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半導体と物理、アナログ回路とSpice Simulation -パイリサーチラボ柳氏

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半導体と物理、アナログ回路とSpice Simulation
第一回:日本におけるアナログ(技術&製品)について一言

 

 PI Research Labo(パイリサーチラボ) 代表  柳 孝裕

 

1. はじめに:


かつて日本がアナログ回路および製品が世界を席捲した時代があります。今思えば、本当に良い時代でした。
現在、薄型液晶、プラズマ、Blue Rayと興味ある製品がありますが、それ以上に日本製品が圧倒的な競争力で市場を独占した時代があります。その時代、次から次へと新しい技術を宣伝し、製品が出来てきて、またそれに消費者が飛びついて行くという、良い循環で市場がどんどん成長してきた時代でした。日本の高度成長を遂げた次期でもあります。まさにこれらは、Discreteの時代から半導体の時代を幕開けの時代で、この頃:1970年から1990年まで、AUDIO製品(アナログ製品)がその原動力となっていました。(TVやVTRではありません)
私は、約30年前、当時10歳の頃兄の影響で、JAZZを聴き、当時の一般家庭にはない高級AUDIOに囲まれて育ってきました。また自称AUDIOマニアを自負した私は、製品云々よりもカタログスペックや技術に非常に興味を持っていましたので、この頃の時代の流れは余計に記憶に焼き付いています。

 

2. アンプとの出会い


アナログと言えば、アンプがまず初めに思い浮かぶと思います。
私にとってアンプと言えば、当時のカタログを今でも思い出しますが、中でも印象的で必ず出てくるのが1980年当時のYAMAHAのアンプ技術のZDR(Zero Distortion rule)というアンプ技術です。当時のAUDIO用のアンプ技術では、NFB(Negative feedback)をかけるのが一般的で、NFBの欠点として高域の位相回転が問題となっており、各社FF(Feed Forward)技術等でこの問題を回避しようと躍起になってアンプの開発をしていきました。そして、ZDR何が興味深いかと言うと、出力の歪成分を取り出して、それを反転させて入力に加算するという極めてシンプルな回路で理論的には(これが問題なのですが)出力に現れる歪を0に出来るというものです。このアンプ技術は1981年のYAMAHAの資料(なぜか今も持っているのです)によるもので、現在も、LUXMANという会社がODNF(Only Distortion Negative Feedback)という同様な技術を使用して今もAUDIO用のアンプを世に送り出しています。
そして、この歪打ち消し技術=歪補償技術は現在の携帯電話や無線基地局には欠かせない技術の一つなのです。

 

1970年代当時、D-CLASSアンプという言葉がなかった時代ですが、PWMアンプという呼称で1977年SONY
TA-N88:AUDIOアンプを世に送り出していました。その後YAHAMAもX電源のB-6というPWMのアンプを出します。一方でその時代の海外製品はというと、目立った回路技術はなく、スタンダードな大きな電源回路を積み
重量級で、回路は普通のNFBアンプだけという製品ばかりで、日本製品の技術革新の勢いは本当に凄かったです。
今は、ほとんど高級AUDIOは海外勢に持っていかれて日本は、かつての栄華を取り戻すことは今後ともないでしょう。

 

では1970年?80年当時のAUDIOメーカを書いてみます。
『えー』というメーカもありますが、なるべく漏れの内容に記載します。

SONY(高級ブランド:ESPRIT),  TORIO (現:KENWOOD, 高級ブランドACCUPHASE),YAMAHA, 

Technics(現:Panasonic ), DIATONE, VICTOR,PIONEER (高級ブランド:Exclusive),  LUX(現:LUXMAN), Nakamichi,

OTTO( SANYO),  OPTONICA(SHARP), Aurex (TOSHIBA),Lo-D (HITACHI),  SANSUI,  Coral,  DENON,京セラ,  NEC,

 ONKYO(実は当時東芝グループ) AKAI,(順不同)でした。
すごい数のメーカが日本にあり、ある意味共存共栄が出来ていました。

 

