC for Bluetooth Featuring a

Digital Channel-Selection Filter,

Masaru Kokubo, Tatsuji Matsuura, et. al.

IEICE Trans. Electron, Vol. E87-C, No. 6, June 2004

0.35-µm CMOS

ATN



7

ハードデイスク・リードチャンネルLSI

・ISSCC

1998, 24.5

matsuura

et al.

・JSSC

1998, Dec.

matsuura

et al.

コントローラ

メカ

アナログ

デジタル

プリアンプ

AGC ｱﾅﾛｸﾞﾌｨﾙﾀ ADC

ML (EPRML)

FIR 等化器

シンセサイザリード PLL

エンコーダ

デコーダ

ﾏｲｸﾛｺﾝﾄﾛｰﾗモータ

ドライバ

ﾊｰﾄﾞﾃﾞｲｽｸ

ｺﾝﾄﾛｰﾗ

DRAM ホスト

コンピュータフラッシュ

メモリ

リードチャンネル

コントローラ

メカ

アナログ

デジタル

プリアンプ

AGC ｱﾅﾛｸﾞﾌｨﾙﾀ ADC

ML (EPRML)

FIR 等化器

シンセサイザリード PLL

エンコーダ

デコーダ

ﾏｲｸﾛｺﾝﾄﾛｰﾗモータ

ドライバ

ﾊｰﾄﾞﾃﾞｲｽｸ

ｺﾝﾄﾛｰﾗ

DRAM ホスト

コンピュータフラッシュ

メモリ

Tc : Channel-bit Interval

+1

0

-1

+1

-1

1 0 0 1 0 0 0 0 1 1

1 1 1 0 0 0 0 0 1SN SN SN NS NS NS NS NS SN NSNS

0

0

Tc : Channel-bit Interval

+1

0

-1

+1

-1

1 0 0 1 0 0 0 0 1 1

1 1 1 0 0 0 0 0 1SN SN SN NS NS NS NS NS SN NSNS

0

0

プリアンプ

出力

PR4

等化

出力

記録波形 (NRZI記録)

4.8 x 5.2 mm2

0.35-µm CMOS

論理面積 6.0mm2

35kGトレリス論理

ATN



8

1.2 ハードディスク用PRML

信号処理LSI

ATN



9

1.2.1 ハードディスク(HDD)システム

ヘッド・アンプ

マイコン

HDC DRAM モータ・

ドライバ

リード・ライト・チャネルLSI

・ハードデイスク=外部記憶装置.

・磁性体を円盤の表面に塗布し、ヘッドに電流を流して磁性体の磁気の向きをS/NかN/Sかに反転させることにより、デイスク上に１，０のデジタルデータを記録させる．

・デイスクの周りの機構

1)デイスクを回転させるスピンドル

モータ、とその回転数を一定に

保つサーボ制御．

2) データ書読する磁気ヘッド

の位置を制御するボイスコイル

モータ、とそのサーボ制御.

図1 ハードディスクシステム

(1/11)

ATN



10

ハードディスクＰＲＭＬ信号処理システム PRML LSI

Controller

Mechanism

Analog

Digital

Pre-Amp

AGC Filter ADC

ML

(EPRML) Dig.Equalizer

Synthesizer Read-PLL

Encoder

Decoder

µComp.

Motor

Driver

HDC

DRAM Host

Computer

Flash

Memory

信号読み出し：磁気ヘッドからの微弱な信号をプリアンプで増幅し、PRMLリードチャンネル

で信号を読取る．

読取った１、０データはHDC (ハードディスクコントローラ)でエラー訂正信号処理をされ、

一時的にDRAMメモリに蓄えられ、適切なタイミングで読出される．

これらはマイコンで制御され、読取られたデータはホストコンピュータに送られる．

図2 ハードディスク

システムブロック図

(2/11)

0,1,1,0,0,1…

ATN



11

ハードディスクシステムの信号処理チェーン

PRML信号処理：

1) パーシャルレスポンス

(Partial Response: PR)

符号間干渉を積極的に利用し、狭帯域チャンネルの

伝送効率を上げる通信技術．

2) 最尤復号

（Maximum Likelihood Decoding: ML）

データ復号をビット毎でなく、前後のデータと共に

尤も確からしさ（尤度）の高いという条件で行う．

ビタビアルゴリズムが代表的．

(3/11)

ATN



12

読出し再生信号：ピークディテクト→PR4へ (4/11)

15:12

図3 ピークディテクト信号処理

図4 高密度化による

波形の変化とPR4波形等化

３値に等化 1 1 0 0

-1 -1 0 0 1 1 0 0 -1 -1 0 0

1 0 -1 0 0

+1

0

-1

符号間干渉あり

ｱﾅﾛｸﾞﾌｨﾙﾀ+ADC+ﾃﾞｼﾞﾀﾙﾌｨﾙﾀで

等化された波形のサンプリング値

磁気記録密度の向上で起きる課題．

波形の幅がサンプリング間隔のいくつかに跨る．

ATN



13

パーシャルレスポンス PR4 等化性能

図5 パルスのPR4等化波形実測値

-1 0 +1

(5/11)

