任意波形発生器を用いた低歪み信号発生技術の理論解析と実験検証

群馬大学

半導体理工学研究センター（ＳＴＡＲＣ）

安部文隆 〇澁谷将平 小林佑太朗 東野将史

佐々木秀 荒船拓也 小林春夫 小林修

1/45

電気学会電子回路研究会2015年1月22日於 高知

OUTLINE

• 研究背景と研究目的

• AWGを用いた低歪み信号の発生

• 位相差切り替え法の問題点とその対策

• 理論解析

• 実機による検証

• まとめ

2/45

OUTLINE

• 研究背景と研究目的

• AWGを用いた低歪み信号の発生

• 位相差切り替え法の問題点とその対策

• 理論解析

• 実機による検証

• まとめ

3/45

研究背景

テストコスト

製造コスト

• 製造コスト → 減少

• テストコスト → 増大

半導体産業において…

テストの低コスト化⇒ 製造全体での低コスト化

ADC (SoC内キーコンポーネント) に着目して検討する

4/45

何もしなければ

アナログデジタル変換回路（ＡＤＣ）

ADC

Analog Digitalinput output

時間・振幅連続信号 時間・振幅離散信号

ADCの非線形性

ADC

fundamental

HD3

HD2

freq.fin 2fin 3fin

Input spectrum Output spectrum

高調波ひずみの出現（HD2、HD3、…）

5/45

freq.fin 2fin 3fin

fundamental

AWGを用いたADC線形性テストシステム

AWG ADC

テスト信号生成

𝑍 = 𝑏1𝑌 + 𝑏3𝑌3

𝑌 = 𝑎1𝐷𝑖𝑛 + 𝑎3𝐷𝑖𝑛3

AWG: Arbitrary Waveform Generator

任意波形発生器

Freq.

AWG HD3+ADC HD3

基本波 HD3

ADC出力スペクトル

fin 3fin

• AWGを用いた正弦波生成

AWG内部の非線形性によるHD3

＋ADCの非線形性によるHD3

ADCテストで検出されるHD3が大 (over estimate)

6/45

ADC出荷試験での問題

Freq.

ADC HD3

Freq.

fundamental

ADC HD3fundamental

“出荷NG”

“出荷OK”

ADC線形性テスト

Freq.

AWG HD3+ADC HD3

基本波 HD3

従来手法テスト結果

fin 3fin

出荷試験を通らない良製品が多 (Overkill)

テスト精度 低 良品排除 大

7/45

研究目的

Freq.

AWG HD3+ADC HD3

基本波 HD3

従来手法テスト結果

fin 3finFreq.

Only ADC HD3

基本波HD3

提案手法テスト結果

fin 3fin

AWG内部DSPプログラム変更

安価なAWGでの高精度テストを可能にするアルゴリズム開発

理論解析、実機で検証

8/45

OUTLINE

• 研究背景と研究目的

• AWGを用いた低歪み信号の発生

• 位相差切り替え法の問題点とその対策

• 理論解析

• 実機による検証

• まとめ

9/45

AWGを用いた低歪み正弦波生成

AWG

DAC

CLK

DSP

X0 X1X0X1

Din

Din

𝜑 = 𝜑0 − 𝜑1

X0

X1

𝜑 = 𝜑0 − 𝜑1 = 𝜋/𝑁N次の高調波を打ち消す位相差φ

位相差𝜑の信号𝑋0, 𝑋1を1クロックごとに切り替え

• 𝐗𝟎 = A cos 2πfinnTs +φ0 …n:偶数

• 𝐗𝟏 = A cos 2πfinnTs + φ1 …n:奇数

• 位相差切り替えアルゴリズム

10/45

AWGを用いたHD3低減アルゴリズム

AWG

DAC

CLK

DSP

X0 X1X0X1

Din

Din

𝜋/3 = 𝜋/6 − (−𝜋/6)

