フロントエンド回路の
定数設定について
（独）宇宙航空研究開発機構
宇宙科学研究所
池田 博一
平成23年2月1日
OSC/ASIC-WS @NIAS
1
はじめに
１）集積回路の設計を行う前提として
信号処理の方式を系統的に理解することが重要である。
２）そこで、荷電敏感型増幅器とCR-RC整形増幅器とからなる
信号処理系について回路定数の決定手法を議論する。
３）特に、可変利得方式、可変時定数の方式について詳しく
議論しようと思う。
４）最後に集積回路における実施例について紹介する。
平成23年2月1日
OSC/ASIC-WS @NIAS
2
CSAと整形増幅器（微分・積分）から構成される信号処理回路
Options
dc op point
transient
analysis
transient
output
C=0.1pF
C1
C=0.1pF
R=200Meg
Test pulse
R1
C=1pF
TP
N
CTP
MON1
C3
R=5Meg
C
MON2
R
C=1pF 2 R=0.5Meg 2
N
R3
P
P
Low Z,
Virtual gnd
Q=DV*CTP
Decay time (TD) = R1*C1
臨界減衰条件
Shaping time (TM） =R2*C2=R3*C3
Charge gain (GC) =C2/C1 Transfer gain =
Q*GC*{TD＊s/(1+TD*s)}*R3/(1+TM*s)2
Note: |(1+TM*s)2| = 2 @ s = jw = j/TM
平成23年2月1日
OSC/ASIC-WS @NIAS
分子にsがあることに注意
微分的波形が現れる？
3
ベースラインシフト
パイルアップ
平成23年2月1日
OSC/ASIC-WS @NIAS
4
Options
dc op point
transient
analysis
C=0.1pF
C1
C=0.1pF
R=200Meg
transient
output
R1
C=1pF
TP
N
MON1
R=5Meg
MON2
RPZ
R=19.5Meg
C=1pF
P
C3
C2
N
R3
R=0.5Meg
R2
P
ポールとゼロが相殺
そうさい
Transfer gain = Q*GC*{TD/(1+TD*s)}*{(1+(RPZ+R2)*C2*s)/(C2*RPZ)}*R3/(1+TM*s)2
ポール
ゼロ
If TD = (RPZ+R2)*C2
Then
Transfer gain = Q*GC{TD/(C2*RPZ)}*R3/(1+TM*s)2
~1
>1
平成23年2月1日
OSC/ASIC-WS @NIAS
5
ベースラインへの復帰
平成23年2月1日
OSC/ASIC-WS @NIAS
6
Options
dc op point
transient
analysis
transient
output
C=0.1pF
C1
C=0.1pF
R=200Meg
R1
C=1pF
TP
N
P
MON1
C3
R=5Meg
MON2
RPZ
R=20Meg
N
C=1pF
R3
P
C2
R2 = 0
Transfer gain = Q*GC{TD/(C2*RPZ)}*R3/(1+TM*s)2 ------ original config.
If R2 = 0 ----- this config.
Then
TD = C2*RPZ, and, hence,
Transfer gain = Q*GC*R3/(1+TM*s) → What is wrong with this configuration?