3.半導体パワーデバイスSIT


その中でも、面白いのが、1970年代から自社の半導体製品を開発したメーカがあります。それは、YAMAHAです。
詳細は忘れましたが、旧東北大学の学長でした西澤さんの1950年に発明したSIT: Static Induction Transistor(静電誘導トランジスタ)を、国のプロジェクトかどうか忘れましたが、当時YAMAHAが開発&量産化に成功しました。
1974年YAMAHAのB-1というアンプにこれは搭載されて一躍有名になりましたが、これが西澤さんの発明したSITであるとは全く知られていませんでした。何故なら、世の中では、V-FET(Vertical- FET)という呼称で流通していたからなのです。余談ですが、pin-diode,APD(Avalanche photo Diode)を発明したのも西澤さんでした。
(YAMAHAでは1970年から半導体製品の重要性に気付き自社でアナログ、デジタルといろんな半導体製品を
出しているのは説明するまでもありません。)

 

4. ADC/DAC Mixed-Signal製品の登場


そして、1970年代?1980年代で最も大きな技術革新があります。これはCDの登場ですね。当時、PhilipsとSONYでいろいろと規格を詰められていた事はあまり公にはなりませんが実はS/P-DIFという光端子がCD,DVD playerやTVそして一部のPCに搭載されています。この先頭の2文字のS/Pは、SONY-Philipsという意味なのです。

 

そしてCDが出来てきAUDIO製品は初めてデジタル信号に出会います。ここで重要な製品と言えば、ADCとDACです。
音声信号は、アナログ、記録データはデジタルなので双方のData Converterが必要になります。当時は、逐次比較のADC、DACで行われていましたが、日本にはこのADC/DACを設計する技術がありませんでした。
(VTRを使用したPCMの製品がありましたが、その時代は短かったのでここでは割愛します)
一方日本では、1980年後半?は、DRAMとマイコン言われるぐらいメモリに注力していました。DRAMは、三菱、沖電気、NEC、日立、東芝、富士通と名立たる半導体メーカが製造し世界シェアのほとんどを日本が握っていました。

 

では、この時のADC/DACはどうだったでしょうか?
ほとんどがBurr Brown(現:TI)、ADI、Linear Technology、MAXIM、そしてPhilipsの海外勢がほとんどでした。
私がADCを設計していた当時、リファレンスの電圧生成にBurr BrownのDAC(レーザトリミングされたCustom品)がよく使われていました。また技術を盗むべく、比較検討で優れたADC/DACは分解してレイアウトを読んだものでした。

 

しかしながら日本は、逐次比較のADC/DACでは、遅れを取りましたが、次世代のADC/DACの技術では、巻き返しをしてきます、NTT?松下の共同開発でMASH(MultiStage noise SHaping)方式というADC/DACがこれにあたります。これはΔΣの亜種とも言えるもので、これは松下のCD PlayerやDAC内蔵のアンプに搭載されました。当時のΔΣのDAC(記録よりも再生がほとんどなのでADCは省略)やMASHは、音質面で評価されましたが実は、ノイズが多いと言われていました。(時代は1990年前後です)このノイズの正体は?といえば、今は当たり前なのですが、帯域外ノイズと呼ばれるものでオーバーサンプリングDACの宿命で必ず問題となる物でした。
※しかし、今ではSpice Simulationでこの帯域外ノイズのSimulationが出来てしまいます。良い時代ですね。

 

当時、測定技術は未熟、回路Simulationは皆無の状態で、PCでBASICなプログラムで量子化ノイズを計算するぐらいしか出来ませんでした。しかしながら、自社でEDAツールを開発出来ないメーカは、これのような手法を使っていました。

 

余談:
松下といえばSONYなのですが、SONYでは、巷の噂では井深大さんがBurr Brown日本法人の人と非常に仲が良かったせいか技術交流が盛んに行われ、自社のADC/DACにはかなりのBurr Brownの技術が入っているそうです。
そして今もS-masterと言われるD-Classアンプの信号処理技術はTIの設計者が入って設計されているのは、これもあまり知られていません。

 