３値(+1, 0, -1)に

波形等化されている．

ｱﾅﾛｸﾞﾌｨﾙﾀ+ADC+ﾃﾞｼﾞﾀﾙﾌｨﾙﾀで

等化された波形のサンプリング値

ATN



ハードディスク用リードチャンネルLSIのブロック図

VGAACTIVE FILTER

ADCFIR

FILTEREPR4

VITERBISYNC BYTE

DE- CODER

SCRAMBLER

I/O CON TROL

PR4 VITERBI

TA DET.

EN- CODER

ADA PTIVE CONTROL

PRE CODER

WRITE PRE

COMPEN-SA TION

VOLTAGE REGULATOR

SEQUENCE CONTROL

REGISTER CONTROL

CHARGE PUMP

AMPLI- TUDE DET.

VCOCHARGE

PUMPPHA SE DET.

BAND GA P

REFERENCE

VCO

CHARGE PUMP

PHA SE DET.

CLOCK GENERATOR

PULSE GENERATOR

NRZ0-3

RRCLK

WD

WD

OSCCLK

Synthesiz er

RINX

RINY

AGCHOLDZERO CROSS DET.

PHA SE ADJ.

Read PLL

3.3 V

5 V

RESET PDWN RG WG SG

SDATA SEN SCLK

SRVDA TA

AGC

14 図6 PRMLリードチャンネルブロック図

(6/11)

② ③ ④ ⑤ ⑥

6b, 255Msps

ATN



15

7次イクイリップルフィルタ②の利得特性

10 1 .1 -60

-40

-20

0

20

Ga

in (

dB

)

frequency f/fc

Total Gain

BQ1

BQ2

BQ3

1st order LPF

図7 ７次イクイリップルローパスフィルタの利得特性

HD円盤の内周を読む

時と外周を読む時では線速度が異なる．

カットオフ周波数fcは

それに応じて、変更する必要がある．

Fc=60～110MHz

なお、このフィルタは高周波を扱うフィルタなのでgm-C形の回路で設計した．

２次BQを縦続接続してフィルタを作る．

(7/11)

ATN



16

43210

0

1

2

3

4

5

正規化周波数　(f/fc)fc

Total

LPF

BQ1 BQ2

BQ3

Gro

up D

ela

y ( n

s/

)

波形等化のアナログフィルタは群遅延が一定なことが必要．群遅延とは、各周波数成分毎の信号遅延時間を示す．群遅延がフラットなのは信号遅延時間が周波数に寄らないことを示し、従って波形が歪まない．イクイリップルフィルタは群遅延がフラット．

7次イクイリップルフィルタ②の群遅延特性

図8 ７次イクイリップルローパスフィルタの群遅延特性

(8/11)

ATN



17

PRMLチップ写真

4.8 x 5.2 mm2

Logic

Filter ADC

Read

PLL

Synth.

AGC

WPC

(9/11)

ATN



User

density

= 2.35

S/N S: Vo-p of an isolated Lorenzian pulse N: Vrms

Bit

Err

or

Rate

10-9

10-7

10-5

10-3

16.0 20.0 24.0 28.0

S/N (dB)

130 Mbps

160 Mbps

200 Mbps

240 Mbps

PR4 EPR4

SNRに対する実測ビットエラーレート

18

(10/11)

ATN



ハードディスク用PRML信号処理LSIのまとめ

19

(11/11)

1) ハードディスク信号処理では、磁気ディスク上に高密度に1, 0信号を記録する．

2) 従来のピークディテクト方式では記録密度があげられない．パーシャルレスポンスという、エッジの読み出し波形を複数の点で表す方式を用いて、高密度化する．

3) パーシャルレスポンスの波形等化により、磁気ディスク上で磁石のSN, NSが交代するエッジで発生するピーク波形が、3値で表現される．

4) 波形等化に使うフィルタは、アナログフィルタとデジタルフィルタの組合せ．

5) アナログフィルタでは、高域の雑音を除くと同時に、波形をひずませないよう、

遅延時間が周波数によらない群遅延一定のフィルタが必要．

6) このため、7次イクイリップル（アナログ）フィルタが用いられる．

7) アナログフィルタはバイクワッドセクションの縦続接続で実現される．

8) ハードディスク・PRMLリードチャンネルの性能： SNR=24dBで、

ビットエラーレートBER=10-8の性能が得られた．

ATN



20

アナ・デジ混在信号処理の一般化

通信路等

アナログフィルタ

デジタルフィルタ

デジタル信号処理

受信データ

VGA

可変ｹﾞｲﾝアンプ

ADC

ｻﾝﾌﾟﾘﾝｸﾞﾀｲﾐﾝｸﾞ抽出

VCO/ DCO等

設計ﾊﾟﾗﾒｰﾀ必要遮断特性次数ｶｯﾄｵﾌ周波数fc ﾌｨﾙﾀｰ形式

ｻﾝﾌﾟﾘﾝｸﾞ周波数fs （ﾅｲｷｽﾄ、Δ∑?) 分解能

必要遮断特性次数ｶｯﾄｵﾌ周波数fc ﾌｨﾙﾀｰ形式 FIR, IIR? ﾌｨﾙﾀｰﾋﾞｯﾄ幅

𝐻(𝑠)

