見本9

序 章

CMOSアナログ回路をSPICEを使って設計しよう● 本書の読者ターゲット
本書がターゲットとしている読者は，一つには半導体の会社で CMOS アナログ
IC/LSI の設計にこれから携わろうとしている方々です ．また一つには ，同じく半導体の会社で ，アナログ設計者と密にコミュニケーションをとることが必要な部署，たとえばプロセス，モデリング，品質保証，テスト，プロダクト ，アプリ
ケーションそしてマーケティングなどに携わっている人たちにも読んでいただきたいと思っています．また，半導体の会社にいなくても，トランジスタで動く回

見本
本書の読者対象

10

序章

CMOS アナログ回路をSPICE を使って設計しよう路がどうして作れるのか，大いに興味をもたれている方々も同様に歓迎します．
さて ，アナログ回路として代表的なものには，OP アンプ回路 ，A−D/D−A コンバータ回路 ，DC−DC コンバータ回路，Phase‑Locked Loop（ PLL ）回路などがあります．これらの回路のうち純粋なアナログ回路は OP アンプ回路ぐらいで，そのほかの回路にはかならずカウンタやステート・マシンなどのディジタル回路が必要となります．
現実には ，これらのアナログ回路の設計に携わっている人たちは ，本書で説明しているディジタル回路の内容程度のことは理解していると考えてください ．

● 半導体集積回路の作り方 ─ 精度の高い「 比 」を 作ることが重要
アナログ回路の内部では，同じ電圧値をもつ部分を何か所も作ったり，同じ電流値の流れる枝を何本も作ったりすることで，電圧や電流の比 をどこまで精度よく作れるかが半導体集積回路を設計するときのキー・ポイントです ．
その意味で集積回路は，写真技術を応用したリソグラフィと呼ばれるパターン生成技術 で作られるわけですから，同じ抵抗値の抵抗を何個も作ったり，同じサイズや特性をもったトランジスタを何個も作ったりすることは ，得意中の得意といえます．つまりアナログ回路は 集積回路で 作ると，もっとも精度よく比が作れて，かつ シンプルな設計が可能になります．
ただし ，集積回路で回路設計をする際には，半導体特有の性質 ，つまりトランジスタの特性を基本とした デバイスの知識が必要になります．本書がデバイスの章を設けているのは，これが理由です．

見本● トランジスタ回路の設計に必要な「 寄生容量 」と「 寄生抵抗 」の計算をSPICE で行う集積回路の設計に欠か せ な い の は，有名な回路シ ミュレーション・ツール

S P I C E です．回路設計を行うときには，S P I C E の機能の一つである D C 解析
で，回路が静止しているときの電圧と電流が妥当な値であるかどうかをチェックします．次にトランジェント（過渡：TR ）解析で時間の経過につれて回路がどう動くか，そのようすを見ます．多くの回路の場合，設計にはトランジェント解
析にもっとも多くの時間を割きます．最後に，AC（小信号）解析で回路が意図せ● SPICEでアナログ回路とディジタル回路の両方をシミュレーションする

図1

11

半導体の製造時にできる寄生抵抗と寄生容量ぬ発振をするリスクを負っていないか確認します．ここで SPICE を使用することがなぜ大切かというと，その一つの理由として，S P I C E はトランジスタにかならず付いてくる 寄生容量 や 寄生抵抗を正確に計算して ，シミュレーションを実行してくれるからです．実際に経験すればすぐに分かることですが ，回路の一つ一つのトランジスタについて，寄生容量や寄生抵抗を人が手計算で求めるのは，実にたいへんな仕事です（ 図 1 ）．
最近では ，PSpice や LTspice のように，個人が自宅のパソコンで使用できるSPICE も何種類か登場しています．LTspice は米国リニアテクノロジー社が無償で提供しているSPICE です．これまで無償のSPICE はかならず回路規模に制限があったのですが，LTspice はたいへんうれしいことにこの制限がありません．使用（ 7）

方法についてはCQ 出版社からもテキストが出ています．トランジスタのモデルも，最新のナノ・テクノロジのものでなければ，手に入れることは難しくありません．
じつはこのSPICE を使い慣れ，SPICE を嫌いにならないことこそが，アナログ回路設計をする上では，最重要なことなのです．おおげさにいうと ，SPICE道なるものがあるといっても過言ではありません．新しい回路のアイデアも ，見本

SPICE で繰り返しシミュレーションしながら考えるというのが実際に行われていることです ．

● SPICE でアナログ回路とディジタル回路の両方をシミュレーションする
そこで本書では ，アナログ回路とディジタル回路の両方について ，SPICE でいろいろなシミュレーションの試行ができるようになるまでの最低限の知識を ，なるべく分かりやすい形で提供するのが第一の目標です ．大規模なディジタル回路のシミュレーションには，ロジック・シミュレータという専用のプログラムを使用するのが慣例ですが，ここで説明する程度の小規模なディジタル回路で

