JP2002534890A - 共鳴トンネルダイオードブリッジを用いたアナログ信号量子化装置 - Google Patents
共鳴トンネルダイオードブリッジを用いたアナログ信号量子化装置Info
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Abstract
Description
ッジを用いたアナログ信号の量子化装置に関する。
の設計はトランジスタを用いて実施されている。例えば、一般的な実施の1つで
は、交差結合した一組のトランジスタが含まれる。しかしながら、アナログ−デ
ジタル変換器にトランジスタを用いて実施するのに関連したいくつかの欠点があ
る。
の装置は、サイズが小さくなることによって量子力学的効果が現れはじめる。量
子力学的効果により、従来のトランジスタの電気的特性は容認できなくなる。第
二に、トランジスタ利用アナログ−デジタル変換器は、トランジスタのスイッチ
ング速度によって限界となり、いくつかの適用においては遅すぎる。最後に、従
来のトランジスタは二安定状態に限定されている。したがって、トランジスタを
用いた装置は、一般的にはアナログ信号をバイナリデジタル信号にただ変換する
だけで、多値論理に用いるのを難しくしている。
化する装置を提供して、今まで発展してきた量子化装置に伴う欠点や問題点を実
質上除去しまたは減少するものある。
てアナログ信号を量子化する装置を提供するが、装置は、第1の負性抵抗素子を
含んでいる。第1の負性抵抗素子は、クロック信号を受けるために結合される第
1の端子と、第1の入力信号を受けるために結合される第2の端子を有する。第
2の負性抵抗素子は、クロック信号を受けるために結合される第1の端子と、第
2の入力信号を受けるために結合される第2の端子を有する。第3の負性抵抗素
子は、第1の入力信号を受けるために結合される第1の端子と、反転クロック信
号を受けるために結合される第2の端子を有する。第4の負性抵抗素子は、第2
の入力信号を受けるために結合される第1の端子と、反転クロック信号を受ける
ために結合される第2の端子を有する。出力端子は、第1の負性抵抗素子の第2
の端子、及び第3の負性抵抗素子の第1の端子に結合している。出力端子は出力
信号を出力する。反転出力端子は、第2の負性抵抗素子の第2の端子、及び第4
の負性抵抗の第1の端子に結合している。反転出力端子は反転出力信号を出力す
る。
含んでいる。特に、共鳴トンネルダイオードのような負性抵抗素子が、アナログ
−デジタル変換器の一部として含まれている。したがって、トランジスタに依拠
することが避けられる。その結果として、不利益な量子力学的効果は、最小限に
なるか又は存在せずに、スイッチング速度は上昇し、そして多値論理を用いるこ
とが可能となる。
分野の専門家にあっては、容易に理解することができるであろう。 ここで、本発明およびその長所のより完全な理解のために、添付の図と関連し
て、以下の説明が参照される。
解されるが、ここに同じ番号が同じ部材を示す。
ルダイオード(RTD)10の模式図である。RTD10は、入力信号を受け取
る入力端子11と、出力信号を出す出力端子12と、2つのトンネル障壁層13
と、量子井戸層14と、から構成されている。
グラフである。このI−V曲線の形状は、トンネル障壁層13と量子井戸層14
の厚さを非常に薄くした場合に現れる量子効果に依存する。層13及び14の厚
さは、大体、10〜20原子厚みである。
13をトンネリングしない。これは、無視できる程度の電流しか流れないこと、
及びRTD10のスイッチが切れているためである。電圧を大きくしていくと、
入力端子11で受け取る電子のエネルギーも増加し、これら電子の波長は減少す
る。入力端子11が特定の電圧レベルに達すると、電子の波長の特定の値が量子
井戸層14の内部に適合(fit)するようになる。この点で、一つのトンネル障
壁層13をトンネリングする電子が量子井戸層14の中に留まり、共鳴状態とな
る。これにより、電子は第2のトンネル障壁層13をトンネリングして出力端子