X0

X1

11/45

3次高調波 (3rd order Harmonic Distortion: HD3) キャンセル

位相差は𝝅/𝟑

• 𝐗𝟎 = A cos 2πfinnTs + 𝜋/6 …n:偶数

• 𝐗𝟏 = A cos 2πfinnTs − 𝜋/6 …n:奇数

AWGを用いた直接正弦波生成

0

-50

-150

-100

-200

-300

-250

-400

-350

Po

wer[

dB

]

Normalized Frequency f/fs

0 0.1 0.3 0.4 0.50.2

fin

HD3

AWG

テスト信号発生器

𝐘 𝐧𝑻𝒔

AWG由来の

HD3が発生

12/45

直接正弦波生成アルゴリズムによるAWG出力信号スペクトラム

𝒀 𝒏𝑻𝒔 = 𝒂𝟏𝑫𝒊𝒏 + 𝒂𝟑𝑫𝒊𝒏𝟑

• AWG非線形モデル

モデル式を用いたシミュレーション結果

𝐷𝑖𝑛 = A cos 2πfinnTs

位相差切り替え手法シミュレーション

AWG

テスト信号発生器

𝐘 𝐧𝑻𝒔

0

-50

-150

-100

-200

-300

-250

-400

-350

Po

wer[

dB

]

Normalized Frequency f/fs

0 0.1 0.3 0.4 0.50.2

fin fs/2-fin

HD3キャンセルHD3をキャンセル

周波数fs/2付近にスプリアスが発生

13/45

𝒀 𝒏𝑻𝒔 = 𝒂𝟏𝑫𝒊𝒏 + 𝒂𝟑𝑫𝒊𝒏𝟑

• AWG出力非線形モデル 位相差切り替え信号AWG出力

スプリアス発生

位相差切り替え手法のHD3 低減の原理C

on

ven

tio

nal

Ph

ase S

wit

ch

ing

Θ = π/3 3Θ = π

3rd

ord

er

no

n-l

inear

syste

m

Ph

ase r

ota

tio

n b

y x

3

位相差がπの2つの信号は打ち消しあう

fundamental: fin 3rd harmonics: 3fin

14/45

OUTLINE

• 研究背景と研究目的

• AWGを用いた低歪み信号の発生

• 位相差切り替え法の問題点とその対策

• 理論解析

• 実機による検証

• まとめ

15/45

AWG直接正弦波生成法を用いたADC試験

AWG ADC

テスト信号発生器

出荷テストデバイス

𝐘 𝐧𝑻𝒔 𝐙 𝐧𝑻𝒔

0

-50

-150

-100

-200

-300

-250

-400

-350

Po

wer[

dB

]

Normalized Frequency f/fs0 0.1 0.3 0.4 0.50.2

fin

HD3

AWG、ADC

両方によるHD3が発生

16/45

𝑍 𝑛𝑇𝑠 = 𝑏1𝑌(𝑛𝑇𝑠) + 𝑏3𝑌(𝑛𝑇𝑠)3

• ADC出力非線形モデルAWG直接正弦波生成法による

ＡＤＣ出力

位相差切り替え信号の問題点

AWG ADC

テスト信号発生器

出荷テストデバイス

𝐘 𝐧𝑻𝒔 𝐙 𝐧𝑻𝒔

0

-50

-150

-100

-200

-300

-250

-400

-350

Po

wer[

dB

]

Normalized Frequency f/fs0 0.1 0.3 0.4 0.50.2

fin

HD3

fs/2-finAWG由来のHD3をキャンセル

周波数fs/2付近にスプリアス発生

ADC本来のHD3

までもキャンセル

17/45

位相差切り替え信号ADC出力

位相差切り替え信号の問題点の解決法

AWG

テスト信号発生器

𝐘 𝐧𝑻𝒔

HD3をキャンセル

周波数fs/2付近にスプリアスが発生

0

-50

-150

-100

-200

-300

-250

-400

-350

Po

wer[

dB

]

Normalized Frequency f/fs

0 0.1 0.3 0.4 0.50.2

fin

HD3

fs/2-fin

HD3キャンセル

LPF

LPFによるスプリアス低減が容易

18/45

LPF

位相差切り替え信号AWG出力

「位相差切り替え＋LPF」によるADC HD3検出

0

-50

-150

-100

-200

-300

-250

-400

-350

Po

wer[

dB

]