17

第1章

CMOSアナログ回路の基礎
この章では ，MOS（ Metal Oxide Semiconductor ）トランジスタの動作を説明したあと ，基本的な回路をいくつか説明し，さらに OP アンプ（ OperationalAmplefier ），電圧源，電流源に話を進めていきます ．
温度が変化しても値の変わらない ，電圧源や電流源を設計するところまでが本章の目的です ．たいへんざっくりしたいい方ですが ，OP アンプ ，電圧源 ，電流源の三つの回路があれば，だいたいのアナログ回路は設計できます ．
本章では ，小信号等価回路を用いずに，回路の説明をしています ．なお ．本書では ，以下の SPICE（ Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis ）モデルを使用しています．
http://cmosedu.com/cmos1/cmosedu_models.txt
このWeb ページは，参考文献（ 5）のサポート・ホームページの一部で，チャネル長１μm（マイクロン）の CMOS（ Complementary MOS ）の SPICE モデル・ファイル（ LEVEL＝3）です．

見本

1.1

MOSトランジスタの基礎

1.1.1

MOS トランジスタ

まずは MOS トランジスタの特徴を 3 点まとめておきます（ 図 1.1 ）．
① 現実には ，CMOS という種類のトランジスタは存在せず ，NMOS トランジス
タと P M O S トランジスタの 2 種類のトランジスタがあるのみです ．この二つをペアで CMOS と呼んでいます．その理由は 1.2.1 節で説明します．
② NMOS トランジスタとPMOS トランジスタは，どちらも四つの端子があり，そ18第1 章

CMOS アナログ回路の基礎

図 1.1

PMOS シンボルとNMOS シンボル

3 端子シンボル が使用される場合，N MO Sトランジスタでは基板端子B はG N D に接続され，PMO Sトラ
D はドレイン，S はソース，B はバルク．
ンジスタでは基板端子B はVDD に接続されているものとみなす．G はゲート，a 電圧と抵抗で発生する電流b 電流と抵抗で発生する負の電圧 c 電流と抵抗で発生する正の電圧

図 1.2 電圧源と電流源
電圧源は，電圧を固定するが電流は他人まかせとなる．電流源は，電流を固定するが電圧は他人まかせとなる．

れぞれ S（ソース），D（ドレイン），G（ゲート），B（バルク）と呼ばれています ．
③ バルク端子は ，多くの場合，NMOS トランジスタでは GND（ 0 V ）に固定され ，PMOS トランジスタでは電源（ VDD ）に固定されています ．特にディジタ

見本

ル回路ではかならずそのように接続されています ．

1.1.2

電圧源と電流源

本題に入る前に ，電圧源と電流源について確認しておきます ．

電圧源は指定された電圧を出しますが ，自分自身に流れる電流は ，その電圧源の外に接続された回路によって決定されます．図 1.2 a の例では ，抵抗 R に流れる電流 V / R が ，そのまま電圧源にも流れます．
同様に 電流源 は指定された電流を流しますが，自分自身の両端電圧は ，その電流源の外に接続された回路によって決定されます ．図 1.2 b の例ではノード

65

第2章
CMOSディジタル回路

本章では ，最初にディジタル回路の基本回路であるインバータ（ INV と略す），N AND，N OR ，D ラッチ，フリップフロップなどの “ 論理ゲート ” が MOS トランジスタでどのように設計されているかを説明し，そのあと ，それら論理ゲートを応用して ，各種の回路ブロックを作っていきます ．
カウンタ ，レジスタ，ステート・マシンがあれば，かなりの種類のディジタル回路を設計することができます．
本題に入る前に “ 1 ” と “ 0 ” あるいは H と L の意味を確認しておきます ．
これらはディジタル回路が扱う “電圧レベル” のことで ，正論理では高い方の電圧レベルが “ 1 ” または H，低い方の電圧レベルが“ 0 ” または L です ．正論理については次節で解説します．
すべての IC ，LSI には，かならず電源ピンとグラウンド（ GND ）ピンがあり ，電源ピンは VDD ，VCC ，Vin などと呼ばれ，GND ピンは GND ，VSS などと呼ばれています ．どの名前で呼ぶかは，IC メーカ各社によって異なり ，また IC ，LSI

見本の種類によっても異なりますが，本書では一貫して ，電源電圧を VDD ，グラウンドを GND と呼びます．VDD が 1 または H，GND が 0 または L です（ 正論理 ）．

