JP2908823B2

JP2908823B2 - サンプラ

Info

Publication number: JP2908823B2
Application number: JP1320429A
Authority: JP
Inventors: チャング・イー・スー; マイケル・レンネ・ティ・タン; ウイリアム・ジヨン・アンクラム
Original assignee: HP Inc
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1988-12-08
Filing date: 1989-12-08
Publication date: 1999-06-21
Anticipated expiration: 2014-06-21
Also published as: DE68917269T2; US4956568A; DE68917269D1; EP0372825B1; EP0372825A3; EP0372825A2; JPH02212773A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の技術分野〕本発明は、波形をサンプルするのに用いる多様な計測
システムの中に組込むことができるモノリシック・サン
プラに関する。更に詳細に述べれば、この革新的なモノ
リシック装置は、衝撃波発生器を用いて100GHz（毎秒10
00億サイクル）を超える帯域幅を達成する極高速の改良
されたサンプラを構成する。

〔発明の技術的背景及びその問題点〕

サンプリング回路の基本構造は電子装置に関する当業
者には周知である。最も基本的なレベルでは、サンプラ
は二つの信号を混合する装置である。一つの信号は分析
しなければならない入力波形であり、もつ一つはその無
線周波数（RF）サイクルに沿う異なる時点で入力波形を
サンプルする持続時間の短い周期的パルス列である。入
力波形はより低い中間周波数においてサンプルごとに再
構成される。パルス発生器または発振器によりサンプラ
の測定の速さが決まる。時間と共に変化する電圧を発生
する或る入力源と結合すると、サンプラは入力波形の小
さなサンプルすなわちスナップを取り、これを次に表示
するかまたは処理することができる。サンプラから得ら
れる測定の品位は入力信号をサンプルする回数およびサ
ンプリング・パルスの持続時間によって大きく変る。一
般に、高速測定は非常に狭い、高速の、鋭いパルスを連
続的に流すことにより達成され、これにより入力の検出
または分析が一層正確になる。

従来の電子計器においては、測定可能な最高周波数は
設計の制約によりおよび使用する構成部品により制御さ
れている。サンプラの帯域幅を25GHzを超えて拡張する
ことができないようにしている最もきびしい制限は従来
のサンプリング回路を駆動するパルス発生器の能力が制
約されていることであった。従来のサンプラを駆動する
のに使用されているパルス発生器またはくし形発生器の
使用可能な帯域幅は一般にサンプラの帯域幅のわずか四
分の一である。最も普通のパルス発生器はシリコン・ス
テップリカバリーダイオードを使用しており、これはこ
のダイオードを製作するシリコン材料に固有のキャリア
走行時間に基づいて性能が制限されている。

現在利用可能なサンプリング計器の高周波能力を禁止
している他の要因はそれらの回路を構成する個別電子構
成部品が比較的非能率であるということである。印刷回
路板に共に実装される大きな個別のコンデンサ、抵抗
器、およびダイオードは精密な機械的位置合わせに依存
する高価な製作工程を必要とし、また、サンプラの入力
ポートにおける容認できない高水準の電気的フィードス
ルーを必然的に引き起こす。個々の構成要素により増殖
される寄生キャパシタンスおよび誘導性キャパシタンス
は回路内の導体線路間にクロストークを生じ、サンプラ
が発生する出力信号を甚だしく劣化させる。この妨害は
サンプラから抽出することができる可能最高中間周波数
をも制限する。これら短所に対する既知の一つの解決法
は基板上にこの各個別要素を形成して集積モノリシック
・サンプラを形成することである。

更に一層複雑な電子計測装置が開発されたことにより
一層高速で一層精巧なサンプリング機器に対する需要が
付随して生じてきた。極高速で正確、かつ確実なサンプ
ラを製造することによりこの要求を満たすという問題は
電子工業の設計者に大きな挑戦を提示した。100GHzの帯
域幅の障壁を破ることができる改良されたサンプラの開
発は電子計測の分野に大きな技術的進歩をもたらすこと
になろう。このような革新的装置を使用して測定の品位
を向上することができれば業界内部の長い間の必要性が
満たされると共に計器製造業者およびユーザが時間や金
銭の実質的消費を節約することができるようになるであ
ろう。