連続時間伝達関数

𝐻(𝑧)

離散時間伝達関数

図ミックスドシグナル信号処理システムの一般的構成

ATN



21

デジタル・アナログフィルタのカバー領域

パッ

シブ

フィ

ルタ

ア

クテ

ィブ

フィ

ルタ

デ

ジタ

ルフ

ィル

タ

WLAN-RF 2.4GHz

5.8GHz

LC型ﾌｨﾙﾀ

使用周波数 (Hz)

無線周波数

ATN



22

2. Bluetooth送受信機の概略

2002年

ATN



23

2.1 Bluetoothとは

2.1.1 Bluetoothの送受信方式

2.1.2 周波数ホッピング・スプレッドスペクトラム通信

2.1.3 Bluetoothの送受信機の概略


2.2.1 VCO直接変調方式

2.2.2 ｶﾞｳｽﾌｨﾙﾀによる狭帯域化


2.3.1 受信復調方式（ローIF方式）

2.3.2 受信用チャンネル選択フィルタの設計

Bluetoothチップまとめ

目次(2)

ATN



24

2.1 Bluetoothとは

10世紀デンマーク

2代目デンマーク王：

ハラール青歯(Bluetooth)王

(940年頃～986年頃）

デンマークとスェーデン全土をキリスト教で征服.

(スカンジナビアの聖徳太子)

ATN



1) 2.4 GHz ISMﾊﾞﾝﾄﾞを使った無線通信システム

2) 周波数ホッピング

3) データレート： 1Mbps、近距離：10 m

4) 低消費電力、低価格なシステム構成

Bluetoothとは

25

ATN



26

FH/TDD

625 μs毎にキャリア周波数および送受を切り替え

Master

Slave

Tx Rx Tx Rx

Rx Tx Rx Tx

周波数切替

送信受信受信送信

625 μs

高速PLL必要＜ 220 μs

時間

2.1.1 Bluetoothの通信方式(1)

ATN



27

FH： Frequency Hopping

- デバイスID(48-bit)固有のhop-pattern

- 高速hopping: 1600-hop/s

T

周波数 (MHz) 2400

2402 2480 2483.5

R

T

T

R

R

T

時間

625 μs

1 Mbit/s

f0 +160 kHz -160 kHz

‘0’ ‘1’

隣接ch chスペクトル

-20 dBc@500k off

f0 -1MHz

2.1.2 Bluetooth通信方式(2)-ｽﾌﾟﾚｯﾄﾞｽﾍﾟｸﾄﾗﾑ

ATN



28

FSK: Frequency Shift Keying

GFSK: Gaussian Filtered

Frequency Shift Keying

ベースバンド

信号

変調信号

１１００１０

VCO

ベースバンド信号変調信号

ベースバンド

信号

変調信号

１１００１０

VCO


Gaussian Filter

0

-20

-40

-60

-80

-100

-120

0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

正規化周波数電

力ス

ペク

トル

密度

(d

B) FSK

GFSK

フィルタをかけて必要周波数

帯域幅を狭める

Bluetoothの通信方式(3)-ﾍﾞｰｽﾊﾞﾝﾄﾞ変調方式

ATN



29

2.1.3 Bluetooth送受信機の概略

ATN



30

Bluetooth用トランシーバIC

ADC

LNA PA

PLL

Logic

DAC

AGC

IRMIX VCO BPF

3.4 mm

3.3

mm

BPF

SW

AGC

VCO PLL

Gaussian Filter

Phase Shifter

IR MIX

*** Internal Clocks

f r

f LO

N

PA

LNA CH

Filter

DC Cancel

Correlator

ADC PLL

DEMOD

Loop Filter

I/O

DAC

Clock Generator

X ’ tal

BPF

SW

AGC

VCO PLL

Gaussian Filter

Phase Shifter

IR MIX

*** Internal Clocks

f r

f LO

N

PA

LNA CH

Filter

DC Cancel

Correlator

ADC PLL

DEMOD

Loop Filter

I/O

DAC

Clock Generator

X ’ tal

・Bluetooth送受信機：

デジタルで復調するアーキテクチャを採用。

デジタル信号処理でチャンネル選択フィルタを

実現して小面積化。

・13MHz, 6bit, 3.2mA パイプラインADCを開発。

ISSCC 2002 5.5 kokubo, matsuura et al.