12に到達することが可能となる。このようにして、入力端子11から出力端子
12への電流の流れが完成し、RTD10のスイッチが入る。しかし、電圧レベ
ルが増加し続けると、終には、電子はトンネル障壁層13をトンネリングするに
必要な波長を持つことができず、RTD10のスイッチが切れる。RTD10の
ような負性抵抗素子のこのような特性、すなわち、電圧を増加させた時、オン状
態とオフ状態との間を交互にスイッチングする特性は、図2に示した3つの安定
状態の中の一つの状態で動作するように電圧を印加することを可能にする。これ
らの3つの安定状態とは、負バイアスの谷領域16、プレピーク領域17、そし
て正バイアスの谷領域18である。
現れる別の特性は、スイッチング速度に関するものである。これらの層13と1
4は、10〜20原子厚み程度であるので、電子は、入力端子11から出力端子
12まで約0.01μを移動するだけで良い。この短い距離により、RTD10
は非常に速い速度でスイッチのオンとオフとを行うことができる。
示す回路図である。装置20と40は、第1の共鳴トンネルダイオード22と、
第2の共鳴トンネルダイオード24とで構成されている。装置20と40は、ま
た、アナログ入力信号を受ける入力端子26と、クロック信号を受けるクロック
端子28と、反転クロック信号を受け取る反転クロック端子30と、量子化され
た出力信号を出す出力端子32と、から構成されている。
からなり、一方、出力端子32での出力は電圧可変信号からなる。装置20と4
0の一つの実施において、入力信号はXバンド領域(10GHz以上)で変化す
る。図3の装置20において、RTD22と24は、クロック端子28に対して
同電圧にバイアスされている。図4の装置40において、RTD22と24は、
それぞれ、並列に接続され、互いに逆方向にバイアスされた対から成る。
1の電圧信号を出力し、入力信号が第2の閾値よりも小さい時は−1の電圧信号
を出力し、入力信号が第1と第2の閾値の間にある時はゼロの電圧信号を出力す
る。
D24とから成る。この実施の形態は、よりコンパクトな配置を提供するもので
あり、図4に示した実施の形態、すなわち、RTD22と24がそれぞれ対で構
成されているものよりも高速で動作する。しかし、図4に示した実施の形態は、
より対称的な配置を提供し、図3に示した実施の形態に存在する可能性のある偶
数次高調波を減少させることができる。
0,80を示す回路図である。ブリッジ50,70,80は、第1の共鳴トンネル
ダイオード52と、第2の共鳴トンネルダイオード54と、第3の共鳴トンネル
ダイオード56と、第4の共鳴トンネルダイオード58と、から成る。ブリッジ
50,70,80は、また、入力信号を受け取る入力端子60と、反転入力信号を
受け取る反転入力端子62と、クロック信号を受け取るクロック端子64と、反
転クロック信号を受け取る反転クロック端子66と、から成る。別の実施の形態
では、反転入力信号を受け取る反転入力端子62に、基準信号を受け取る基準端
子を用いることができる。
れ、クロック端子64に対し、同じ電圧をバイアスされている。図6に示した実
施の形態では、RTD52,54,56,58は、それぞれ、並列に接続され、
互いに逆方向にバイアスされた一対のダイオードから構成されている。図7に示
した装置80は、第5の共鳴トンネルダイオード82を含んでいる。この実施の
形態では、RTD52,54,56,58,82は、それぞれ、クロック端子6
4に対し、同じ電圧をバイアスされている。しかし、別の形態として、RTD5
2,54,56,58,82は、それぞれ、並列に接続され、互いに逆方向にバ
イアスされた一対のRTDから構成されても良い。
の時、プレピーク領域17で動作する(図2参照)。これにより、ゼロの出力信
号が出力される。しかし、入力電流が特定のレベルに達すると、非対称性により
−1又は+1の出力信号が出力される。
るかの決定がなされる。この場合、ブリッジ50,70は、正電位にバイアスさ