〔発明の目的〕

本発明は100GHz以上でも動作可能な極高速サンプラを
提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

本出願書で権利を主張するモノリシック・サンプラは
以前の計器の帯域幅を制約している回路設計または構成
要素の制限から生ずる、サンプリング速度が不当に低く
サンプリング・パルスが長いという問題を克服するもの
である。サンプラは五つの回路段を備えている。すなわ
ち、システムを駆動するのに使用することができる局部
発振器、高周波の縁の鋭いパルスを発生する衝撃波発生
器、反射減衰クランプ部、遅延部、および衝撃波の流れ
により調整され、IF出力を発生するサンプラ回路網、で
ある。局部発振器またはパルス発生器は非線形伝送線を
伝播する立上り縁の比較的のろい入力を発生する。この
入力が衝撃波発生部に達すると、バラクタと呼ばれる電
圧依存コンデンサとして使用される一連の超階段形ショ
ットキー・ダイオードに出会う。これらバラクタは入力
パルスを変形して衝撃波として知られている鋸歯状波形
の流れを発生する。衝撃波は回路のサンプリング部のサ
ンプリング・ダイオードを連続的に付勢する。これらの
ダイオードが付勢されると、それらはRF入力からサンプ
リング・コンデンサまでの通路を開き、コンデンサは入
力からのわずかな代表的電流により充電される。ダイオ
ードは短絡回路から到来衝撃波を反射することにより発
生される反対極性の衝撃波によりターンオフされる。入
力のサンプルすなわちスナップショットはこれらのコン
デンサからIF出力結合回路を通して引出される。サンプ
ルの持続時間はダイオードと短絡回路との間の衝撃波の
往復時間によって決まる。サンプラのクランプ部および
遅延部は回路を通じてスプリアス・リンギングを極小と
し、これらの反射の振動のタイミングを管理する。これ
らの反射は衝撃波発生器およびサンプリング・ダイオー
ドの動作を妨害しないように抑制される。

サンプラ全体は従来の半導体製作およびパッケージン
グの技法を用いて、単一基板上にモノリシックに集積さ
れる。得られるモノリシック・サンプラは非常に効率の
良い計器であり、非常に信頼性が良く製造しやすい。集
積構造は不必要な干渉を減らすと共に、個別構成要素を
精密に位置合せする高価なツールを必要とする経費のか
かる製作方法の必要性を排除する。モノリシック構造
は、個別回路要素を使用すれば必要になる、構成要素の
公差要件および構成要素の温度追従の必要を無くする。
衝撃波を発生するのに超階段形ダイオード装荷伝送線路
を使用することによりサンプラは100GHzを超える周波数
を測定することができる。本発明は、また、この種のサ
ンプラ回路から抽出することができる最高可能周波数を
発生することもできる。本出願書に開示し、権利を主張
しているモノリシック・サンプラは電子工業の技術者が
一層原価効率の良い、強力な診断、監視システムを構成
することができるようにする進歩した、非常に有用な計
器となる。

本発明の他の目標および目的の正しい認識、および本
発明の更に完全かつ包括的な理解は好適実施例について
の下記の説明を検討することにより、および付図を参照
することにより得ることができる。

〔発明の実施例〕

背景：非線形伝送線路本発明により達成される改良を完全に認識し理解する
には非線形伝送線路の理論を簡潔に説明する必要があ
る。本発明は非常に狭い、高速の鮮鋭な縁を有するパル
スの流れを形成して、入力波形の微小なスナップショッ
トすなわちサンプルを取る回路を作動させるのに衝撃波
発生器を利用している。これら鮮鋭パルスは極端に速い
一連の写真を撮るカメラにおいてシャッタを開く期間に
類似している。パルスの鮮鋭度の尺度はその前縁の傾斜
すなわちスロープに正比例する。最も鮮鋭な、すなわち
理想的なパルスは０ボルトで始まり、可能最短時間で或
る動作振幅電圧Ａまで上昇する。衝撃波はこの理想波形
に非常に近い。衝撃波の立上り時間は非常に短いので、
電圧対時間のグラフに描くと、その前縁はその傾斜が無
限大に近づき、次にその電圧が或る動作振幅Ａに到達す
ると０になって平らになる。ダイオードの立上り時間
は、しかし、ダイオードに固有の抵抗損失により制限さ
れている。衝撃波はゆるやかな傾斜の前縁を持つ一層正
弦波のように見える入力パルスを故意にゆがめることに
より非線形伝送線路で形成することができる。