Normalized Frequency f/fs0 0.1 0.3 0.4 0.50.2

fin fs/2-fin

AWG ADC

テスト信号発生器

出荷テストデバイス

𝐘 𝐧𝑻𝒔𝐙 𝐧𝑻𝒔

LPF

周波数fs/2付近のスプリアスをLPFで低減

ADC本来のHD3が測定可

19/45

LPFで低減ADC 由来のHD3が出現

「位相差切り替え＋ＬＰＦ」でのADC出力パワースペクトル

位相差切り替え法でのLPFの効果

AWG ADC

テスト信号発生器

出荷テストデバイス

𝐘 𝐧𝑻𝒔 𝐙 𝐧𝑻𝒔

LPF

位相差切り替え、ＬＰＦ無

0

-50

-150

-100

-200

-300

-250

-400

-350

Po

wer[

dB

]

Normalized Frequency f/fs

0 0.1 0.3 0.4 0.50.2

fin

HD3

fs/2-fin 0

-50

-150

-100

-200

-300

-250

-400

-350

Po

wer[

dB

]

Normalized Frequency f/fs

0 0.1 0.3 0.4 0.50.2

fin

HD3

fs/2-fin

20/45

LPFで低減

HD3が出現

位相差切り替え、ＬＰＦ有

ADC出力パワースペクトル ADC出力パワースペクトル

OUTLINE

• 研究背景と研究目的

• AWGを用いた低歪み信号の発生

• 位相差切り替え法の問題点とその対策

• 理論解析

• 実機による検証

• まとめ

21/45

位相差切り替え手法の理論解析モデル式

＊位相差切り替え信号(DAC入力信号)

𝐷𝑖𝑛(𝑛) = 𝑋0 𝑛 = 𝐴 sin 2𝜋𝑓𝑖𝑛𝑛𝑇𝑠 + 𝜋 6 𝑛: 𝑒𝑣𝑒𝑛

𝑋1 𝑛 = 𝐴 sin 2𝜋𝑓𝑖𝑛𝑛𝑇𝑠 − 𝜋 6 𝑛: 𝑜𝑑𝑑

＊AWG出力信号＝テスト信号

＊ADC出力信号

Z n𝑇𝑠 = 𝑏1𝑌 𝑛𝑇𝑠 + 𝑏3{𝑌 𝑛𝑇𝑠)3

𝑌(𝑛𝑇𝑠) = 𝑎1𝑋0 𝑛 + 𝑎3{𝑋0 n) 3 𝑛: 𝑒𝑣𝑒𝑛

𝑎1𝑋1 𝑛 + 𝑎3{𝑋1 n) 3 𝑛: 𝑜𝑑𝑑

AWG ADC

テスト信号発生器

出荷テストデバイス

𝐘 𝐧𝑻𝒔 𝐙 𝐧𝑻𝒔

22/45

ただし𝐟𝐬 𝐀𝐖𝐆 = 𝐟𝐬(𝐀𝐃𝐂)

位相差切り替え手法AWG出力の理論式

DSP DAC

AWG

ADC

𝑌 = 𝑎1𝐷𝑖𝑛 + 𝑎3𝐷𝑖𝑛3

Z = 𝑏1𝑌 + 𝑏3𝑌3𝐷𝑖𝑛

𝑌(𝑛) 𝑍(𝑛)

• 位相差切り替え信号AWG出力

𝑌 𝑛𝑇𝑠 =3

2𝑎1𝐴 +

3

4𝑎3𝐴

3 sin(2𝜋𝑓𝑖𝑛𝑛𝑇𝑠)

+1

2𝑎1𝐴 +

3

4𝑎3𝐴

3 cos 2𝜋𝑓𝑠2− 𝑓𝑖𝑛 𝑛𝑇𝑠

−1

4𝑎3𝐴

3 cos(2𝜋𝑓𝑠2− 3𝑓𝑖𝑛 𝑛𝑇𝑠)