れ、RTD52,54,56,58の内の2つは、負バイアスの谷領域16で−
1Vの出力信号を出力するか、あるいは、正バイアスの谷領域18で+1Vの出
力信号を出力するように動作する。もし入力電流レベルによりRTD52が切換
わると、RTD58も切換わる。しかし、もし入力電流レベルによりRTD54
が切換わると、RTD56は2番目に切換わる。もしRTD52,58が切換わ
ると、出力信号は+1Vになり、RTD54,56が切換わると、出力信号は−
1Vになる。
るかの決定がなされる。この場合、ブリッジ50,70は、負電位にバイアスさ
れ、RTD52,54,56,58の内の2つは、クロック信号の増加に関係し
て説明したように、負バイアスの谷領域16、図2を参照、又は正バイアスの谷
領域18のいずれかの状態に強いられる。前述のように、RTD52,58ある
いはRTD54,56のいずれかが切換わる。しかし、この場合、もしRTD5
2,58が切換わると、出力信号は−1であり、もしRTD54,56が切換わ
ると、出力信号は+1である。
Dの対である、52と58、又は54と56のいずれか一方が、負バイアスの谷
領域16又は正バイアスの谷領域18の状態をとるように強いられる。この配置
では、出力信号ゼロをもたらすような入力信号は実質的に有り得ない。そのため
、ブリッジ80が第5のRTDを含むような実施の形態においては、出力信号は
3値の代わりに2値になる。
とクロックが減少した時の両方の出力信号の値を決定する。したがって、ブリッ
ジ50,70,80は、各クロックサイクルに対し、2つの出力を行う。例えば
、1秒当り25ギガのサンプリングを行うには、12.5GHzのクロックで十
分である。
、図7のRTD82とがブリッジを備えており、これらは図6に示される実施形
態よりも小型の設計であり、より高速で作用する。しかしながら、図6の実施形
態はより対称で、図5および7に示される実施形態に存在し得る偶数次高調波を
減少させる。
示す回路図である。装置90は、図5、6または7に示される実施形態の1つに
よって構成されたブリッジ100を有する。このように、ブリッジ100は、ア
ナログ入力信号を受けるための入力端子60と、反転入力信号を受けるための反
転入力端子62と、クロック信号を受けるためのクロック端子64と、反転クロ
ック信号を受けるための反転クロック端子66とを有する。あるいは他の実施形
態では、反転入力信号を受けるための反転入力端子62は、基準信号を受けるた
めの基準端子であってもよい。
信号を有する。反転入力信号は装置入力端子104で受信される。入力増幅器1
06は、入力端子60と反転入力端子62とにそれぞれ接続された出力を有し、
入力信号および反転入力信号は、入力増幅器106の入力端子60および反転入
力端子62にそれぞれ印加される。同様に、クロック信号はクロック入力端子1
08で受けて、反転クロック信号はクロック入力端子110で受ける。クロック
信号および反転クロック信号は、クロック増幅器112に付与され、クロック増
幅器112は、クロック端子64に付与される第1の出力と、クロック端子66
に付与される第2の出力とをそれぞれ有している。
転装置出力端子116で与えられる。一つの実施形態では、出力は、電流が可変
する信号を有する。装置出力端子114は、ブリッジ100の入力端子60に結
合されており、反転装置出力端子116は、ブリッジ100の反転入力端子62
に結合されている。
−1、0、および+1で表される3つのレベルを有する。本発明によると、入力
増幅器106は、入力信号および反転入力信号を増幅し、クロック増幅器112
は、クロック信号を増幅する。この増幅によって、第1の閾値よりも入力信号が
大きい場合に、出力信号に+1が形成され、第2の閾値よりも入力信号が小さい
場合に、出力信号に−1が形成され、第1の閾値と第2の閾値との間に入力信号
がある場合に、出力信号に0が形成される。
よって表される2つのレベルのうちの1つを有する。本発明によると、入力増幅