5. 技術の元


で話は戻って、ここでΔΣという変調方式誰が考えたのでしょう?実は、歴史が古く、1962年に安田靖彦(現:早稲田大学教授)によって発表されています。残念ながらΔΣ変調の技術は日本で生まれましたが、現在の製品でいうと海外に圧倒的に負けています。国内でΔΣADC/DACおよび関連製品を自社技術で製造しているのは、YAMAHA、旭化成エレクトロニクス、セイコーNPC(旧日本プレシジョンサーキット)、SHARPぐらいですね。ほとんどのメーカは、他社のIPを使い製造しています。このΔΣの設計、非常に広範囲な知識が必要になるから、内部の個々設計は難しくはないですが、システム全体の設計が非常に難しいのです。今の日本の設計、いわゆる水平分業では、なかなか設計者が育ちにくいので難しいかもしれません。ただ、アナログ設計技術に焦点を当ててみると、実はその広範囲の知識が必要と言いましたが、デジタルフィルタの設計以外に、あまり技術範囲にあまり変わりがない事に気付きます。実は、アナログ回路の設計(特に低周波)の世界ではあまり使わない知識が多いからです。従来のアナログ設計者はナイキスト図をかける人何人いるでしょう?おそらく1割もいないと思います。それだけ、特に半導体のアナログ設計者は狭い知識で仕事をしてきたからでサラリーマン的な設計者が多いからです。

 

話は設計の話に戻りますが、私自信がΔΣのADC/DACの設計をし始めた頃、書物があまりなく、数々のΔΣADC/DACを分解しレイアウトを読みました。いろいろ調べ日経BP発行の湯川彰著の『オーバーサンプリングAD変換技術』を手に入れました。(今は絶版となっているみたいです)この書物は、今となっては古いですが、ΔΣADC/DACについて、体系的に書かれておりお勧めです。湯川さんと言えば、当時NECの方で晩年は事業部長を歴任されて今は、台湾の会社の顧問と教育に携わっています。私自身は、湯川さんと接点はないですが、6年前NEC時代の湯川さんの同期の方と仕事する機会を持ったり、5年前に湯川さんのいた半導体事業部の設計したアナログICの改良する為のコンサルティングで間接的な接点を持っておりました。


話脱線しましたが、海外では、アナログ設計者は、一人1製品で開発、製造されていきます。日本の今の環境では、残念ながらベンチャーや一部の研究所以外ではこれは不可能です。では、どうしたらいいのでしょう?
やはり、個人で勉強するしかありません。晩年、設計業務以外に技術サポートやコンサルティングを通して感じているのが、勉強不足、特に物理の基礎学力不足が感じられます。

 

6. 無線通信技術


6年前、USのベンチャーと仕事する機会がありました。その会社はTelASICと言い、RaytheonからSpin-outした会社で軍事技術ベースの無線通信技術を持った会社でした。(ICBMやPatriotミサイルの慣性航行技術および通信技術のSpecialist集団でした。今となっては当たり前のDPD(Digital Pre-Distortion)の技術と高速ADCを使った、SDR(software defined Radio)というhardwareは変えずにソフトであらゆる無線に対応する技術を持った会社でした。
当時、客先にこの技術を売り込みに行くと、RF設計の人たちは、まったく話が理解出来てなかったという強烈な印象があります。当時、国内の2社が自社でDPDを開発していましたが、DPDを設計するのはDigitalの設計部隊でRFの設計者は、中身全く知りませんという状態で全然話にならなかったのを覚えています。既にADCを使ったアンダーサンプリングという手法は使用されていましたが、ADCに対するスペックは全く持って理解してなかったのを覚えています。この技術の大元は、ダイレクトコンバージョンから来ているのは言うまでもないですがアナログデバイスと三菱電機が2000年にW-CDMA向けのRFチップに採用したのが最初で、このようなアプリケーションでのADCでは、SFDR(spurious free dynamic range)が重要になります。ナイキストサンプリングではないからです。DDC(Digital Direct Conversion)が普及しているにも関わらず、当時のRFの設計者でさえこんな状態でした。

 