平成23年2月1日
OSC/ASIC-WS @NIAS
7
波高の決定が困難である。 それだけ？
平成23年2月1日
OSC/ASIC-WS @NIAS
8
電子雑音の観点
H(w) =GC{TD/(C2*RPZ)}*R3/(1+j*TM*w)2
|H(w)|2 = [GC{TD/(C2*RPZ)}*R3]2/(1+TM2*w2)2
w2* |H(w)|2
１) 2以上であることによってパワー積分が収束すること
が保証される。
２) 1次だと、 w2* |H(w)|2dfが発散してしまう。
３） 1/fノイズに対する積分 |w|* |H(w)|2dfもlogの発散を
示すことになる。
数学的な発散は、実回路において非実用的レベルの
過大な雑音に対応する。
平成23年2月1日
OSC/ASIC-WS @NIAS
9
相互依存性の分離
Options
dc op point
C1
transient
analysis
C=0.1pF
R
transient
output
3
R=5Meg
R=200Meg
C=0.2pF
MON1
N
RPZ
R=20Meg
C=1pF
P
C2
N
C3
R4
R=5Meg
P
C4
C=0.05pF
C=1pF
TP
R1
MON2
P
N
Transfer gain = Q*GC*R3/(1+TM*s)2
C1*R1=RPZ*C2
C3*R3=4C4*R4=2TM
平成23年2月1日
OSC/ASIC-WS @NIAS
10
PZC部に時定数TMを設けた回路
よりも若干波高が下がっている。
cf. Transfer gainの式を評価！
平成23年2月1日
OSC/ASIC-WS @NIAS
11
波高を変えないで、時定数TMのみ変更したいとき
Transfer gain = Q*GC*R3/(1+TM*s)2
時間領域に変換すると
(逆ラプラス変換)
Q*GC*R3*(1/TM)2*t*exp(-t/TM)
=Q*GC*(2/C3)*(t/TM)*exp(-t/TM)
そうすると、R3を動かせば、波高に影響を与えずに時定数を変える
ことができることが分かる。
C3*R3=4C4*R4を維持しながら、R3, R4を動かす
Options
dc op point
transient
analysis
C=0.1pF
R3
transient
output
R=200Meg
R=5Meg
C=0.2pF
MON1
N
MON2
R=20Meg
C=1pF
P
N
P
R4
R=5Meg
C=0.05pF
C=1pF
TP
P
N
C3, C4は固定
平成23年2月1日
OSC/ASIC-WS @NIAS
12
波高を変えないで、時定数TMのみ変更したいとき
もう一つの方法：R3,R4を固定してC3,C4をうごかす方式
波高を一定に保つためには、
1) GC/C3 = C1*(C2/C3)を固定する
2) RPZ*C2=TDを維持する
これら、二つの要件を満たさなければならない。
C3,C4, RPZ, C2を
連動させなければならない。
x*C3, x*C4
RPZ/x
Options
dc op point
transient
analysis
C=0.1pF
transient
output
R=200Meg
R=5Meg
C=0.2pF
MON1
N
P
MON2
R=20Meg
C=1pF
N
P
R=5Meg
C=0.05pF
C=1pF
TP
P
N
x*C2
平成23年2月1日
OSC/ASIC-WS @NIAS
13
時定数TMを変えないで、波高のみを変えたいとき
TDを維持する。
Options
x*C1
dc op point
transient
analysis
C=0.1pF
transient
output
R=200Meg
R=5Meg
C=0.2pF
MON1
N
P
MON2
R=20Meg
C=1pF
N
R=5Meg
P
C=0.05pF
C=1pF
TP
P
N
R1/x
平成23年2月1日
OSC/ASIC-WS @NIAS
14
時定数TMを変えないで、波高のみを変えたいとき
TDを維持しない。
x*C1
x*RPZ
Options
dc op point
transient
analysis
C=0.1pF
transient
output
R=200Meg
R=5Meg
C=0.2pF
MON1
N
P
MON2
R=20Meg
C=1pF
N
R=5Meg
P
R1固定
平成23年2月1日
OSC/ASIC-WS @NIAS
C=0.05pF
C=1pF
TP
P
N
C2固定
15
時定数TMを変えないで、波高を変えたいとき
TDを維持して、PZC回路で利得を変更する方式
RPZ/x
Options
dc op point
transient
analysis
C=0.1pF
transient
output
R=200Meg
R=5Meg
C=0.2pF
MON1
N
P
MON2