23/45

HD3成分を含まない

位相差切り替え手法ADC出力の理論式導出結果

ADC出力波形理論式

Z(n𝑇𝑠) = 𝑏1𝑃 + 𝑏3 3

4𝑃3 +

3

2𝑃𝑄2 +

3

2𝑃𝑅2 −

3

2𝑃𝑄𝑅 sin(2𝜋𝑓𝑖𝑛𝑛𝑇𝑠)

+ 𝑏3 −1

4𝑃3 +

3

2𝑃𝑄𝑅 sin(2𝜋3𝑓𝑖𝑛𝑛𝑇𝑠)

+ 𝑏1𝑄 + 𝑏3 3

4𝑄3 +

3

2𝑃2𝑄 −

3

4𝑃2𝑅 +

3

2𝑄𝑅2 cos 2𝜋

𝑓𝑠2− 𝑓𝑖𝑛 𝑛𝑇𝑠

+ 𝑏3 −3

4𝑃2𝑄 +

3

4𝑄2𝑅 cos 2𝜋

𝑓𝑠2

+ 𝑓𝑖𝑛 𝑛𝑇𝑠

+ 𝑏1𝑅 + 𝑏3 3

4𝑅3 −

3

4𝑃2𝑄 +

3

2𝑃2𝑅 +

3

2𝑄2𝑅 cos 2𝜋

𝑓𝑠2− 3𝑓𝑖𝑛 𝑛𝑇𝑠

+ 𝑏3 −3

4𝑃2𝑅 +

3

4𝑄𝑅2 cos 2𝜋

𝑓𝑠2− 5𝑓𝑖𝑛 𝑛𝑇𝑠

+3

4𝑏3𝑃𝑄

2 sin(2𝜋(𝑓𝑠 − 𝑓𝑖𝑛 )𝑛𝑇𝑠) + 𝑏3 −3

4𝑃𝑄2 +

3

2𝑃𝑄𝑅 sin(2𝜋(𝑓𝑠 − 3𝑓𝑖𝑛 )𝑛𝑇𝑠)

+ 𝑏3 3

4𝑃𝑅2 −

3

2𝑃𝑄𝑅 sin(2𝜋(𝑓𝑠 − 5𝑓𝑖𝑛 )𝑛𝑇𝑠) −

3

4𝑏3𝑃𝑅

2 sin(2𝜋(𝑓𝑠 − 7𝑓𝑖𝑛 )𝑛𝑇𝑠)

+1

4𝑏3𝑄

3 cos 2𝜋 3

2𝑓𝑠 − 3𝑓𝑖𝑛 𝑛𝑇𝑠 +

3

4𝑏3𝑄

2𝑅 cos 2𝜋 3

2𝑓𝑠 − 5𝑓𝑖𝑛 𝑛𝑇𝑠

+3

4𝑏3𝑄𝑅

2 cos 2𝜋 3

2𝑓𝑠 − 7𝑓𝑖𝑛 𝑛𝑇𝑠 +

1

4𝑏3𝑅

3 cos 2𝜋 3

2𝑓𝑠 − 9𝑓𝑖𝑛 𝑛𝑇𝑠

𝐏 ≡𝟑

𝟐𝒂𝟏𝑨 +

𝟑

𝟒𝒂𝟑𝑨

𝟑

(Y(nTs)式のfin成分の係数)

𝐐 ≡𝟏

𝟐𝒂𝟏𝑨+

𝟑

𝟒𝒂𝟑𝑨

𝟑

(Y(nTs)式の(fs/2－fin)成分の係数)

𝐑 ≡ −𝟏

𝟒𝒂𝟑𝑨

𝟑

(Y(nTs)式の(fs/2－3fin)成分の係数)

24/45

ADC出力でのHD3キャンセル理由の考察

位相差切り替え信号におけるHD3

HD3成分 ＋ 折り重なるエイリアシング成分

25/45

HD3

HD3に重畳するエイリアシング成分

= −Z−3finsin(2𝜋 ∙ 3𝑓𝑖𝑛 ∙ 𝑛𝑇𝑠)