W-CDMAが普及してきて、もうひとつの変化は基地局側で使われるPAのデバイスです。最初は、GaAsのBJTでしたが、LDMOS(CMOS)が使われ始め、今はGaN+FETがデバイスの主役になっています。地上波デジタルも同様で、現在の主流はLDMOSです。理由は、デジタル変調波はpeak成分が多く、またアンプには高い直線性を求める為、より低いIM3とACPR(ACLR)を求められます。Bipolarですと、どうしてもIM3の歪がLDMOSに比べて顕著な問題となり、後にGaAsでBJTは消えていく運命にありました。現在無線基地局には、ほとんど使われていません。

 

7. AUDIOアンプに戻って

 

この話題になると、どうしても30年前のAUDIOをどうしても思い出してしまいます。30年前HITACHIはパワーデバイスとしてのPower MOSを開発に成功し製品化して、まずLo-DブランドのHMA-9500というアンプに搭載しました。完全ComplementaryのPcn,Nchを使用したアンプで今でもオークションでは高値で取引されています。何がこのアンプの凄いのかと言いますと、当時A級動作かB級かとアンプの方式でいろいろ技術が発表されていましたが、あえてシンプルな2段増幅回路+NFBで構成されていることです。OP-ampの設計者なら2段と言えば、初段:差動増幅、終段:シングルエンドの2段増幅回路を想像するとかと思います。まさにアナログでは定石の余計な事を一切介しないSimple is the BESTのアンプでした。
またHitachi今はRenesasになりましたが、半導体デバイスから製品まで一貫で設計・製造出来た良い時代でした。

 

8. 技術と道具(ツール)を使いこなす


話はいったり来たりしますが、今の基地局で使われている高効率のアンプ技術、Dohertyアンプというのがあるのですが、これは、1932年のW.H.Doheryさんがアンプの高効率化する為に考えたアンプ技術です。
この時代ですのでデバイスは真空管ですが、確か当初UHF帯の無線アンプに使われていたと記憶しています。
これは、簡単に書くと小出力のアンプと大出力のアンプを二つ用いています。技術を書くとページ数が増えるので
知りたい方はUSの特許検索のWeb(http://www.uspto.gov/patents/process/search/index.jsp#heading-1)でどうぞ。現在、こんな古い技術が使われているのです。

 

と過去と現在のアンプ技術やうんちくに関していろいろ広く浅く書きましたが、設計者として今の世の中どう乗り切るか!これが重要ですね。

 

基礎学力も必要なのですが、実際は、設計技術やEDAツールを初めとする道具(ツール)を使いこなす技術も必要です。なので、いろんな所で設計技術を学ぶ為のアナログ技術講座なるものがあります。さて、実際にそういう講座受けるとどうなるか?言わずと知れています。子供が塾に通うのと同じです、結局本人の自主努力が必要なのです。時間が限られているエンジニアの人が通年出席は難しいと思います。それならば、試作をいくつかして評価、測定した方が良いかも知れません。残念ながら、設計教育と名がつくものはたくさんありますが、設計に必要な道具の使い方の講座はほとんどないです。

 

道具としてのSimulatorですが、Simulatorはいろんな事を教えてくれます。またSimulationの名のとおり仮想的にどんな条件も解が求まる限り(収束する限り)いろいろな条件を再現できます。
今や、ノイズのSimulationや音声を信号源にしたSpice Simulationも出来るようになっています。
きっと将来は、画像データを入力して精度の良いSimulationが可能になるでしょう。
(実は、一部のツールでは、既にSimulationでFPDの表示画像の評価が出来るものもあります。)

話、脱線しがちですが、Simulationは、使い手が設定した条件の結果を返してきます。
つまり、言い換えれば、使い手が変われば設定条件が変わり、結果が変わるものなのです。


しかしながら、それを使うのは設計者であり、間違った結果を判断するのも、設計者と責任を負わないといけません。さらに、今や半導体のアンプの設計が、手計算で出来る時代は終わっています。MMICの設計ばかりしていた人がCMOSのRFの設計をしなければいけない時代。また逆もそうで、CMOSの設計していた人がRFの設計をしなければいけない。ツールはかなり進歩して来ていまして、その分設計者も進歩しなければいけません。

 