器106は、入力信号および反転入力信号を増幅させ、クロック増幅器112は
クロック信号および反転クロック信号を増幅させる。この増幅によって、第1の
閾値よりも入力信号が大きい場合に、出力信号に+1が形成され、第2の閾値よ
りも入力信号が小さい場合に、出力信号に−1が形成される。
回路図である。装置120は、図5、図6または図7に示された実施形態のうち
の1つに従って構成されたブリッジ100を有する。このように、ブリッジ10
0は、アナログ入力信号を受けるための入力端子60と、反転入力信号を受ける
ための反転入力端子62と、クロック信号を受けるためのクロック端子と、反転
クロック信号を受けるための反転クロック端子66とを有する。あるいは、他の
実施形態によると、反転入力信号を受けるための反転入力端子62は、基準信号
を受けるための基準端子であってもよい。
可変信号を有する。反転入力信号は、装置入力端子104で受ける。入力信号お
よび反転入力信号は、それぞれ、入力増幅器106の入力端子60および反転入
力端子62に与えられ、入力増幅器106は、入力端子60に接続された出力と
、反転入力端子62に接続された出力とを、それぞれ、有する。これと同様に、
クロック信号はクロック入力端子108で受けて、反転クロック信号はクロック
入力端子110で受ける。クロック信号と反転クロック信号とはそれぞれ、抵抗
器124とキャパシタ126に印加され、次に、クロック端子64および反転ク
ロック端子66に、それぞれ、接続される。
、反転装置出力端子116で与えられる。出力は、電圧可変信号を含む。装置出
力端子114は、入力端子60でブリッジ100に結合され、反転装置出力端子
116は、反転入力端子62でブリッジ100に結合される。
または図7に示される実施形態に従って構成されるか否かに拘わらず、出力は−
1と+1とで表される2つのレベルのうちの1つを有する。本発明によると、入
力増幅器106は、入力信号および反転入力信号を増幅させる。装置120に対
して、入力信号が第1の閾値よりも大きい場合、装置出力114における出力信
号は+1であり、入力信号が第2の閾値よりも小さい場合、−1である。
0を備える。そして、ブリッジ100は、アナログ入力信号を受け取るための入
力端子60と、反転入力信号を受けるための反転入力端子62と、クロック信号
を受け取るためのクロック端子64と、反転クロック信号を受け取るための反転
クロック端子66とを備える。他の実施形態では、反転入力信号を受け取るため
の反転入力端子62は、リファレンス信号を受け取るためのリファレンス端子で
あっても良い。
力はシステム入力端子132に入力される。反転入力信号は、システム入力端子
133によって受け取られる。入力信号と、反転された入力信号は、入力増幅器
134に送られる。入力増幅器134は、接続配線136及び138の各々に出
力を有する。配線136及び138は、各々、ブリッジ増幅器144の端子14
0及び142に接続している。ブリッジ増幅器144は、146及び148に接
続する配線に出力している。接続配線146及び148は、各々、入力端子60
と反転入力端子62に接続している。また、入力端子60及び反転入力端子には
、接続配線150及び152が接続している。これらの接続配線は、端子60及
び62における信号をフィードバック増幅器154に送り、フィードバック増幅
器154は、接続配線156及び158に出力している。接続配線156及び1
58は、各々、端子140及び142につながれており、これによってブリッジ
信号をブリッジ増幅器144にフィードバックする。キャパシタ160は、接続
配線136と138の間を容量性結合にしている。
号は、反転クロック入力端子164で入力される。クロック信号と反転クロック
信号は、クロック増幅器166に送られる。クロック増幅器166は、接続配線
168及び170に出力している。接続配線168及び170は、各々、クロッ
ク端子64及び反転クロック端子66に接続されている。
転出力端子174を備える。出力には、電圧の変化する信号が含まれる。出力端