IEICE 2004, Kokubo, et al.

ESSCIRC 2001 p544-547 Kudoh,

matsuura et al. (ADC部のみ）

0.35um BiCMOS

ATN



31

課題フィルターのチップ占有面積が大きい。

× Filter

MOD

送信部

Ref

受信部

PLL

TX DATA

RX DATA DEMOD

SW

LNA

IRMIX

VCO

Lo

Bluetoothトランシーバの構成

ATN



32

Bluetoothトランシーバの構成(2)

ATN



33

チップ面積の小さいBluetooth ICを開発

受信部

プリアンブル期間に高速収束するAGCを用いた

デジタル主体のﾁｬﾝﾈﾙ選択フィルタを用いる。

開発基本思想

変調度補正を用いた、

VCO(電圧制御発振器）直接変調方式。

送信部

ATN



34

トランシーバの設計要素

1) 送信部

できるだけ簡単な構成の送信部

（低消費電力化、小面積化）

2) 受信部

大きな面積を必要とするアナログﾍﾞｰｽﾊﾞﾝﾄﾞフィルタ対策

ADCが比較的小さく出来るなら、デジタルフィルタ化が有効

ATN



35


ATN



36

VCO直接変調方式

変調周波数の設計仕様 Δf = 160 ± 15 kHz

Δf = K × V(DAC) 変調感度変調DAC振幅

PA

送信 DATA

PLL

V(DAC)

K

変調 DAC

VCO

V(PLL)

fc ± Δf

fc ：キャリア周波数 2.4～2.48GHzで周波数ホッピング

送信 DATA

1 0 1 1

fc=2.4GHz

Δf=+160kHz

時間(s)

発振周波数(Hz)

Δf=-160kHz

変調周波数

2.2.1 VCO直接変調方式

ATN



37

C)L(C2

1ff

ΔπΔ

Vm

Vc

MOD

Vcc

fo

C

DC

1fc

f

M

M3

Δ

変調端子付LC-VCO

LC-VCO発振周波数

変調指数

fcfC

fM

Δ

Δ

変調度のfc依存変動

変調端子Vm付LC-VCO

変調端子

送信周波数

ATN



38

変調指数の変動を補正したDACによるVCO直接変調

VCO fr fTX

N

Loop Filter

PLL

Gaussian filter

DAC with compensation

I/O

Open/Close

Vc

Vm

開発した送信部

ATN



39

FSK: Frequency Shift Keying

GFSK: Gaussian Filtered

Frequency Shift Keying

ベースバンド

信号

変調信号

１１００１０

VCO


ベースバンド

信号

変調信号

１１００１０

VCO


Gaussian Filter

0

-20

-40

-60

-80

-100

-120

0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

正規化周波数電

力ス

ペク

トル

密度

(d

B) FSK

GFSK

フィルタをかけて必要周波数

帯域幅を狭める

2.2.2 ガウスフィルタを使った狭帯域化

ATN



40

4000 4050 4100 4150 4200 4250 4300 4350 4400-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

6.5MHz5bit近似ガウスフィルタDAC再生波形8倍サンプル

6.5MHz5bit近似ガウスフィルタ+アナログ２次バタワースフィルタ

ガウシアンフィルタ構成：デジタルFIR＋アナログLPF

デジタル

FIRフィルタ

アナログ

LPF DAC A点 B点

A点

B点

送信用ガウスフィルタ：デジタル+DAC+アナログ

6.5Msps 6.5Msps

1-bit

+1/-1

5-bit

時間

振幅

(V)

ATN



41

アナログLPF無し

アナログLPF有り

DAC後アナログLPFの効果

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 -120

-100

-80

-60

-40

-20

0

6.5MHz 5bit近似ガウスフィルタ DAC再生波形 8倍サンプル

6.5MHz5bit近似ガウスフィルタ+アナログ２次バタワースフィルタ

８倍オーバーサンプルDAC再生波形スペクトルとアナログフィルタ後スペクトル

6.5MHz

13MHz 19.5MHz 26MHz

8192点FFT

D/A変換器クロック 6.5MHzの高調波成分

作りたい信号成分

ATN



42

・フィルタを強くかけすぎると送信データのアイがつぶれる。

・アイが開き、かつスプリアスが小さくなる所へフィルタfcを設定する。

送信アイパターンのシミュレーション結果 f 0

+

16

0kH

z

-16

0kH

z

時間

ATN



43

・Bluetooth送信方式では、ガウスフィルタを使うことにより、

送信の周波数帯域を狭め、周波数利用効率を高めている。

・ガウスフィルタは、デジタルフィルタとD/A変換器で作られた

階段型の波形を、更にアナログフィルタで平滑化して作成する。

・これによりD/A変換器のクロック6.5MHzの高調波成分が

スプリアスとして発生し、送信スペクトルを汚すことを防止する。

・ただしアナログフィルタを強くかけすぎるとアイパターンが

つぶれるのでトレードオフとなる。

送信側フィルタのまとめ

ATN



44


ATN



45

BPF

AGC

IR MIX

LNA

Phase shifter

Lo

ADC

Q: 0.8

Ts<Preamble (4 μs)