R=20Meg
C=1pF
N
R=5Meg
P
P
C=0.05pF
C=1pF
TP
N
x*C2
cf. WDAMP
平成23年2月1日
OSC/ASIC-WS @NIAS
16
実用回路での実施例
抵抗要素としての
可変トランスコンダクタ（電圧電流変換）回路
VDD
W=3u
L=3u
EX0
M=1
W=1.2uW=1.2u
L=0.8uL=0.8u
M=1
EX0
W=3u
L=3u
M=1
EX0
W=3u
L=3u
M=2
W=3u
L=0.4u
M=2
EX1
W=3u
L=0.4u
M=7
W=1.2u
L=0.8u
W=1.2u
L=0.8u
M=1
M=1
EX0 EX1
R=20K
R=２０K
VIN
分流比(N)
VL
M=8
W=1.2u
L=3u
VSS
M=8
W=1.2u
L=3u
VL D0
D1
D2
IOUT
IOUT
D3
M=1
W=3u
L=3u
M=1
W=1.2u
L=3u
M=10
W=1.2u
L=3u
VIN
VL
IOUT
EX1
VI1280KF
D3
VIN
W=3u
L=3u
M=1
M=7
ミラー比(M)
M=8
D2
M=8
EX1
M=2
M=1
W=3u
L=3u
D1
EX1 L=0W.=43uu
M=1
W=3u
L=3u
EX0
W=3u
L=0.4u
M=2
W=3u
L=3u
D0
W=3u
L=3u
DAC4C
IOUT
D3
VL
VL
DAC4C
D0
D1
D2
IOUT
D3
D0
D1
D2
1
1
1
1
D3
D2
D2
D1
D1
D0
D0
VL
VL
実効的にR*M*Nの抵抗として
働かせることができる。
D3
オフセットの調整用
平成23年2月1日
OSC/ASIC-WS @NIAS
17
PZC
cf. SA03
C1
C3
INSW1OUT
ON
EX3
C=0.04pF
R3
EX4 EX5
INSW1OUT
ON
EX2
AIN
ABUF
SHPR OUT
VH
TP
INSW1OUT
ON
TPENB
C=0.1pF
OUT
D1
EX0 EX1
GND1
PROUT
VDD
VL1
D3
D6
VL
C4
GND3
PRC
VL D0
VH1
IOUT
D2
D5
SLOW
VI320KIOUT
VIN
VL
VL3
AIN
VH
D1
D4
EX0 EX1
GND2
IN
Gnd
AIN
VI1280KF
VIN
VL D0
VL3
D3
EX4 EX5
C=1.6p
AOUT
VL
VL3
C=0.04pF
EX0 EX1
R4
C=0.4p
C=0.4p
C=0.08pF
MON1
INSW10
OUT
ON
SELECT
MON0
INSW10
OUT
ON
SELECT
VH3
W=3u
L=6u
M=1
2
1
OUT RF4P LKMON
D0 D1 D2 VH
D0 D1 D2
LKMON
VDD
W=1.2u
L=0.4u
VH2
C=0.08pF
M=1
GND1
W=1.2u
L=6u
W=1.2u
L=6u
M=1
R=1K
M=2
INSW1OUT
ON
EX2
W=1.2u
L=6u
INSW1OUT
ON
EX3
M=1
W=1.2u
L=6u
VGG
R1
平成23年2月1日
M=1
M=40
W=1.2u
L=6u
VSS
R3, R4によって
TMを動かす方式
TDを維持しながら、波高を動かす方式
OSC/ASIC-WS @NIAS
18
R3, R4は固定
cf. SA01/SA02
C2
C3,C4によってTMを
動かす方式
INSW1OUT
ON
EX5
C=0.4p
INSW1
OUT
ON
EX3
C=1.6p
AIN
ABUF
INSW1OUT
ON
EX4
IN
SHPR OUT
VH
VL
VL3
VH1
PROUT
VDD
VL1
M=1
MON1
INSW10
OUT
ON
SELECT
MON0
INSW10
OUT
ON
SELECT
2
1
OUT RF4P LKMON
D0 D1 D2 VH
D0 D1 D2
INSW1OUT
ON
EX5
INSW1OUT
ON
EX4
W=1.2u
L=6u
C=0.08pF
W=1.2u
L=6u
INSW1OUT
ONEX5
C4
W=1.2u
L=6u
M=1
M=2
INSW1OUT
ON
EX2
W=1.2u
L=6u
INSW1OUT
ON
EX3
M=1
W=1.2u
L=6u
M=1
M=40
W=1.2u
L=6u
VL
W=1.2u
L=0.4u
VSS
平成23年2月1日
D3
D6
Unity gain bufferが
不要であることに注目
VDD
M=1
R=1K
D2
D5
SLOW
VI320KIOUT
VIN
INSW1OUT
ON
EX4
LKMON
VH2
VGG
VH3
W=3u
L=6u
W=1.2u
L=6u
C=0.1pF
OUT
D1
EX0 EX1
M=80
INSW1OUT
ON
TPENB
PRC