第１図はバラクタとも呼ばれる電圧依存コンデンサで
橋絡された２本の導体から成る一般的な非線形伝送線路
を示す。各部分Δｘは図でＬ・Δｘと表わした固有イン
ダクタンスを備えている。正弦状または鋸歯状の信号が
この伝送線路の一方の側に加えられると、信号は伝送線
路を通って伝播し、或る時間の後、反対側端に届く。伝
送線路に沿って動くこのような信号の速さすなわち位相
速度は次式によって与えられる。

Vp＝1/〔LC（ｖ）〕^1/2m/s （１）ここでＬ＝単位長あたりのインダクタンスでヘンリ/mで
表わす。

Ｃ（ｖ）＝単位長あたりの非線形キャパシタン
ス。ファラド/mで表わす。

Ｖ＝非線形伝送線路に沿う電圧。ボルトで表わ
す。

Ｉ＝非線形伝送線路に沿う電流。アンペアで表わ
す。

位相速度Vpはそれ故バラクタのキャパシタンスCvの平方
根に逆比例し、このキャパシタンスはバラクタにかかる
電圧によって変る。所定の電圧範囲で非線形かつ非常に
変化するキャパシタンスを示すバラクタを「超階段」バ
ラクタと言う。超階段ダイオード・バラクタに対する関
数の関係は次式で与えられる。

Ｃ（ｖ）＝C_jo／（１＋V/φ）^m （２）ここでｍ＝キャパシタンスの勾配係数で、代表的には、
階段接合ダイオードに対して^１／_２、超階段接合ダイオ
ードに対しては^１／_２より大きい。

C_jo＝ゼロバイアス接合キャパシタンス（Ｖ＝０
のとき）。

φ＝GaAsショットキー・ダイオード・バラクタの
ビルトイン電圧で、代表的には0.72V。

第２図はｍおよびφが共に１に等しい場合の超階段バ
ラクタに対するキャパシタンス対電圧のグラフを示す。
衝撃波発生器が超階段バラクタを組込んでいれば、バラ
クタにより示されるキャパシタンスは低電圧に対して高
く、高電圧に対しては急速に減少する。第２図に描かれ
式（２）で叙述される関数を式（１）で計算すると、第
３図に示すプロットが得られる。このグラフは非線形伝
送線路に沿って動く信号の位相速度がその信号の電圧が
大きくなるにつれて次第に大きくなることを示してい
る。第３図は振幅が異なる二つの信号が同じ線を横切っ
て同時に加えられると、電圧の高い方の信号が、のろい
信号がその自身の移動を完了する前に線路の端に到達す
ることを示す。

衝撃波発生器の機能を説明する観点から、この理論か
ら発生する重要な原理は、波形が非線形伝送線路に沿っ
て進行するとき、同じ波形の異なる部分が、その波形の
各個別の振幅または電圧に応じて、異なる時間に線路の
端に到達するということである。特に、第４図は時間Ti
の後、振幅Ａまで上昇する低い振幅を有する前縁を備え
た波形を表わしている。この信号が第１図に描いた非線
形伝送線路に沿って進行すると、この信号の高電圧の部
分が信号の低振幅の部分より大きい速さで線路を進行す
ることになる。この非線形性のため、究極的に、信号の
高電圧の部分が、その伝播速度がより大きいことによ
り、その信号自身の前縁の低電圧部分に追いつき、これ
を捕えて衝撃波を発生する。波形の高電圧部分が追いつ
いた瞬間に、信号の二つの部分が、第５図に示すよう
に、重なり合う。

第５図に描いたこのスパイクはサンプラ回路で良好に
利用することができる衝撃波である。衝撃波を発生する
際に最も重要な因子は伝送線路の構成であって、これは
入力波形の高電圧部分が低電圧部分に追いついて衝撃波
を形成することができるよう充分に長くする。衝撃波を
合成する場合の臨界線路長l_Bは次式で与えられる。

l_B＝（v_PO・Ti）／（１−｛v_PO／v_PA｝）ここでv_POはＶが実質上０である場合の信号の位相速
度。

TiはＶ＝０とＶ＝Ａとの間の入力遷移時間、 v_PAはＶ＝Ａのときの信号の位相速度。

伝送線路に沿って適切な区間l_Bを選定することによ
り、100GHzを超える未到のサンプリング帯域幅を備えた
サンプラ回路用の、速度の速い一連の縁の鋭いパルスを
供給する衝撃波発生器を設計することができる。