DEMOD DC cancel

& correlator

I/O

RF

FIR: 33 taps

Channel selection filter

2.3.1 受信ブロック構成 (ローIF方式)

ATN



46

受信復調方式

ローIF方式

IF周波数を数MHzとした方式。IF周波数を数MHzにすることで、ADCを介してデジタル

処理することができ、IC化に適した方式の一つ。一方イメージ周波数をフィルタで除去

することができないため、イメージリジェクションミキサーが必要となる。

イメージ信号は希望波と同じ周波数に折り返され、Co-channel妨害波と同等の

振舞いとなる。必要なイメージリジェクション量は、イメージ信号のCI比が-9dBである

ことから、11dB(Co-channel信号のCI比）-(-9dB)=20dBと計算される。

BPF

Antenna

filter

VCOLNA

BPF Demod LPF

IF:数MHz

90°

45°

45°

ADC

AGC

2MHz

ATN



47

2.3.2 チャンネル選択フィルタの設計

ATN



48

開発基本思想

• チップ面積の小さいBluetooth ICを開発

受信部

– プリアンブル期間に高速収束するAGCを用いた

デジタル主体のﾁｬﾝﾈﾙ選択フィルタを用いる。

– 変調度補正を用いた、

VCO(電圧制御発振器）直接変調方式。

送信部

ATN



49

妨害波の除去

送信機１

送信機２

受信機１

受信機２

強い妨害波

弱い希望波

強い妨害波

弱い希望波

チャンネル選択フィルタの仕事は

隣接する妨害波を十分減衰させること。

受信フィルタ：チャンネル選択フィルタ

ATN



50

f0 +1M

+2M

+3M +4M -1M -2M -3M -4M

0dB

30dB

40dB

-15dB

-40dB -50dB

フィルタ減衰量

f0 +1M +2M +3M +4M -1M -2M -3M -4M

-15dB -10dB -15dB -10dB

フィルタ後の隣接チャンネル残留妨害波量

ミキサーでダウン

コンバージョンして

f0を2MHzに変換

している。

-2M -1M 0M +1M +2M +3M +4M +5M +6M 実周波数 (MHz)

電波ではf0は

2.40-2.48 GHz

マイナス

周波数は

イメージ

リジェクション

で減衰

Bluetoothの妨害波スペック

ATN



51

Analog

BPFlimiter Discriminator

limiter Discriminator

AGC

ADCDigital

BPF

Analog

BPF

１）全アナログフィルタ方式

２）アナログ・デジタル混在方式

2)の混在方式が、ADC要求精度が高すぎず、アナログフィルタも実現できる範囲なので、良い。

# 1)全ｱﾅﾛｸﾞﾌｨﾙﾀ 2)ｱﾅﾛｸﾞﾃﾞｼﾞﾀﾙ混在 3)ﾃﾞｼﾞﾀﾙ(+ｱﾝﾁｴﾘｱｽ)

1 1MHz 妨害波抑圧度 15dB 0 dB +15dB 0 dB +15 dB

2 2MHz 妨害波抑圧度 40dB 15 dB +25 dB 0 dB +40 dB

3 3MHz 妨害波抑圧度 50dB 25 dB +25 dB 0 dB +50 dB

4 ｱﾅﾛｸﾞフィルタ次数

（括弧内は必要な Q）

25 次以上

（7 以上）

5 次

（2.563）

4 次

（1.307）

5 ADC ビット数 ADC 不要６ビット１０ビット

6 判定 × ○ ×

３）全デジタルフィルタ方式

チャンネル選択フィルタの構成比較

ATN



52

HPF

w=0.25

LPF

w=1.4

HPF

w=0.1

HPF

w=0.25

HPF

w=0.25

LPF

w=1.4

LPF

w=1.4

-60.0

-50.0

-40.0

-30.0

-20.0

-10.0

0.0

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0

Frequency [MHz]

Gai

n [d

B]

fc -10%

fc +10% RC素子ばらつき

+/-10%による

特性変動幅あり。

スペック範囲

アナログBPFの構成と特性

2MHzのLow-IF信号

を通す

ATN



53

in

out+A

C1

R2R1

C2

in

out+A

C1

R2

R1

C2

22

2

)(

sQ

s

sH22

2

)(

sQ

s

ssH

11

22

21

12

22

11)1(

1

RC

RC

RC

RC

RC

RCA

Q

2121

1

RRCCw

22

11

21

12

11

22)1(

1

RC

RC

RC

RC

RC

RCA

Q

2121

1

RRCCw

LPFの構成 HPFの構成

伝達

関数

回路

構成

計算

式

アナログﾌｨﾙﾀ：アクテイブﾌｨﾙﾀの構成法

正帰還形回路（シャレンキー）

ATN



54

-60.0

-50.0

-40.0

-30.0

-20.0

-10.0

0.0

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0

Frequency [MHz]