VL D0
M=40
TP
AIN
VH
D1
D4
AOUT
Gnd
AIN
IOUT
VI1280KF
VIN
VL D0
VL3 D3
C=1.6p
VL
VL3
C=0.04pF
C=0.4p
C=0.8p
INSW1
OUT
ONEX2
INSW1OUT
ON
EX4
INSW1OUT
ON
EX5
C=0.4p
C=0.04pF
C=0.8p
C=3.2p
C=0.4p
C=0.08pF
C3
RPZ
OSC/ASIC-WS @NIAS
スイッチを連動させる
必要がある。
19
W=1.2u
L=6u
A01
4*C2
W=1.2u
L=6u
A04
GND
VH4
GND
VH4
16*C2
VH4
VH5
VH4
64*C2
VH4
VL5
VLADC
VLADC
VH5
VL5
RESTORE2
HOLDB
HOLDB
RESTORE
SELECT
ENBADC
HOLDB
HOLDB
VL5
VLADC
VTH
MON1
AOUT
MON1
VL6
ENBADC
AOUT
VTH
ENBADC
HOLDB
HOLDB
VH5
VL5
VL5
VLADC
VLADC
VTH
MON1
AOUT
MON1
VL6
ENBADC
AOUT
VTH
ENBADC
HOLDB
HOLDB
VH4
VL6
VH5
VL5
VLADC
VTH
MON1
ENBADC
D5
D6
D7
D0
D1
D2
D3
D8
D9
D10
D11
D0
D1
D2
D3
D12
D13
D14
D15
D0
D1
D2
D3
D16
D17
D18
D19
D0
D1
D2
D3
WIDTH
SEL01
WIDTH01
RESTORE
SELECT
WIDTH
SEL04
WIDTH04
RESTORE
RESTORE
SELECT
WIDTH
SEL16
WIDTH16
RESTORE
RESTORE
SELECT
WIDTH
SEL64
WIDTH64
RESTORE
VTH
AOUT
HOLDB
D4
RESTORE
整形増幅器D COMMON
M=64
W=1.2u
L=6u
AOUT
VTH
R=1K
VGG2
平成23年2月1日
ENBADC
AOUT
MON1
VL6
VL6
VH5
VL4
SHIN
GND
VTH
MON1
VLADC
VL4
VSS
ENBADC
整形増幅器C COMMON
GND
A64
VL6
VLADC
VL5
VL5
VL4
GND
VTH
VL6
VH5
VL4
SHIN
M=16
W=1.2u
L=6u
A16
VL6
ENBADC
整形増幅器B COMMON
VH4
GND
AOUT
VL6
VH5
VL4
SHIN
GND
C=64pF
RPZ/64
VLADC
VL4
C=16pF
RPZ/16
VL5
MON1
整形増幅器A COMMON
M=4
RPZ/4
VH5
VL4
C=4pF
From CSA
VL4
M=1
RPZ
SHIN
AOUT
C=1pF
VH4
MONOUT1
VL3
GND
VH5
C2
VL
VL4
ABUF2 AOUT
VH4
AIN
Gnd
C2によって利得を振り分ける方式
TDを維持するように設定
cf. WDAMP
OSC/ASIC-WS @NIAS
20
まとめ
１） CSAと整形増幅器とからなる信号処理回路の構成、および
２） その動特性を概観したあと
３） 可変TM，可変利得回路を実現するための筋道を示した。
４） さらに、CMOS集積回路における実施例を具体的に示した。
５） これらの回路方式は、OSCその他の回路開発において
具体的な適用実績を有しているものであり
６） 幅広い応用が可能であると考えられる。
平成23年2月1日
OSC/ASIC-WS @NIAS
21
以上
平成23年2月1日
OSC/ASIC-WS @NIAS
22
Backup（参考１）
もう一つのPZC方式
High Z
dc op point
transient
analysis
C=0.1pF
C1
PZC
R=200Meg
transient
output
R1
C=1pF
TP
N
P
MON1
C=1pF
R3
R=5Meg
C2
C=0.1pF
R=20Meg
RPZ
P
R=500K
Options
R2
512K
TD=C1*R1=C2*RPZ
TM=C2*(R2//RPZ)=C3*R3
R
R=500K4
MON2
N
C3
N
P
1に設定すれば既出の
式に一致する。
Transfer gain = Q*R1*(R2/(R2+RPZ)*(R3/R4)/(1+TM*s)2
= Q*GC*{(R2//RPZ)/R4}*R3/(1+TM*s)2
平成23年2月1日
OSC/ASIC-WS @NIAS
23
Backup（参考２）
平成23年2月1日
OSC/ASIC-WS @NIAS
24
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