2.1

インバータ，NAND ，NOR

CMOS ディジタル回路の基本回路である INV，NAND ，NOR につき，それぞれ正論理 ，負論理のシンボルを 図 2.1 に示します ．
シンボルの左側に「入力ピン」，右側に「出力ピン 」があり ，入力されるディジタル信号に対して処理をし，その結果を出力します ．
「 ピン 」とは ，短い棒のこ

第2 章

66

図 2.1

CMOS ディジタル回路

正論理シンボルと負論理シンボル

I N V（インバータ），N A N D，N O R のそれぞれについての正論理シンボルと負論理シンボル．

図 2.2 INV 正論理 / 負論理シンボルとです ．
本書では “ 正論理のシンボル”（ 上段）とは，入力ピンに○印が付かないシンボルのことをいい ，“ 負論理のシンボル”（下段）とは入力ピンに○印が付くシンボルのこととします（ 図 2.1 ）．
○印は「 ゼロ 」，「 負」の意味です．○印のないピンは「 1 」，「 正 」の意味です．

2.1.1

インバータ
（ INV）とはインバータとは ，英語の動詞 INVERT（逆にする ）からきており ，名前のとおり入力信号の電圧レベルを 逆にして 出力します．
① 入力＝ 1 のとき出力＝ 0② 入力＝ 0 のとき出力＝ 1
正論理のシンボルは “入力＝１のとき出力＝ 0 ” を強調したいときに用い ，負論理のシンボルは “入力＝ 0 のとき出力＝ 1 ” を強調したいときに用います（ 図2.2 ）．

2.1.2

見本

AND タイプと OR タイプのシンボル

論理シンボルの形には，図 2.3 のように 2 種類あります ．ここでÕÕ やrr には ， 1 または 0 が入ります．
「すべて」と「少なくとも一つが 」の違いで ，シンボルの形が異なることに注意してください．
最初に A N D シンボルと O R シンボルを作ります ．入力側 ，出力側の両方に ，棒だけのピンをつけると，正論理の AND と正論理の OR ができます（ 図 2.4 ）.
さて次は ，正論理の A N D と O R に対して ，“ 出力側にのみ ” ○印をつけます ．

114

第3 章

小信号解析

b 小信号等価回路

a フォールデッド・カスコード・アンプ回路

図 3.11
フォールデッド・カスコード・アンプ回路
カスコード・アンプ回路と同じ形の小信号回路となる．大きな電圧ゲインが得られる．

3.2.6

c 小信号等価回路（変形後）フォールデッド・カスコード・アンプ回路

前の回路では ，M1，M2 の両方が N M O S トランジスタでしたが，今回の 図

3.11 a の回路は M2 が PMOS トランジスタでできています ．

Vin 1 の変化による電流 I 1 の変化が M2 の VGS（ VGS 2 ）を変化させて ，Vout 電圧の大きな変化を引き起こします．図 3.11 b の小信号等価回路にて ，M2 の部分を上へ折り曲げると，前のカスコード・アンプ回路とまったく同じ形の小信号回

見本路となります ．
「 フォールデッド」＝「折り曲げた」という言葉はここから来ています．電圧ゲインも，カスコード・アンプ回路と同じになります ．

3.2.7（ 3.11 ）フォールデッド・カスコード OP アンプ回路

フォールデッド・カスコード OP アンプ回路を 図 3.12 に示します．一段構成で大きなゲインが得られるアンプ回路です．図 3.12 a に示す M1 ，M2 ，M3 は，

3.2

基本回路のゲインと出力抵抗を求める

115

a フォールデッド・カスコードOP アンプ回路

b フォールデッド・カスコードOP アンプ回路（トランジスタ回路）

c ミラー回路左半分

d ミラー回路右半分＝カスコード・アンプ回路

図 3.12 フォールデッド・カスコードOP アンプ回路
差動入力の可能なフォールデッド・カスコードO P アンプ回路．ミラー回路の右半分は，カスコード・アンプ回路になっている．

3.2.6 節で説明したフォールデッド・カスコード・アンプ回路の M1 ，M2 ，M3 と対応しています ．Vinm と Vinp の電位差に起因する電流のアンバランスが ，M2 ，M5 の VGS を変化させて，Vout の大きな変化へと至ります ．

図 3.12 a の下半分のミラー回路は，トランジスタで表すと 図 3.12 b のよう見本になります ．ミラー回路の右半分 図 3.12 d は前に説明したカスコード・アンプ回路です（ 図 3.10 ）．一方，ミラー回路の左半分

図 3.12 c の小信号等

価回路は 図 3.13 に示します．

vS から流出する電流の総和を求めます．ここで，vgs 7 ＝−vS を使います．