アナログLSI設計者育成のための新しい教育システム開発と授業・公開講座の実施

2017 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 17K01008
• Research Institution: Ariake National College of Technology
• Principal Investigator: 清水 暁生 有明工業高等専門学校, 創造工学科, 講師 (90609885)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 石川 洋平 有明工業高等専門学校, 創造工学科, 准教授 (50435476) ; 深井 澄夫 佐賀大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (30189906) ; 淡野 公一 宮崎大学, 工学部, 教授 (50260740) ; 中武 繁寿 北九州市立大学, 国際環境工学部, 教授 (10282831)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: アナログLSI / 演算増幅器 / CMOS / 反転授業

Outline of Annual Research Achievements

中高生を対象とした講座を実施に向けて，CMOS演算増幅器を試作・評価する専攻科2年生を対象とした半期の授業を実施した。回路設計および測定の時間を確保するために動画を用いた反転授業を活用して講義時間を短縮した。Webシステムを利用して事前に授業の予習をしておき，授業では理解度を確認するための演習や追加説明を行った。また，短期間で回路設計およびレイアウトを行うために，差動増幅回路やソース接地回路などの回路ブロックを予め用意した。学生はそれらの回路ブロックを接続して演算増幅器を完成させ，JEDAT社のα-SXを用いてシミュレーションおよびレイアウトを行った。phenitec社の0.6um標準CMOSプロセスで試作し，届いたチップを学生が測定した。測定時間を短縮するために，演算増幅器自動計測システムを利用した。このシステムでは，演算増幅器の測定に必要な装置と外部回路をプログラムに合わせて自動で切り替え，測定することができる。時間のかかる配線作業と装置の設定を省略でき，一人当たり30分程度で周波数特性と直流特性，過渡応答特性を評価することができた。
ソース接地回路よりも大きな電力を扱えるA級，B級，AB級バッファ回路も試作した。現在までに差動増幅回路とA級バッファを組み合わせた増幅回路の電気的特性を評価し，スピーカーにつないでオーディオアンプとして利用できることを確認した。また，8ビットD/A変換器も試作・評価した。今後は演算増幅器の試作だけでなくオーディオアンプやアナログフロントエンドを試作する授業を実施する。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

【アナログLSI設計講座（高専生）】当初の予定通り，本研究課題がスタートする前に専攻科2年生に対してアナログLSI設計に関する講義を実施できた。また，希望者に対してLSI設計講座を実施し，アナログLSI設計の基礎を教育した。
【市販LSIを用いた電子工作講座】本科2年生がオーディオアンプを製作した。それぞれの学生が形式の異なるアンプを製作し，音がどのように違うのかを確認した。また，Digilent社のAnalogDiscoveryだけでオーディオアンプの特性を評価できる環境を構築した。この測定システムはアナログLSI設計講座にそのまま転用できる。
【アナログLSI設計講座（中高生）】
中高生が簡単に設計できるようにiPDK（アナログ回路基本ブロック）をいくつか開発した。これにより，オーディオアンプやIoTのアナログフロントエンドで使用できる回路を中学生が設計できるようになる。また，反転授業とルーブリック評価を使用した教育システムを開発し，LSI検証システムを整備した。これらを合わせた教育システムを検証するために，専攻科2年生に対してCMOSオペアンプを試作する授業を実施した。
全体を通して遅れはなく，追加の検証まで行うことができた。

Strategy for Future Research Activity

平成29年度に開発したiPDKを用いてオーディオアンプ（CMOS集積回路）を試作・評価する専攻科2年生対象の授業を実施し，開発したiPDKを活用できるか検証する。さらに，設計できる回路の種類を増やすために，引き続きiPDKの開発を進める。

高校生にアナログLSI設計講座を受講してもらうために工業高校と話を進めているが，高校生の空き時間が少なく，授業として導入することは困難であることがわかった。そこで，小学生から高校生までを対象とした電子工作講座を実施し，子供たちが講座に参加するための環境を検証する。

Causes of Carryover

佐賀大学と宮崎大学で製作する予定だった集積回路を有明高専で一つにまとめて製作した。