Gai

n [d

B]

S

26次 FIR

FIR型フィルタ

デジタルフィルタの構成と特性

ATN



55

-60.0

-50.0

-40.0

-30.0

-20.0

-10.0

0.0

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0

Frequency [MHz]

Gai

n [d

B]

Total (-10%)

Total (+10%)

各妨害波の周波数で必要な減衰量を取ることができた。

スペック

ｱﾅﾛｸﾞﾌｨﾙﾀ＋ﾃﾞｼﾞﾀﾙﾌｨﾙﾀ合成の特性

2MHz

Low-IF

ATN



56

・受信フィルタの役目：隣接チャンネルの妨害波を減衰させる

チャンネル選択フィルタ。

・アナログフィルタはR,Cのプロセスばらつき+/-10%を考慮する必要がある。

（アナログフィルタだけで安定度の良い鋭いフィルタを作るのは難しい。）

・一方デジタルフィルタは必要な精度に設計できるが、デジタルだけで

チャンネル選択を行うと、A/D変換器に高分解能 (>10bit) が必要になる。

・アナログとデジタルフィルタの両方を使ってチャンネル選択フィルタを

実現することが望ましい。

受信フィルタのまとめ

ATN



57

Supply voltage

Current TX

RX

Actual sensitivity level

VCO phase noise at 3 MHz

Output power

2.7 V

35 mA

45 mA

-83 dBm

-127 dBc/Hz

+1 dBm

Frequency drift (5 packets) 20 kHz

Initial frequency offset 3.4 kHz

Eye-opening ratio 0.83

Interference performance -42 dB (> 3 MHz)

Modulation-index variation +/-1.8 %

Bluetoothチップ評価性能まとめ 2002年

ATN



58

3.4 mm

3.3

mm

RF

I/O

TX IF

Chip area comparison

IF R

F TX I/O

This work

Ref.5

Chip Photo

0 5 10 15 20 Chip area (mm2)

40%

ADC

LNA PA

PLL

DAC

AGC

IR MIX VCO

BPF IF

RF TX

I/O

Ref.5: ISSCC2001 13.4 N. Filiol

Bluetoothチップ面積の比較

ATN



59

小チップサイズ実現

低コスト実現

Bluetoothチップまとめ

・0.35mm-BiCMOSにて、小チップ面積のBluetooth RF-ICを開発した。

特徴は

・受信：高速収束するAGCと、6-bit ADCとで、デジタル主体のチャンネル

選択フィルターを実現した。

（アナログフィルタには簡単な妨害波除去の役割を持たせ、ADC分解能の

増加を防止 (10bit→6bit)）

これによりアナログ主体のフィルタを使うよりチップ面積が小さくなる。

・送信：変調感度変化の補正機能を開発することにより、

VCO直接変調方式送信回路を実現した。

・送信スペクトラム狭帯域化のためガウスフィルタを用いる。

デジタルFIRとアナログフィルタで実現。

ATN



60

3. AD/DA搭載マイコンとその応用

3.1 アナログ・デジタル処理の４分類

アナログ信号をA/D、D/A変換器でデジタル化する他に

中間的な処理はあるのか？

ATN



61

アナログ・ミックスドシグナルの４分類

連続時間離散時間

連続値

（連続

振幅）

領域１：連続時間アナログ回路

古典的アナログ: バイポーラが得意

領域２：離散時間アナログ回路

ｽｲｯﾁﾄﾞｷｬﾊﾟｼﾀ回路、ｻﾝﾌﾟﾘﾝｸﾞ回路

CMOSが得意

離散値

（離散

振幅）

領域３：時間領域アナログ回路

PWM回路、PDM回路、TDC等

領域４：デジタル信号処理回路

ATN



62

(領域3) 振幅離散・時間連続アナログ回路 (1/3)

PWM (Pulse Width Modulation) ：振幅２値

パワーエレクトロニクス

PWM技術・AudioクラスDアンプ

パワーエレクトロニクスでは、アナログの中間的な値を扱うことが

難しい(*)ためスイッチング回路（ON/OFF）が多用される． (*)電力効率が非常に悪くなるため．(A級だと25%以下)

on

on

ATN



63

デジタル(ON,OFF)制御は原理的にロスのない変換が可能

雑音（スパイク雑音）多いが、

効率は良い

雑音の無いクリーンな電圧だが、

効率は悪い

DC/DCコンバータ

ポーラー変調器等

理想的な効率100%近くが得られる．

スイッチング電源

(領域3) 振幅離散・時間連続アナログ回路 (3/3)