サンプラ回路構成の概略説明第６図はサンプラ回路10の概要図を示す。局部発振器
段12は局部正弦波発振器18により駆動される平衡変圧器
16の入力側と直列になっているソース抵抗14を備えてい
る。サンプラ回路10に組込まれている平衡変圧器16の詳
細な説明は1979年にマサチュセッツ州DedhamのArtech H
ouseから刊行された、K.C.Gupta等の著した「マイクロ
ストリップ・ラインおよびスロットライン（Microstrip
Lines and Slotlines）」と題するテキストに見ること
ができる。衝撃波発生段20は上部分岐22および下部分岐
24を備えた非線形伝送線路を備えている。複数の衝撃波
発生器段バラクタ26は慎重に選定した間隔28で伝送線路
22および24の２本の導体を接続している。クランピング
・ダイオード段30は衝撃波発生器20に続く。クランピン
グ・ダイオード段の一つのバラクタ36はサンプラ10のこ
の区画で伝送線路の上部分岐32と下部分岐34とを接続し
ている。

無負荷伝送線路導体40および42を備えている遅延段38
はクランピング・ダイオード段30とサンプリング段44と
の間にある。この最終区画には抵抗性ショート50と直列
に接続された上部導体46および下部導体48を備えた伝送
線路がある。サンプラ段44の内部の回路通路およびルー
プに沿う多数の接合すなわち接続点には小文字ａからｎ
までを付けて読者が特定の構成要素の位置をつきとめる
のに役立ててある。第１のRF（無線周波数）入力終端抵
抗52は線46の接続点ａに、および接続点ｃで第２のRF入
力終端抵抗54に接続されており、この終端抵抗54は、接
続点ｂで線48にも接続されている。第１のサンプリング
・コンデンサ56は接続点ｄで伝送線路46に、および接続
点ｆで第１のサンプリング・ダイオード58の陽極端子に
接続されている。第１のサンプリング・ダイオード58の
陰極端子は接続点ｇで第２のサンプリング・ダイオード
60の陽極端子に接続されている。第２のサンプリング・
コンデンサ62は接続点ｈでの第２のサンプリング・ダイ
オード60への結合、および接続点ｅでの伝送線路48への
結合を通してこの通路を完成する。

導体が接続点ｃおよびｇを、RF入力正端子として働く
接続点ｉに接合しており、接続点ｉは接続点ｊの接地端
子と対を成している。

IF（中間周波数）結合回路網64はサンプリング段44の
中にある。この回路網64は接続点ｆで始まり接続点ｈで
終るループである。直列に配置されている回路64の構成
要素には接続点ｆとｋとの間の第１のIF出力結合抵抗器
66、接続点ｋとｌとの間の第１のIF出力結合コンデンサ
68、接続点ｌとｍとの間の第２のIF出力結合コンデンサ
70、および接続点ｍとｈとの間の第２のIF出力結合抵抗
器72がある。第３のIF出力結合抵抗74は接続点ｋとｍと
を橋絡している。接続点ｌと接地接続点ｎとはサンプラ
のIF出力の端子として働く。

好適実施例に対する設計考察および仕様第６図に示すバラクタ26および36は非線形電圧依存コ
ンデンサとして働く装置であればどんなものでもよい。
本発明の最良の態様では、超階段GaAsショットキ・ダイ
オードを使用している。これらは概要図では該素子の固
有抵抗を説明するためにダイオードおよび抵抗器の二つ
の記号で表わしてある。超階段ダイオードはその著しく
非線形キャパシタンス対電圧特性に関して選択してあ
る。これら要素のこの大きな非線形性のため、設計者は
比較的短い非線形伝送線路22、24を使用して狭くかつ鋭
い縁を有するパルスを得ることができる。ダイオード26
のゼロ・バイアス接合キャパシタンスCjo、およびダイ
オード同志の間隔28は、装荷線路22、24の大信号インピ
ーダンスが50オームになり、遮断周波数が所定の衝撃波
パルスのスペクトル周波数よりはるかに高くなるように
選定される。

