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。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。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。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。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。rule)というアンプ技術です。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。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。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。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SONYTA-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。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。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。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。FET)という呼称で流通していたからなのです。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。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。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。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。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。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。Technology、MAXIM、そしてPhilipsの海外勢がほとんどでした。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。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。SHaping)方式というADC/DACがこれにあたります。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。Simulationでこの帯域外ノイズのSimulationが出来てしまいます。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。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。Brownの技術が入っているそうです。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。BESTのアンプでした。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。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。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。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。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。Simulationも出来るようになっています。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。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。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。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。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。Balance)が主体でしたたが、今や一部です。DomainのSimulationをしなくてはいけません。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。Analysis)が必要になってきます。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。Simulationの系でエネルギーが保存されなければいけません。Simulatorではエネルギーの保存は利きません。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。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。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。Managerを得て昨年独立。おめでとうございます。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。22:05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。弊社HPは以下URLになります。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。行く先を考える者として連載を楽しみにしております。16:08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。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。