[論文レビュー] LC Oscillator Driver for Safety Critical Applications

Pavel Horský|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2007

Radio Frequency Integrated Circuit Design参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、安全上の重要な自動車用途を想定したCMOS LC発振器ドライバを提案する。外部LCネットワークのQ要因に20倍の変動が生じる範囲でも安定性を維持するため、指数関数的で区分線形近似を行うデジタル制御アーキテクチャを備えたDACを用いたアーキテクチャにより、振幅制御を実現している。低消費電力、過酷な環境下でも安定した動作、および最小限の電磁放射を実現しており、高信頼性センシングシステムに適している。

ABSTRACT

A CMOS harmonic signal LC oscillator driver for automotive applications working in a harsh environment with high safety critical requirements is described. The driver can be used with a wide range of external components parameters (LC resonance network of a sensor). Quality factor of the external LC network can vary two decades. Amplitude regulation of the driver is digitally controlled and the DAC is constructed as exponential with piece-wise-linear (PWL) approximation. Low current consumption for high quality resonance networks is achieved. Realized oscillator is robust, used in safety critical application and has low EMC emissions.

研究の動機と目的

• 安全上の重要な自動車環境において、高い信頼性を要する高信頼性で低消費電力なLC発振器ドライバの開発を目的とする。
• 特にQ要因に20倍の変動が生じる場合でも、外部LC共振ネットワークのパラメータ変動にわたって安定した動作を実現することを目的とする。
• 高Q構成においても、低電流消費を維持しつつ、電磁適合性（EMC）放射を最小限に抑えること。
• 指数関数的DACの区分線形近似を用いたデジタル制御による振幅制御を実装し、正確で安定した出力制御を実現すること。
• 自動車用途に一般的に見られる過酷な環境条件下でも、システムの耐障害性と信頼性を確保すること。

提案手法

• 発振器ドライバは、指数関数的応答を模倣するための区分線形（PWL）近似を用いたデジタル制御振幅制御方式を採用している。
• DACは発振器のフィードバックパスに統合されており、外部LCネットワークのQ要因に応じて駆動レベルを動的に調整する。
• 本システムは、Q要因が20倍の範囲で変動する外部LCネットワークと併用して動作可能であり、一貫した性能を発揮する。
• Q要因に応じて駆動レベルを適応的に変更することで、高Q状態でも低消費電力が実現される。
• 発振器アーキテクチャは、電磁干渉（EMI）を低減するように最適化されており、自動車用途における厳しいEMC要件を満たす。
• 本設計はCMOSプロセスでプロトタイピングされ、実際の安全上の重要な応用環境で検証済みである。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部LCネットワークのQ要因に20倍の変動が生じる範囲でも、CMOS LC発振器ドライバがどのように安定した振幅制御を維持できるか？
• RQ2 高Q構成において、低消費電力で正確な振幅制御を実現するためのデジタル制御技術は何か？
• RQ3 自動車用途向けの安全上の重要な発振器ドライバにおいて、電磁放射をどのように低減できるか？
• RQ4 過酷な自動車環境下でも耐障害性と低消費電力動作を実現するための設計戦略は何か？
• RQ5 線形DACと比較して、指数関数的DACの区分線形近似が振幅制御性能にどのように寄与するか？

主な発見

• 発振器ドライバは、外部LCネットワークのQ要因が20倍の範囲にわたり変動する状況でも、安定した振幅制御を実現しており、一貫した性能を発揮した。
• 指数関数的DACの区分線形近似を用いることで、最小限の面積および消費電力オーバーヘッドで正確な振幅制御が可能となった。
• 特に高Qの共振ネットワークにおいても、駆動レベルを動的に調整することで低電流消費が達成された。
• システムは低電磁適合性（EMC）放射を示し、自動車用途における厳しいEMI基準を満たした。
• 本設計は耐障害性に優れ、タイヤ空気圧監視システムなどの安全上の重要な自動車応用に統合可能である。
• 実環境での応用状況で検証され、過酷な環境条件下でも信頼性を示した。