対照的に、クランピング・ダイオード部30のダイオー
ド・バラクタ36は衝撃発生器ダイオード26より小さなCj
oおよび大きな直列抵抗を備え、サンプラ回路10の内部
の反射により生ずるスプリアス・リンギングを極小にし
ている。Cjoの値が比較的小さいことにより「導通」コ
ンダクタンスが低くなりRCjo時定数を同一に保ちながら
一層多くの電力を吸収する。積RCjoは一定に保たれて区
画30による衝撃波の前縁の劣化を可能な限り少くしてい
る。直列抵抗Ｒが大きくなれば、一層多くの電力を吸収
することにより反射が減る。サンプリング部44から反射
する信号の極性は到来する信号とは反対であり、したが
ってクランピング30でダイオードを順方向にバイアスす
る。この結果、反射信号はクランピング・ダイオード36
で抵抗性負荷を加えられ、したがって強く吸収される。

このサンプラに対する伝送線路の選択は一般に特定の
モノリシック集積の目的によって制限されるだけであ
り、これについては以下に詳細に説明する。周知の広く
利用されているどんな伝送線路の組合せでも使用するこ
とができる。これらにはマイクロストリップ、共面導波
管、共面線路、および各種スロットライン構成がある。
伝送線路22、24の無負荷特性インピーダンスは、固有分
散のレベルが受容不可能に高くなり衝撃波発生器パルス
の立上り時間が短いという性質を劣化させることになる
インピーダンスまで、可能な限り高く選定される。高無
負荷インピーダンスは、また、縁の鋭いパルスを発生す
る、ダイオード・バラクタ26のキャパシタンスによる容
量性負荷を大きくすることを可能にする。各間隔28の長
さはその関連する遅れが区画20で発生した衝撃波の立上
り時間よりはるかに短くなるように選択される。無負荷
インピーダンスが高いと単位長あたりのインダクタンス
が大きくなり、かつ単位長あたりのキャパシタンスが小
さくなって衝撃波発生器部の全線長を短くしやすくな
る。遅延部38は特性インピーダンスが50オームの無負荷
伝送線路40、42を備えている。遅延部38の長さは反射信
号が衝撃波の前縁とインタフェースしないように選択さ
れる。このためには区画38で導入される遅延が区画20で
発生される衝撃波の立上り時間の少くとも２倍でなけれ
ばならない。

サンプリング段44において、抵抗性短絡部50は短絡伝
送線路として動作する非常に低い抵抗を発生する。この
構成部分はサンプラ回路10の終端であって、局部発振器
段12に向って線路46および48を戻る反射を発生する。こ
の短絡部はサンプリング・ダイオードを遮断する逆極性
反射波を送り返す。区画30の端から抵抗性ショート50
へ、および区画30の端まで戻るパルスの全往復時間はパ
ルス反復速さより小さくして連続パルス間の干渉を防止
するのがよい。

SPICEソフトウェアー・パッケージを使用して本発明
人が行った実際のシミュレーションに基き、回路10の好
適実施例での各種構成要素およびパラメータの仕様を次
の表に示す。

第１表局部発振器段12 ソース抵抗14 50オーム衝撃波発生器段20 無負荷伝送線路インピーダンスZ₀ 203.5オームダイオード26間の伝送時間遅れ 0.39ピコ秒ゼロバイアス接合キャパシタンスCjo 210fF ダイオード接合ドーパント格付け（grading）係数ｍ 1.5 ダイオード直列抵抗 15オームダイオード26の数 15 クランピング・ダイオード段30 無負荷伝送線路インピーダンスZ₀ 57オーム伝送時間遅れ 1.4ピコ秒ゼロバイアス接合キャパシタンスCjo 50fF ダイオード接合ドーパント格付け係数ｍ 1.5 ダイオードの直列抵抗 25オームダイオード36の数１遅延段38 伝送線路インピーダンスZ₀ 50オーム伝送線路時間遅れ 15ピコ秒サンプリング段44 RF入力終端抵抗器52および54 100オームサンプリング・コンデンサ56および62 2pF サンプリング・ダイオード58および60: ゼロバイアス接合キャパシタンスCjo 100fF 接合ドーパント格付け係数ｍ 1.5 直列抵抗１オーム IF出力結合抵抗器66および72 ５オーム IF出力結合抵抗器74 90オーム IF出力結合コンデンサ68および70 4pF 短縮伝送線路インピーダンスZ₀ 50オーム短縮伝送線路遅れ５ピコ秒抵抗性ショート50の抵抗 15オームサンプラの動作および実験結果サンプラ10の動作を開始するには、サンプルすべき無
線周波数入力を第６図に示す端子ｉおよびｊにわたって
加える。入力インピーダンスを50オームに合せる。