𝑍 𝑛𝑇𝑠 = 𝑍𝑓𝑖𝑛 sin(2𝜋𝑓𝑖𝑛𝑛𝑇𝑠)

+ 𝑍3𝑓𝑖𝑛 sin(2𝜋 ∙ 3𝑓𝑖𝑛 ∙ 𝑛𝑇𝑠)

+ ⋯

+𝑍−𝑓𝑖𝑛 sin(2𝜋 𝑓𝑠 − 𝑓𝑖𝑛 𝑛𝑇𝑠)

+ 𝑍−3𝑓𝑖𝑛 sin(2𝜋 ∙ 𝑓𝑠 − 3𝑓𝑖𝑛 ∙ 𝑛𝑇𝑠)

+⋯

⋮

折り返し成分によるHD3のキャンセル

ADC出力の理論式三次高調波解析

𝑏3 −1

4𝑃3 +

3

2𝑃𝑄𝑅 sin 2𝜋3𝑓𝑖𝑛𝑛𝑇𝑠

𝑏3 −3

4𝑃𝑄2 +

3

2𝑃𝑄𝑅 sin 2𝜋 𝑓𝑠 − 3𝑓𝑖𝑛 𝑛𝑇𝑠

= −sin 2𝜋3𝑓𝑖𝑛

b3 −1

4𝑃3 +

3

2𝑃𝑄𝑅 − −

3

4𝑃𝑄2 +

3

2𝑃𝑄𝑅

= b3 −1

4∗

3

2

3

− −3

4∗

3

2∗

1

2

2

𝑎1𝐴 +3

4𝑎3𝐴

3

3

= 0

三次高調波の折り返し

三次高調波成分

足し合わせると

三次高調波がキャンセル

26/45

AWG出力理論式でのLPF効果の考慮

フィルタ

基本波

スプリアス

0 ≤ 𝛼, 𝛽 ≤ 1

DSP DAC

AWG

ADC

𝑌 = 𝑎1𝐷𝑖𝑛 + 𝑎3𝐷𝑖𝑛3 Z = 𝑏1𝑌 + 𝑏3𝑌

3𝐷𝑖𝑛

𝑌(𝑛) 𝑍(𝑛)

LPF

Spurious Cut α,β

27/45

LPFによる ADC HD3出現理由

𝑏3 −1

4𝑃3 +

3

2𝛼𝛽𝑃𝑄𝑅 sin 2𝜋3𝑓𝑖𝑛𝑛𝑇𝑠

𝑏3 −3

4𝛼2𝑃𝑄2 +

3

2𝛼𝛽𝑃𝑄𝑅 sin 2𝜋 𝑓𝑠 − 3𝑓𝑖𝑛 𝑛𝑇𝑠

b3 −1

4𝑃3 +

3

2𝛼𝛽𝑃𝑄𝑅 − −

3

4𝛼2𝑃𝑄2 +

3

2𝛼𝛽𝑃𝑄𝑅

= b3 −1

4∗

3

2

3

− 𝛼2 −3

4∗

3

2∗

1

2

2

𝑎1𝐴 +3

4𝑎3𝐴

3

3

= −𝑏33 3

8𝑎1𝐴 +

3

4𝑎3𝐴

3

3

1 − 𝛼2

三次高調波の折り返し

三次高調波成分

足し合わせると

スプリアス低減による3次成分の出現

28/45

「位相差切り替え+LPF」によるADC HD3測定誤差 29/45

fs/2-fin成分→1/10

HD3検出誤差→1%

OUTLINE

• 研究背景と研究目的

• AWGを用いた低歪み信号の発生

• 位相差切り替え法の問題点とその対策

• 理論解析

• 実機による検証

• まとめ

30/45

「位相差切り替え+LPF」によるADC HD3テストシステム 31/45

AWG LPF ADC

PC2オシロスコープ,

スペクトラムアナライザ

DUT

FFT

AD7356

output

..01011..

