整数論を用いたアナログ・デジタル混載集積回路構成の研究

2022 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 21K04190
• 研究機関: 群馬大学
• 研究代表者: 小林 春夫 群馬大学, 大学院理工学府, 教授 (20292625)
• 研究分担者: 桑名 杏奈 群馬大学, 大学院理工学府, 助教 (00624628)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: AD変換器 / DA変換器 / 時間デジタイザ回路 / 整数論 / ダイナミックマッチング / AD変換器の評価技術 / 非同期逐次比較AD変換器 / 緩和DA変換器

研究実績の概要

(1)緩和DA変換器で正電圧出力のRC低域フィルタをCR広域低域フィルタに置き換えることで正負の両方の極性を出力できる方式を、2進数の2の補数表現の考察から導出した。(2) ユナリ型DA変換器での2次元レイアウト配列の単位セル特性のシステマテックミスマッチの影響を軽減し、スプリアスを低減するための　魔方陣・ラテン方陣・ナイトツアー等の2次元疑似乱数アルゴリズムを適用して効果をシミュレーション検証した。(3) 多角数定理、素数のゴールドバッファ予想に基づくDA変換器構成を考案し、アナログ回路部、デコーダ回路の設計を行い、また素子特性のミスマッチの影響を低減するためのダイナミックマッチング法を考案し、論文にまとめて投稿・掲載された。(4) ユナリ型DA変換器での1次元レイアウト配列の単位セル特性のシステマテックミスマッチの影響を軽減し、スプリアスを低減する回路を小規模で実現する仮想3次元ミスマッチスクランブルリング方式を考案し、シミュレーション検証を行った。(5) ユナリDA変換器での単位セルを並び替え線形性を向上させるアルゴリズムを開発した。(6) 改良ホップフィールド回路網を用い、抵抗をスイッチドキャパシタ回路で置き換えることで小チップ面積で実現できる高速非同期逐次比較近似AD変換器を考案し、シミュレーション検証った。(7) 貴金属比サンプリング技術を開発し、時間デジタイザ回路の線形性自己校正技術、AD変換器のヒストグラム法による評価技術への応用を行い、それぞれ論文を投稿し掲載された。(8) グレイコード出力折り返し型AD変換器を電荷領域構成で容易に実現できる構成を考案した。またその応用としてマルチビット拡張レズリー・サイ型デルタシグマAD変調器を考案し、その性質を明確にした。これらをそれぞれ論文発表を行った。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

当初予定していたより多い博士後期課程学生4名、博士前期課程学生4名、学部4年生1名がこの研究テーマに加わった。そのため彼ら/彼女らの博士論文、修士論文、学士論文の作成のため外部と共同研究を行い、その結果この研究に関与した研究者が増えたため、予定より大きな成果を達成することができた。

今後の研究の推進方策

AD変換器、DA変換器、時間デジタイザ回路に冗長性をもたせることで、一部回路が誤動作した場合でもそれを全体としてリカバーでき正しい最終出力値を得ることができるデジタル誤差補正技術を整数論を用いて考案していく。またこれまでの研究成果をまとめるレビュー論文の作成、および研究内容の専門書の執筆を行っていく。

次年度使用額が生じた理由

2022年度はコロナ下のもとで在宅での研究が多く 大学での設備をあまり使用しないシミュレーション・理論解析中心の研究にしたため 設備や消耗品の費用が少なかった。またコロナにより国内・海外学会出張を行わったためその出張費を使用しなかった。現在コロナが収まりつつあり、また2022年度に大きな研究成果をあげているので、2023年度は対面での海外・国内での学会発表を行って研究成果を大きくアピールするため出張費・論文投稿費を用いる予定である。