RFの設計ではHB(Harmonic Balance)が主体でしたたが、今や一部です。デジタル変調波を取り扱うようになってTime DomainのSimulationをしなくてはいけません。また、SCF(switched Capacitor filter)やスイッチング回路が入ってくると今度はHBが使えません。PSS(periodic steady Analysis)が必要になってきます。また、従来time domainでしかSimulationしてなかった高速伝送の世界でも10Gを超える信号をSimulationしようとすると、RFのSimulation知識が必要になってきます。S-parameterや信号の損失、反射等いろいろと影響をSimulationで見なくてはいけません。ここで重要なのが、伝達関数やエネルギー保存の概念です。送信パワーが1で出力が1を超えることはありません。つまりSimulationの系でエネルギーが保存されなければいけません。残念ながらほとんどのSpice Simulatorではエネルギーの保存は利きません。こういった内容を知っている設計者は何人いるでしょう?

 

是非、HDLABで開催のSpice Simulationの講座に来てください
Spiceでの問題を解決する糸口を見つけることが出来るはずです。

 

HDLABで開催するSpice Simulationの講座は、現在、Spice Simulation初級講座とSpice Simulation中級講座に分かれまして初級では、一般的なSpiceの記述のマスターを目指し、そして収束しなかった時の対処方法や、精度の上げ方等より実践的な内容をご紹介します。中級講座では、RF-CMOSで必須なHB法、PSSの解析手法、そしてノイズの解析等を増幅回路の例題を通して学習していきます。

 

Spice Simulation初級講座:
http://www.hdlab.co.jp/web/a010education/b018trainingexpt/0025spicesimulation.php
Spice Simulation中級講座:
http://www.hdlab.co.jp/web/a010education/b018trainingexpt/0075spicet.php


おそらく他では、このような講座はされてないのでは?と思います。
基礎学力の不足部分も補えればと思っておりますので、是非是非受講してください。


次回予告:
第二回:アナログ設計と芸術(予定)
第三回:アナログ設計と物理(予定)

です。

 

Reference:

http://www.yamaha.co.jp/product/lsi/etprise/
http://www.gimix-web.jp/slabo/hikari/nisizawa.html
http://www.luxman.co.jp/product/pa_m800a.html#03

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著者プロフィール:

 

 PI Research Labo(パイリサーチラボ) 代表  柳 孝裕(やなぎ たかひろ)

 

年齢:43歳 牡牛座 AB型 大学:理工学部 物理学科 専攻:一般相対論と宇宙論 Einstein方程式の厳密解の解法


大手自動車メーカにて:メモリ回路の高速化研究、高速ADCの開発、ADC/DAC評価&Simulation技術を開発や半導体でない部分では、F1のEMSの開発、電子スロットルの開発


外資系メーカおよびにて:ΔΣADC、高精度電源回路、FPDの3次元高精度モデリングおよび抽出、
センサー系のモデリング、SDR(UMTS,WiFi)/DPDのProject Management、1bit ΔΣD-ClassアンプProject 責任者、Noise Simulation技術の開発(Spice )、jitter分離法の研究

 

M2M(UMTS/GSM) Project Managerを得て昨年独立。


尊敬する人:レオナルドダヴィンチとアインシュタイン 趣味:オーディオ、音楽、写真、天体観測、物理学
夢:大学に戻って物理学の研究

コメント(4)

柳様
連載第一回目おめでとうございます。
大変興味深く読ませて頂ました。
次回からの記事も楽しみしています。

高橋一夫様
コメントありがとうございます。
第1回目なので、ラフに書いてしまいましたが
2回目以降は本来の真面目な執筆をしたいと思います。

尚、弊社HPは以下URLになります。

URL:http://www.pi-rlabo.com/jp/HOME.html

柳様

連載おめでとうございます。
同じトレース(趣味を含め)もつ者として
興味深く読ませて頂きました。
また SPICE simulation の行く先を
考える者として連載を楽しみにしております。

小澤様

コメントありがとうございます。
2回目既に準備中で、来週には書きあがると思います。
2回目以降の記事、真面目に技術情報として役立つ内容を目指しますので、
これからもご意見よろしくお願いいたします。

また、趣味においてもいろいろと情報交換これからもろしくお願いいたします。

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