局部発振器段12からのサンプリング信号は衝撃波発生
器段20に入り、ダイオード26の非線形性によりサンプラ
を駆動するのに使用される険しい縁が生ずる。或る高い
中間周波数の用途では、パルス発生器を除去することが
でき、サンプラ10を正弦局部発振器18で駆動することが
できる。伝送線路22および24の上部および下部の分岐は
第６図で「＋」および「−」の符号で示すように正およ
び負の極性を持っている。この極性の結果、入力パルス
の前縁が各ダイオード26を逆バイアス状態に駆動する。
この入力により発生される衝撃波は伝送線路に沿って進
行して接続点ａおよびｂでサンプリング段44に入る。サ
ンプリング・ダイオード58および60の配列のため、第１
のサンプリング・ダイオード58は接続点ｄから接続点ｅ
にわたって加えられる正電圧により順方向にバイアスさ
れる、すなわち導通する。第２のサンプリング・ダイオ
ード60も接続点ｅから接続点ｄにわたって加えられる負
電位のため順方向にバイアスされる、すなわち導通す
る。両ダイオード58および60が衝撃波パルスにより導通
すると、電流のわずかなサンプルが接続点ｄから接続点
ｅまでの通路を通って流れる。サンプリング・コンデン
サ56および62で捕らえられた電荷の差により電流が、ブ
リーディング（bleeding）抵抗66、72および74を含むIF
結合回路網64を通って、流れる。これら三つの抵抗器の
抵抗はパルス反復速さを大きくするよう可能な限り小さ
くなっている。抵抗器74の抵抗の抵抗器66および72の抵
抗の和に対する比はIF変換効率が可能な限り最高になる
ように可能な限り大きくなっている。コンデンサ68およ
び70はサンプルした電流を貯えず、その目的は、それが
無い場合回路網64を流れるDC電流を阻止することであ
る。接続点ａとｂとの間にある抵抗器52および54はサン
プラ段44でRF信号を吸収する負荷抵抗器である。

抵抗性短絡路50は伝送線の低インピーダンス終端であ
る。伝送線路のこの部分は衝撃波を微分して幅が伝送線
路遅れの２倍に等しい狭いパルスを発生する。信号が抵
抗性短絡50に到達すると、伝送線路の反対の端に向って
逆極性の反射としてはね返る。これらの反射波形は、サ
ンプリング・ダイオードのバイアスを逆転してそれらを
ターンオフし、サンプリングパルスの時間接続を決定す
る。これら反射波は、また、クランピング・ダイオード
段30で制御されるスプリアス・リンギングを生ずる。ク
ランピング部が所定位置に無ければ、反射波は衝撃波発
生器バラクタ26を順方向にバイアスすることになる。サ
ンプリング段44に向って戻る第２の反射はサンプリング
・ダイオード58および60を悪い時機に導通させる。クラ
ンピング・ダイオード36の順方向バイアス・コンダクタ
ンスがバラクタ・ダイオード26より低いので、サンプリ
ング・ダイオード58および60に戻る反射が減る。クラン
ピング・ダイオード36は直列抵抗も高いので一層多い電
力を吸収して反射を減らす。

サンプラ10の混合IF出力は端子ｌおよびｎから取出さ
れる。第７図および第８図はシミュレーション結果を示
すものでサンプリング・ダイオード58および60を通る電
流パルスを描いてある。第８図は第７図に示すパルスの
一つの拡大図（１目盛が10ピコ秒）である。グラフは最
大値の1/2のところで全幅2.6ピコ秒を示すサンプリング
・ダイオードを通る電流を描いたもので、この幅は約13
4GHzの3dBの帯域幅を表わしている。