Agilent

33220A

ADI

AD7356

EVAL

CED1Z3.478261

MHz

CLK評価用ボード

デジタル出力

PC1

信号プログラムの生成

信号発生

スプリアス低減

ADC出力スペクトル取得

実験環境

信号発生AWG

33220A

ADC AD7356 (12bit)

6 samples

Device Under Test

Low Pass Filter

テスト信号プログラム生成用PC

信号解析用スペクトルアナライザ 信号解析用オシロスコープ

EVAL-CED1Z ,サンプリングクロック生成用

etc.

同相除去チョークコイル

ADC出力解析用PC

32/45

AWG出力波形の測定結果

直接正弦波生成法

Time [sec]

Vo

lta

ge

[V

]

Waveform

π/3

1.15V位相差切り替え手法

Time [sec]

Vo

lta

ge

[V

]

Waveform1V

33/45

𝑫𝒊𝒏 𝒏 = 𝑨 𝐬𝐢𝐧(𝟐 𝝅𝒇𝒊𝒏𝒏𝑻𝒔)

𝑫𝒊𝒏(𝒏)

= 𝟏. 𝟏𝟓𝑨 𝐬𝐢𝐧 𝟐𝝅𝒇𝒊𝒏𝒏𝑻𝒔 + 𝝅 𝟔 𝒏: 偶数

𝟏. 𝟏𝟓𝑨 𝐬𝐢𝐧 𝟐𝝅𝒇𝒊𝒏𝒏𝑻𝒔 − 𝝅 𝟔 𝒏: 奇数

AWG出力信号測定結果 HD3低減確認

fs/2-fin ：-0.91dBm

Frequency [kHz]

Po

wer

[dB

m]

Frequency [MHz]

3rd harmonic

Fundamental：9.0dBm

HD3：-78.2dBm

fs(AWG)−fin0

-30

-60

-90200 600 0 5 10

Frequency [kHz]

3rd harmonic

Po

wer

[dB

m]

fundamental：9.0dBm

HD3：-68.0dBm

Frequency [MHz]

3rd harmonic

Fundamental

：9.0dBm

HD3：-68.0dBm

fs(AWG)−fin

0

-30

-60

-90200 600 0 5 10

従来手法

位相差切り替え手法

34/45

fin

fs/2-fin

−10.2dBm

開発した いくつかのLPF

AWG LPF ADC

PCオシロスコープ,

スペクトラムアナライザ

DUT

FFT

AD7356

output..01011..

Agilent

33220A

ADI

AD7356

EVAL

CED1Z3.478261

MHz

CLK評価用ボード

デジタル出力

Design

Implementation

Evaluation

fc=2MHz fc=3.7MHzfc=2.7MHzfc=1MHzfc=1MHz fc=2MHz fc=2.7MHzfc=3.7MHzfc=250kHz

HD3の低減用＝ADC本来のHD3測定

fs/2-finのスプリアス低減用=ADCのHD3検出誤差測定

35/45

4th LCバタワースフィルタ5th LCバタワースフィルタ

開発したLPFによるスプリアス低減

AWG LPF ADC

PCオシロスコープ,

スペクトラムアナライザ

DUT

FFT

AD7356

output..01011..

Agilent

33220A

ADI

AD7356

EVAL

CED1Z3.478261

MHz

CLK評価用ボード

デジタル出力

Design

Implementation

Evaluation

36/45

Freq.

HD3＠600kHz

除去

基本波@ 200kHz

fs/2-fin

基本波@ 200kHz

Freq.fs/2-fin

位相差切り替えスプリアス@4.8MHz低減

4次 LC バタワースLPF

fc= 1MHz, 2MHz, 2.7MHz, 3.7MHzfc=250kHz

5次 LC バタワースLPF

開発したLPF特性の測定結果

fc=250kHz

fc=1MHz

fc=2MHz

fc=2.7MHz

fc=3.7MHz

- 17 dB@4.8MHz

- 30 dB@4.8MHz

- 54 dB@4.8MHz

- 8.0 dB@4.8MHz

- 40dB @ 600kHz

104

105

106

107

-100

-80

-60

-40

-20

0

Frequency[Hz]

Gain

[dB

]

HD3

Spurious

@~fs/2

37/45

AWG LPF ADC

PCオシロスコープ,

スペクトラムアナライザ

DUT

FFT

AD7356

output..01011..