アナログレギュレータ

デジタルレギュレータ

ATN



Inverter

Shunt Res 5%

I shunt

SMPS

Vcc5%

Vref=Vcc/2

1%

1%

+

Reg

三相出力タイマ

MCU

AD Converter AD out

UNUP VP

CPU

VN WP WN

1%

OP-Amp

1%

Vcc AVcc

IW VW

IV

Motor

IU

U

64 １シャント電流検出方式

PWM駆動

インバータモータシステムハードウエア構成図

電流検出

駆動モータ電流を検出するセンサ(CT)が高価なため、家電用途を中心にOSCD(※)が広く適用されている

※ OSCD: One Shunt Current Detection

1本の電流検出抵抗によってモータ電流を検出する方法

AC100V

～

200V

ATN



65

3.2 AD/DA搭載マイコンと応用例

アナログ信号をA/D、D/A変換器でデジタル化して、

マイコンでソフトウエア的にデジタル処理を行なうシステム

（SoCではほとんどをハードウエア化するが）

ATN



66

６８１０１２１４１６１８～２４

分解能（ｂｉｔ）

逐次比較型

変換スピード

（Ｈｚ）

1G

1k

10M

100k

１00M

1M

10k

デルタシグマ型

フラッシュ型、フォールディング型

パイプライン型

サブレンジング型 SoC

MCU

RC700 40nm RV40F 240MHz RC600 90nm RC03F 120MHz

電力大

電力小

ADCの性能と変換方式 (MCU/SoC境界：数Msps)

RX

ATN



70

3.3 マイコンによる

モーター制御・電源制御の例

ATN



プロセッサを用いたモータ制御システムパワーエレクトロニクス

パワーエレクトロニクス用プロセッサを用いたPMモータの速度制御システム

71

永久磁石型同期電動機：回転子に永久磁石

従来の誘導モータに比べ損失の低減が可能．

パワーエレクトロニクスでは、出力側はミックスドシグナルの領域3(PWM)が使われる．

DACは使われない．

A/D変換器

PWM信号発生器

ATN



PWM（パルス幅変調）とは

Pulse Width Modulationは、パルス波のデューティ比(D)を変化させて信号を表現する変調方法．デューティ比(D)とは周期的なパルス波の周期(T)とパルス幅(τ) の比．

D＝ T τ D：デューティ比

T：パルス周期 τ：パルス幅

T

τ

τ

D=30%

D=50%

72

ATN



PWM発生回路

（１）PWM生成回路従来アナログ方式

方形波発振器

積分器

コンパレータオーディオアンプ

- +

オーディオ信号の PWM変換

（２）マイコンでは、パルス幅の調整はカウンタで可能マイコン方式

73

A

入力Aが高い

⇒

パルスの

H期間が長い

ATN



74

ｲﾝﾊﾞｰﾀ制御用PWM波形と出力正弦波のｲﾒｰｼﾞ

10MHzクロックを使えば

1/1000の精度でPWM幅を制御できる

ATN



モーター制御技術

PWM信号と電流の関係

PWM信号とAD変換のタイミング 75

モーターの電流は

インダクターＬに流れる

電流なので、スイッチを

オンオフしても値は

徐々に変化するのみ．

「インダクターLは電流を

保存する性質がある．」

スイッチングでも比較的

ゆっくりした変動になる．

デジタル電源などパワー

エレクトロニクスでは

インダクターを用いるので

同様．

ATN



三相電圧波形

発電所では50Hzないし60Hzの三相交流が発電されている．従来の誘導モータはその三相電圧が作り出す回転磁界でモータが駆動されており、50Hz, 60Hzの整数倍の回転周波数であった．

76

話は変わって

(1/3)

ATN



三相インバータ回路パワーエレクトロニクス

DC電源から、パワースイッチSu等を順次オンオフすることで任意の周波数の三相交流を作り出すことが出来、三相誘導モータを駆動することが出来る．周波数を可変に出来るので回転数も可変に出来る．

インバータ：直流を交流に変換する回路（装置）

77

(2/3)

ATN



三相インバータのPWM制御法(3)

パワーエレクトロニクス

三相インバータのPWM制御では、スイッチング周波数を基本周波数に対して十分高くする．三角波比較PWM制御図では指令電圧Vu*の周波数に対して三角波周波数を９倍にしているが、実際は、例えば60Hzの指令電圧Vu*に対して、三角波の周波数は12～18kHz程度が使われており、200～300倍程度．

78

(3/3)

ATN



DCサーボモータのモデル化と制御

参考文献[2]