子172は、入力端子60においてブリッジ100に接続されている。反転出力
端子174は、反転入力端子62においてブリッジ100に接続されている。
は、−1、0、+1で表される3つのレベルのいずれかを有する。本発明によれ
ば、入力増幅器134は、入力信号と反転入力信号とを増幅し、ブリッジ増幅器
144は、端子140及び142において受けた信号の増幅を行い、フィードバ
ック増幅器154は、接続配線150及び152上に受信された信号の増幅を行
い、クロック増幅器166は、クロック信号と反転クロック信号を増幅する。変
調器130については、端子172における出力信号は、入力信号が第1のしき
い値よりも大きければ+1であり、入力信号が第2のしきい値よりも小さければ
−1であり、入力信号が第1のしきい値と第2のしきい値の間にあれば0である
。
1と+1で表される2つのレベルの一方を有する。入力増幅器134は、そこに
送られた信号を増幅し、ブリッジ増幅器144は、受信した信号を増幅し、フィ
ードバック増幅器154は、それへの入力を増幅し、クロック増幅器166は、
クロック信号を増幅する。出力端子172では、入力信号が第1のしきい値より
も大きければ+1であり、入力信号が第2のしきい値よりも小さければ−1であ
る。
りも、4倍から10倍大きい。このことは、デジタル信号の出力を高めており、
その結果アナログフィードバックが相対的に減少している。また、このことは、
出力抵抗を下げ、スピードと感度の両方を増加させる。
々の変形が可能である。本発明は、そうした変形もクレームの技術的範囲に属す
るものとして包含することを意図したものである。
ネルダイオード(RTD)の概略図である。
。
置を示した回路図である。
図である。
るためのブリッジを示した回路図である。
めのブリッジを示した回路図である。
ッジを示した回路図である。
である。、
回路図である。
回路図である。
Claims (22)
- 【請求項1】 クロック信号を受けるための結合した第1の端子と、第1の
入力信号を受けるために結合した第2の端子と、を有する第1の負性抵抗素子と
、 クロック信号を受けるために結合した第1の端子と、第2の入力信号を受ける
ために結合した第2の端子とを、有する第2の負性抵抗素子と、 第1の入力信号を受けるために結合された第1の端子と、反転クロック信号を
受けるために結合された第2の端子と、を有する第3の負性抵抗素子と、 第2の入力信号を受けるために結合された第1の端子と、反転クロック信号を
受けるために結合された第2の端子と、を有する第4の負性抵抗素子と、 第1の負性抵抗素子の第2の端子と第3の負性抵抗素子の第1の端子とに接続
されて出力信号を出す出力端子と、 第2の負性抵抗素子の第2の端端子と第4の負性抵抗素子の第1の端子と接続
されて反転出力信号を出す反転出力端子と、 を含むアナログ信号量子化装置。 - 【請求項2】 第1、第2、第3及び第4の負性抵抗素子が各々、共振トン
ネルダイオードである請求項1の装置。 - 【請求項3】 さらに、クロック信号に対して、第1、第2、第3及び第4
の負性抵抗素子をバイアスする手段を含む請求項1の装置。 - 【請求項4】 第1、第2、第3及び第4の負性抵抗素子が各々、並列の第
1と第2のトンネルダイオードとを含み、第1のトンネルダイオードが、第2の
トンネルダイオードに対して反対にバイアスされている請求項1の装置。 - 【請求項5】 第1及び第2の入力信号が、可変電流を含む成る請求項1の
装置。 - 【請求項6】 出力信号が可変電圧を含む請求項1の装置。
- 【請求項7】 出力信号が、−1、0、+1で表せる3水準の1つである請
求項1の装置。 - 【請求項8】 第1の入力信号が、Xバンド領域の信号である請求項1の装
置。 - 【請求項9】 さらに、クロック信号を受ける第1の端子と、反転クロック
信号を受ける第2の端子と、を有する第5の負性抵抗素子を含む請求項1の装置
。 - 【請求項10】 第1、第2、第3、第4及び第5の負性抵抗素子が各々、