Agilent

33220A

ADI

AD7356

EVAL

CED1Z3.478261

MHz

CLK評価用ボード

デジタル出力

Design

Implementation

Evaluation

ADC出力信号 HD3低減確認p

ow

er [

dB

Fs]

3rd

Frequency [MHz]

Conventional test signal(with 4th order LC Butterworth LPF @ fc=1MHz)

Frequency [MHz]

Po

wer

[d

BFs

] - 54dB

attenuationby LPF

3rd

Phase Switching test signal (with 4th order LC Butterworth LPF @ fc=1MHz)

38/45

HD3

: -88.5dBFs

基本波: -6.94dBFs

従来手法

HD3

: -92.6dBFs

基本波: -7.09dBFs

提案手法

-4.1dBFs

従来手法ADC出力（LPF:fc=1MHz挿入）

提案手法ADC出力（LPF:fc=1MHz挿入）

ADC出力信号スペクトル測定結果比較

Frequency [MHz]

po

wer

[dB

Fs

]

3rd

①+ ①-

従来信号LPFあり(fc=1MHz)

3rd

0 0.5 1.0 1.5 fs/2

0

-40

-80

-120

Frequency [MHz]

Po

wer

[dB

Fs

]

LPFあり位相差切り替え信号 (fc=1MHz)

②- ②+

LPF

- 54dB

3rd

0 0.5 1.0 1.5 fs/2

0

-40

-80

-120

Frequency [MHz]

Po

wer

[dB

Fs]

3rd

従来信号 LPFあり (fc=250kHz)

True ADC HD3

:-94.6dBFs

Cut the 3rd harmonics from AWG by LPF

0 0.5 1.0 1.5 fs/2

0

-40

-80

-120

ADC のHD3本来値: -94.6dBFs

従来手法測定HD3: -88.1dBFs

Error 6.8%

提案手法測定HD3: -92.6dBFs

Error 2.1%

39/45

fin:-6.94dBFs

HD3:-88.1dBFsfin:-7.09dBFs

HD3:-92.6dBFs

fin fin

fin

ADC出力HD3検出誤差測定結果（6サンプル)

0 20 40 60-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

fs/2-f

in Supurious Attenuation [dB]

AD

C H

D3 D

ete

cti

on E

rror

[%]

0 20 40 60-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

fs/2-f

in Supurious Attenuation [dB]

AD

C H

D3 D

ete

cti

on E

rror

[%]

0 20 40 60-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

fs/2-f

in Supurious Attenuation [dB]

AD

C H

D3 D

ete

cti

on E

rror

[%]

0 20 40 60-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

fs/2-f

in Supurious Attenuation [dB]

AD

C H

D3 D

ete

cti

on E

rror

[%]

0 20 40 60-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

fs/2-f

in Supurious Attenuation [dB]

AD

C H

D3 D

ete

cti

on E

rror

[%]

0 20 40 60-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

fs/2-f

in Supurious Attenuation [dB]

AD

C H

D3 D

ete

cti

on E

rror

[%]

従来手法 位相差切り替え手法

sample1 sample2 sample3

sample4 sample5 sample6

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ADC出力HD3測定結果誤差低減確認

0 20 40 60-2

0

2

4

6

8

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fs/2-f

in Supurious Attenuation [dB]

AD

C H

D3 D

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on E

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0 20 40 60-2

0

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fs/2-f

in Supurious Attenuation [dB]

AD

C H

D3 D

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0

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fs/2-f

in Supurious Attenuation [dB]

AD

C H

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fs/2-f

in Supurious Attenuation [dB]