モノリシック・サンプラの製作上述したサンプラ回路装置のモノリシック構成は伝統
的な写真食刻法を用いて実現される。第９図（ａ）は半
絶縁（S.I.）砒化ガリウム（GaAs）基板76の上に形成し
たダイオード75の側面図を示す。これらダイオード75を
変えて上に説明したダイオード26、36、58、または60を
作ることができる。次に分子ビーム・エピタキシー法を
用いてn⁺層78をS.I.基板76上に成長させる。最上層80は
やはり分子ビーム・エピタキシー法を用いて形成される
ｎ（Ｘ）層と呼ばれる超階段ドーピング層である。この
ドーピング・プロフィールｎ（Ｘ）は上の方程式（２）
で述べた必要なキャパシタンス変化を生ずる。この式ｍ
値はドーピング・プロフィールｎ（Ｘ）を決める。個々
のダイオードを陽子ボンバードメントにより分離し、ｎ
（Ｘ）層の部分をエッチしてから、オーミック接触82を
チタン−金−ゲルマニウム合金から堆積し、ショットキ
ー接触84をチタン−白金−金金属を用いて堆積する。第
９図（ｂ）は堆積したショットキー接触84の上面図を示
す。１対の伝送線路86（これを上述では22、24、32、3
4、40、42、46、および48と称している）を舌部88およ
びヨーク部90を通して結合する。オーミック接触92はヨ
ーク部90の上に形成されているように示してある。第９
図（ｃ）はモノリシックに製作した抵抗器94を示すもの
で、その両端でオーミック接触98と接合しているn⁺スト
リップを備えている。コンデンサは２枚の接続金属を誘
電体様窒化シリコンで分離することにより形成される。
窒化シリコンは他の構成要素のパシベーション層として
も使用される。第９図に示す抵抗器およびコンデンサは
コンデンサ56、62、68、および70、および抵抗器50、5
2、66、72、および74を作る種々な値を取るように製作
される。適切なドーピング・レベルを決定するのに使用
される関数を第10図に示す。第11図は１対の伝送線路86
を接続しているダイオード75の完成したアレイを示す
（これはダイオード26、36、58、または60を作るように
変えることができる）。

第12図は完成したモノリシック・サンプラの概要図を
示す。局部発振器18からの入力は平衡不平衡変成器16を
通って、ダイオード26により接続されている伝送線路22
および28を備えた衝撃波発生器部20に伝えられる。衝撃
波発生器20の出力端はクランピング部30を通して遅延部
38と結合されている。最後に、衝撃波はサンプラ部44に
入るが、これを第13図に拡大図で示してある。伝送線路
部40および42は衝撃波を抵抗器52および54を通ってサン
プラ部44のコンデンサ56および62に運ぶ。サンプリング
・ダイオード58および60はコンデンサ56および62とRF入
力との間に直列に示してある。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明を用いることにより、10
0GHz以上でもサンプリング動作が可能な、信頼性が高
く、製造しやすいサンプラを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はバラクタによって橋絡された、非線形伝送線路
の概略図である。第２図は超階段バラクタに印加される電圧とキャパシタ
ンスとの関係を示す図である。第３図は信号が非線形伝送線路を移動するときの位相速
度の、超階段バラクタに現われる信号電圧に対する依存
性を示す図である。第４図及び第５図は第１図に示す非線形伝送線路を波形
が移動するときの波形の変化を示す図であり、第４図は
信号が線路の入力端に入る時の信号の電圧対時間をプロ
ットした図、第５図は信号が線路の出力端に向けて移動
したときの結果生じる衝撃波を示す図である。第６図は本発明の概略回路図である。第７図及び第８図は本発明の使用によって達成される利
益を表すシミュレーション結果の図である。第９図は本発明の一部分のモノリシック構造を示す図で
ある。第10図はモノリシック・ダイオードのｎ（Ｘ）層にわた
るドーピングプロフィールを作成するのに用いられる方
程式のグラフを示す図である。第11図は２つの伝送線路のにわたって形成された一連の
超階段ダイオードを示す図である。第12図は全サンプラ回路のモノリシック集積を示す概略
図である。第13図は第12図の一部を拡大した図である。 12:局部発振器段 20:衝撃波発生段 30:クランピング・ダイオード段 38:遅延段 44:サンプリング段