共振トンネルダイオードを含む請求項9の装置。 - 【請求項11】 さらに、クロック端子に対して第1、第2、第3及び第4
の負性抵抗素子をバイアスする手段を含む請求項1の装置。 - 【請求項12】 第1、第2、第3及び第4の負性抵抗素子が各々、平行な
第1の共振トンネルダイオードと第2の共振トンネルダイオードを含み、第1の
共振トンネルダイオードが、第2の共振トンネルダイオードとは反対にバイアス
されている請求項9の装置。 - 【請求項13】 第1及び第2の入力信号が、可変電流を含む請求項9の装
置。 - 【請求項14】 出力信号が、可変電圧を含む請求項9の装置。
- 【請求項15】 出力信号が、−1、0、+1で表せる3水準の1つである
請求項9の装置。 - 【請求項16】 さらに、第1の入力端子と第2の入力端子と第1の出力端
子と第2の出力端子とを有するクロック増幅器と、 クロック信号をクロック増幅器の第1の入力端子に結合する手段と、 反転クロック信号をクロック増幅器の第2の入力端子に結合する手段と、 第1の出力端子をクロック端子に結合する手段と、 第2の出力端子を反転クロック端子に結合する手段と、 を含む請求項1の装置。 - 【請求項17】 さらに、クロック信号をクロック端子に結合するキャパシ
タと、反転クロック信号を反転クロック端子に結合するキャパシタとを含む請求
項1の装置。 - 【請求項18】 ブリッジ入力端子、反転ブリッジ入力端子、クロック端子
及び反転クロック端子を有する量子化ブリッジと、 第1の入力信号と第2の入力信号とを受けて増幅して出力をブリッジに供給す
る入力増幅器と、 クロック信号と反転クロック信号とを受けて増幅し、出力を受けるブリッジと
結合されたクロック増幅器と、 ブリッジ入力端子に結合されて出力信号を出す出力端子と、 反転ブリッジ入力端子に結合されて反転出力信号を出す反転出力端子と、 を含むアナログ信号量子化装置。 - 【請求項19】 量子化ブリッジが、さらに、 クロック端子と結合した第1の端子と、ブリッジ入力端子と結合した第2の端
子と、を有する第1の負性抵抗素子と、 クロック端子と結合した第1の端子と、反転ブリッジ入力端子と結合した第2
の端子と、を有する第2の負性抵抗素子と、 ブリッジ入力端子に結合した第1の端子と、反転クロック端子と結合した第2
の端子と、を有する第3の負性抵抗素子と、 反転ブリッジ入力端子と結合したの第1の端子と、反転クロック端子と結合し
た第2の端子と、を有する負性抵抗素子と、を含む請求項18の装置。 - 【請求項20】ブリッジ入力端子、反転ブリッジ入力端子、クロック端子及
び反転クロック端子を有する量子化ブリッジと、 第1の入力信号と第2の入力信号とを受けて増幅して出力をブリッジに供給す
る入力増幅器と、 クロック信号を受ける第1の結合素子であって、その出力をブリッジが受ける
ように接続された当該第1の結合素子と、 反転クロック信号を受ける第2の結合素子であって、その出力をブリッジが受
けるように接続された当該第2の結合素子と、 ブリッジ入力端子に接続されて出力信号を出す出力端子と、 反転ブリッジ入力端子に接続されて反転出力信号を出す反転出力端子と、 を含むアナログ信号量子化装置。 - 【請求項21】 クロック端子と結合した第1の端子と、ブリッジ入力端子と結合した第2の
端子と、を有する第1の負性抵抗素子と、 クロック端子と結合した第1の端子と、反転ブリッジ入力端子と結合した第2
の端子とを有する第2の負性抵抗素子と、 ブリッジ入力端子に結合した第1の端子と、反転クロック端子と結合した第2
の端子と、を有する第3の負性抵抗素子と、 反転ブリッジ入力端子と結合したの第1の端子と、反転クロック端子と結合し
た第2の端子と、を有する負性抵抗素子と、を含む請求項20の装置。 - 【請求項22】 第1の結合素子と第2の結合素子とが各々、キャパシタと
直列に接続した抵抗とを含む請求項20の装置。
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