AD

C H

D3 D

ete

cti

on E

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[%]

0 20 40 60-2

0

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fs/2-f

in Supurious Attenuation [dB]

AD

C H

D3 D

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0 20 40 60-2

0

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fs/2-f

in Supurious Attenuation [dB]

AD

C H

D3 D

ete

cti

on E

rror

[%]

従来手法 位相差切り替え手法

sample1 sample2 sample3

sample4 sample5 sample6

-6%

-4%-4%

-6%

-6%-6%

41/45

OUTLINE

• 研究背景と研究目的

• AWGを用いた低歪み信号の発生

• 位相差切り替え法の問題点とその対策

• 理論解析

• 実機による検証

• まとめ

42/45

まとめ 43/45

• 理論解析 AWG 位相差切り替え手法

- 低HD3 正弦波生成 ADCのHD3もキャンセルされてしまう

- 原因の解明- LPF で問題解決

• 実機による検証 ADC出力テストでのHD3検出誤差の半減

AWG で、プログラム変更＋簡単なＬＰＦ のみで低歪正弦波生成法の提案

今後の方針 44/45

• 3次以外の高調波歪みの低減アルゴリズム HD2低減 HD2とHD3の同時低減

• 今回の提案は低周波信号生成のみ

fs/2近傍周波数（高周波）信号生成のための位相差切り替え手法の利用検討

参考文献

1. 小林春夫, 山口隆弘「デジタルアシスト・アナログテスト技術」電子情報通信学会,集積回路研究会, 大阪(2010年７月)

２．小林春夫, ”ミクストシグナルSOC テスト容易化技術への挑戦”,SEMICON Japan 2010 SEMI テクノロジー・シンポジウムSTSテストセッション (2010 年12 月）

３．小林春夫, 新津葵一、高井伸和、山口隆弘,「デジタルアシスト・アナログＲＦテスト技術 -サブ100nm ミックストシグナルＳＯＣのテストの検討 -」電子情報通信学会総合大会、東京 (2011 年3 月）.

４．K. Wakabayashi, K. Kato, T. Yamada, O. Kobayashi, H. Kobayashi, F. Abe,

K. Niitsu, "Low-Distortion Sinewave Generation Method Using Arbitrary

Waveform Generation", Journal of Electronic Testing, vol.28, no. 5,

pp.641-651 (Oct.2012)

5. F.Abe, Y.Kobayashi, K. Sawada, K. Kato, O. Kobayashi, H. Kobayashi,

''Low-Distortion Signal Generation for ADC Testing'',

IEEE International Test Conference, Seattle, WA (Oct. 2014)

6. K. Kato, F. Abe, K. Wakabayashi, C. Gao, T. Yamada, H. Kobayashi,

O. Kobayashi, K. Niitsu, “Two-Tone Signal Generation for ADC Testing,”

IEICE Trans. on Electronics, vol.E96-C, no.6, pp.850-858 (June 2013).

45/45

質疑応答1 46/45

Q.1理論式結果（P29）のスプリアス低減→1/10に対して1%の測定誤差、実測→2~4%とその領域までいってない。何故か？

A.1理論式と違い、実測時はサンプリング周波数が違うためエイリアシングの影響がほとんどないためP.29のとおりにはならない。しかしAWG出力におけるHD3は低減されているため測定誤差は改善される。

Q2.この信号の場合、他の次数の高調波への影響が大きいのでは？また、HD3のみでは「低歪み」とは言えないのでは？

A.2.HD3以外のキャンセルはシミュレーション、数式で確認済み。HD3との同時での低減もシミュレーション、数式では確認済み。（参考文献[4]）

質疑応答2 47/45

Q.3.ハードの変更なしにプログラム変更のみでの実現という目的があるならばフィルタの設計、製造、挿入は負担にならないのか？

A.3.波形発生時のサンプリング周波数を大きくすれば、AWG

内部のアンチエイリアスフィルタによって高周波に存在するスプリアスは低減される。また、簡単なLPFでも容易にスプリアスは低減できるため設計は負担にならないと考える。