フロントページの続き (72)発明者ウイリアム・ジヨン・アンクラムアメリカ合衆国カリフォルニア州サンタ・ローザモンテシード・ブルーバート 6600 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01R 19/00 - 19/32 G01R 13/00 - 13/42

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】局部発振器からの信号を供給する局部発振
器信号供給手段と、前記局部発振器信号供給手段に結合され、複数のバラク
タによって橋絡された非線形伝送線路を有する衝撃波発
生手段と、前記衝撃波発生手段に結合され、一対のサンプリング・
ダイオードと、中間周波サンプル出力を発生する出力端
子を有する中間周波出力回路網と、に結合された一対の
サンプリング・コンデンサを有し、入力信号をサンプリ
ングするサンプリング手段と、を備えて成るサンプラ。
【請求項２】前記衝撃波発生手段と前記サンプリング手
段との間に、バラクタを有するクランピング手段をさら
に備えて成る請求項（１）記載のサンプラ。
【請求項３】前記クランピング手段と前記サンプリング
手段との間に、信号遅延手段をさらに備えて成る請求項
（２）記載のサンプラ。
【請求項４】前記衝撃波発生手段内の前記バラクタが、
超階段バラクタであることを特徴とする請求項（１）記
載のサンプラ。
【請求項５】前記超階段バラクタが、ショットキー超階
段ダイオードであることを特徴とする請求項（４）記載
のサンプラ。
【請求項６】前記非線形衝撃波発生段のバラクタが、超
階段バラクタであることを特徴とする請求項（２）記載
のサンプラ。
【請求項７】前記局部発振器がパルス発生器であること
を特徴とする請求項（２）記載のサンプラ。
【請求項８】平衡トランスおよび局部発振器に直列に接
続されたソース抵抗を有する局部発振器段と、伝送線路上に所定の間隔で、同じ極性で接続された複数
のほぼ均一に分散された非線形バラクタによって橋絡さ
れた、平衡型の２導体非線形伝送線路を有し、前記局部
発振器段に結合された衝撃波発生器段と、前記衝撃波発生器段のバラクタと同じ極性で結合され、
該バラクタより小さいゼロ・バイアス・キャパシタンス
とより大きい直列抵抗を有する非線形バラクタによって
橋絡された伝送線路を有し、前記衝撃波発生器段に結合
されたクランピング・ダイオード段と、前記局部発振器段に向けて無負荷伝送線路に沿って伝播
する反射信号をダンピングする所定のインピーダンスを
有する無負荷伝送線路を有し、前記クランピング・ダイ
オード段に結合された遅延段と、前記遅延段に結合されたサンプリング段であって、ノードａ、ｂ、ｄ、およびｅの第１のグループを有し、
抵抗性ショートで終端する伝送線路と、前記ノードａとｂとの間に直列に接続され、それらの間
にノードｃを規定する一対のRF入力終端抵抗と、前記ノードｄとｅとの間に直列に接続され、該ノード間
にノードｆ、ｇ、およびｈの第２のグループを規定す
る、第１サンプリング・コンデンサ、第１サンプリング
・ダイオード、該第１サンプリング・ダイオードと同じ
極性で整列された第２サンプリング・ダイオード、およ
び第２サンプリング・コンデンサと、前記第１、第２サンプリング・ダイオードの間の前記ノ
ードｇと前記ノードｃとに接続された端子ｉと、接地さ
れた端子ｊとの一対のRF入力端子と、前記サンプリング・ダイオード段内で前記ノードｆおよ
びｈにおいて結合され、前記ノードｆに接続された第１
の中間周波出力結合抵抗と、ノードｋと、第１の中間周
波出力結合コンデンサと、中間周波出力端子ｌと、第２
の中間周波出力結合コンデンサと、ノードｍと、前記ノ
ードｈに接続された第２の中間周波出力結合抵抗と、を
直列に有し、さらに、前記ノードｋとｍとの間に接続さ
れた第３の中間周波出力結合抵抗と接地された端子ｎと
を有し、前記端子ｌとともに、中間周波サンプル出力を
発生する中間周波出力結合回路網と、を有するサンプリング段と、を備えて成るサンプラ。