研究成果

• [雑誌論文] Segmented DAC Unit Cell Selection Algorithm and Layout/Routing Based on Classical Mathematics (2023)
  • 著者名/発表者名: Dan Yao, Xueyan Bai, Anna Kuwana, Kazuyuki Kawauchi, Yujie Zhao, Jianglin Wei, Shogo Katayama, Masashi Higashino, Haruo Kobayashi
  • 雑誌名: Journal of Mechanical and Electrical Intelligent System 巻: 6 ページ: 13-30
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Relaxation DAC with Positive and Negative Polarity Output using High-Pass Filter (2023)
  • 著者名/発表者名: Lengkhang Nengvang, Shogo Katayama, Anna Kuwana, Kazufumi Naganuma, Kiyoshi Sasai, Akihisa Iikura, Akira Asao, Takuya Watanabe, Katsuaki Morishita, Haruo Kobayashi
  • 雑誌名: IEICE Electronics Express 巻: 20 ページ: 1-6
  • DOI: 10.1587/elex.20.20220536
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Self-Calibration of Two Reference Voltages Ratio For Two-Step Incremental Delta-Sigma ADC (2022)
  • 著者名/発表者名: Lengkhang Nengvang, Shogo Katayama, Jianglin Wei, Lei Sha, Tri Minh Tran, Anna Kuwana, Kazufumi Naganuma, Kiyoshi Sasai, Junichi Saito, Katsuaki Morishita, Haruo Kobayashi
  • 雑誌名: Journal of Mechanical and Electrical Intelligent System 巻: 5 ページ: 7-19
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Charge Domain Folding ADC for Multi-bit ΔΣ AD Modulator (2022)
  • 著者名/発表者名: Xiongyan Li, Tianrui Feng, Lengkhang Nengvang, Haijun Lin, Shogo Katayama, Jianglin Wei, Anna Kuwana, Kazufumi Naganuma, Kiyoshi Sasai, Junichi Saito, Katsuaki Morishita, Haruo Kobayashi
  • 雑誌名: Journal of Technology and Social Science 巻: 2 ページ: 27-37
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Asynchronous Capacitive SAR ADC based on Hopfield Network (2022)
  • 著者名/発表者名: Xueyan Bai, Shogo Katayama, Dan Yao, Anna Kuwana, Zifei Xu, Haruo Kobayashi
  • 雑誌名: IEICE Electronics Express 巻: 19 ページ: 1-5
  • DOI: 10.1587/elex.19.20220276
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Derivation of digital-to-analog converter architectures based on number theory (2022)
  • 著者名/発表者名: Xueyan Bai, Dan Yao, Yuanyang Du, Minh Tri Tran, Shogo Katayama, Jianglin Wei, Yujie Zhao, Anna Kuwana, Haruo Kobayashi, Kazuyoshi Kubo
  • 雑誌名: Journal of Pure and Applied Mathematics 巻: 6 ページ: 1-10
  • DOI: 10.37532/2752-8081.22.6(5).14-24
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Unit Cell Mismatch Scrambling Method for High-Resolution Unary DAC based on Virtual 3D Layout (2022)
  • 著者名/発表者名: Dan Yao, Xuanyan Bai, Shogo Katayama, Anna Kuwana, Kazuyuki Kawauchi, Haruo Kobayashi, Kouji Hirai, Akira Suzuki, Satoshi Yamada, Tomoyuki Kato, Ritsuko Kitakoga, Takeshi Shimamura, Gopal Adhikari, Nobuto Ono, Kazuhiro Miura, Shigeya Yamaguchi
  • 雑誌名: IEICE Electronics Express 巻: 19 ページ: 1-6
  • DOI: 10.1587/elex.19.20220430
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Study of analog-to-digital mixed integrated circuit configuration using number theorys (2022)
  • 著者名/発表者名: Haruo Kobayashi, Anna Kuwana
  • 雑誌名: Science Impact Ltd, Impact 巻: 2022 ページ: 9-13
  • DOI: 10.21820/23987073.2022.3.9
  • オープンアクセス
• [学会発表] Recent Innovation of Waveform Acquisition Methods: Residue Sampling and Metallic Ratio Sampling (2022)
  • 著者名/発表者名: Haruo Kobayashi
  • 学会等名: 11th International Conference on Communications, Circuits and Systems
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Evaluation of Code Selective Histogram Algorithm For ADC Linearity Test (2022)
  • 著者名/発表者名: Yujie Zhao
  • 学会等名: International Conference On Consumer Electronics, Asia
  • 国際学会
• [学会発表] Waveform Sampling Technologies for Next Generation Communication and IoT Systems (2022)
  • 著者名/発表者名: Haruo Kobayashi
  • 学会等名: International Conferencer on Technology and Social Science
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Time-to-Digital Converter Linearity Calibrationwith Metallic Ratio Sampling (2022)
  • 著者名/発表者名: Shuhei Yamamoto
  • 学会等名: International Conferencer on Technology and Social Science
  • 国際学会
• [学会発表] High-Resolution Unary DAC Unit Cell Sorting Algorithms for Linearity Improvement with Measured Unit Cell Values (2022)
  • 著者名/発表者名: Kaiki Okabe
  • 学会等名: International Conferencer on Technology and Social Science
  • 国際学会
• [学会発表] Segmented DAC Linearity Improvement Algorithm Using Unit Cell Sorted Alternately with Digital Method (2022)
  • 著者名/発表者名: Yi Liu
  • 学会等名: 24th Workshop on Synthesis And System Integration of Mixed Information technologies
  • 国際学会