DCサーボモータの等価回路

（制御の面から見るとすべてのモータは

DCサーボモータに帰着する．

モータの 1)電気子・電流制御（トルク制御）、

2) 速度制御、3) 位置制御、など自動制御に

必要とされるモータのモデル化：

つまり、等価回路を説明．

交流モータであるACサーボモータも

ベクトル制御を用いることで、等価回路は

DCサーボモータと同一に扱うことが出来る．）

aTq iKT

磁界中に電気子電流が流れると、電磁力が発生し、

それが回転力：トルクとなる．磁束をΦ、電気子電流をia

トルクをTqとすると、

Φは永久磁石の強さで決まる一定値で、トルクは

電気子電流に比例する．KTはトルク係数で、捲数、

有効長などで決まる定数．

DCサーボモータの原理的構成

フレミングの左手の法則 79

(1/6)

参考

ATN



参考文献[2]

DCサーボモータの等価回路 DCサーボモータの電気的等価回路

逆起電力EB

電気子捲き線が磁界の中で運動すると

電磁誘導により逆起電力EBが発生する．

回転速度をω[rad/s]とすると、

wTB KE

逆起電力は回転速度に比例する．

係数はトルク係数と同じ．

電気回路としての要素は、直流電源VD

電気子捲線の抵抗Ra, インダクタンスLa,

および逆起電力EBである．

)t(EV)t(iRdt

)t(diL BDaa

aa

DCサーボモータのモデル化

80

(2/6)

参考

[2] 永久磁石(PM)モータ制御の基礎と応用

～ﾊｲﾌﾞﾘｯﾄﾞ自動車/家庭電器製品/情報機器～、トリケップス 2006年3月 52,290円

ATN



参考文献[2]

モータと負荷機械

ある程度以上の大きさのモータ駆動系では、

機械的損失Dは無視できることが多い．

機械系の運動方程式

回転速度をω[rad/s]、

モータの慣性モーメントをJM

負荷のトルクをTL,

慣性モーメントをJL

軸受けの摩擦や空気抵抗などの

機械的損失をDとすると、

ただし、J=JM+JL

Lq TTDdt

dJ w

w


81

(3/6)

参考

ATN



参考文献[2]

・電源電圧と逆起電力の差電圧に対して

電気子電流が応答

モータの特性の式をまとめてラプラス変換すると、


)s(E)s(VRsL

1)s(I BD

aa

a

)()( sIKsT aTq ・電気子電流に比例したトルクTqが発生

)s(T)s(TDJs

1)s( Lq

・Tqと負荷トルクTLの差に対して速度が応答

)s(K)s(E TB ・速度に比例した逆起電力が発生

速度変化を考慮したモデル

以上から、DCサーボモータのブロック図として下記が得られる．

82

(4/6)

参考

ATN



参考文献[2]

DCサーボモータに、速度フィードバックを掛ける時の制御ブロック図を下記に示す．

DCサーボモータのモデル化と制御

速度フィードバック制御ブロック図

83

(5/6)

電流フィードバックループ

速度フィードバックループ

参考

簡単な制御では、電流フィードバックだけで回転トルクをコントロールする．

制御制御

ATN



ゲイン-周波数特性速度のステップﾟ応答

Ks小のステップ応答 Ks大のステップ応答

参考文献[2]

速度フィードバック制御の性能

84

前頁の制御モデルを用いて、(z変換を用いた)離散時間の制御系を作りモータを

コントロールする．下図はその性能の例である．

(6/6)

参考

ATN



85

3.3.2 マイコン制御デジタル電源の例

ATN



86

マイコン制御デジタル電源の例

ルネサス「デジタル電源分野向けRX62G新製品セミナー；デジタル電源の基礎 2011/11/24」から一部引用(7頁)させていただきました．

デジタル電源アナログ制御の演算回路とPWM回路を、デジタル回路で構成したものパワー回路（主回路）は、アナログ制御でもデジタル制御でも変わらない

(1/3)

ATN



87

デジタル電源のｼｽﾃﾑ構成：降圧DC-DCｺﾝﾊﾞｰﾀ (2/3)

ATN



88

演算回路のデジタル化手順 (3/3)

ATN



まとめ

89

1. アナログデジタル処理の4分類を示した．パワーエレクトロニクス関連では電圧方向には2値で時間方向に情報のあるPWMが良く使われる．

2. AD/DA搭載マイコンの応用では各種センサからの信号をA/D変換して、制御や情報処理に使う例が多い．

3. AD搭載マイコンによるモーターコントロールや、デジタル電源では、PWM情報で電源スイッチを高速にオンオフしてインダクターに流れる電流を制御し、モーターを動かしたり、電源の値を安定化する制御が行われている．

4. これら制御はソフトウエアで記述されているため仕様変更に対応しやすいなど各種のメリットがある．

AD/DA搭載マイコンとその応用

h30年度 群馬大学電気電子工学特別講義ii

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h30年度群馬大学電気電子工学特別講義ii