JP4662115B2 - フローティングゲートmosfetを用いた非線形抵抗回路 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、フローティングゲートMOSFETを用いた非線形抵抗回路に係り、特に、多様なN字型電圧−電流特性を実現する回路に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、このような分野の参考文献としては、以下に開示されるようなものがあった。
【0003】
参考文献(1):特許第3007327号:Y.Horio,K.Watarai,and K.Aihara,“Nonlinear resistor circuits using capacitively coupled multi−input MOSFETs,” IEICE Trans.Fundamentals,vol.E82−A,no.9,pp.1926−1936,1999.
参考文献(2):K.Matsuda,Y.Horio,and K.Aihara,“A simulated LC oscillator using multi−input floating−gate MOSFETs” in Proc.IEEE Int.Symp.on Circuits and Syst,.vol.III ,pp.763−766,2001.
参考文献(3):松田欣也、天野智紀、堀尾喜彦、合原一幸、“容量性結合多入力MOSFETを用いたLC発振回路,”電子情報通信学会 第13回 回路とシステム(軽井沢)ワークショップ論文集、pp.35−40,2000.
参考文献(4):松田欣也、堀尾喜彦、合原一幸、“アクティブインダクタ回路の高Q化の一手法、”信学技報 vol.NLP2001−39,pp.37−41,2001.
参考文献(5):T.Matsumoto,L.O.Chua,and M.Komuro,“The double scroll,”IEEE Trans.on Circuits and Syst.,vol.CAS−32,no.8,pp.798−817,1985.
参考文献(6):J.M.Cruz and L.O.Chua,“A CMOS IC nonlinear resistor for Chua’s circuit,”IEEE Trans.on Circuit and Syst.,1,vol.39,no.12,pp.985−995,1992.
従来、負の電圧−電流(V−I)特性領域を持つ回路の1つとして、多入力フローティングゲートMOSFETを用いた非線形抵抗回路が本願発明者らによって提案されており〔上記参考文献(1)〕、インダクタシミュレーションや正弦波発振回路に応用されている〔上記参考文献(2)〜(4)〕。これらの回路によれば、Λ字型およびV字型の非線形抵抗特性が実現でき、さらに、それらの特性は外部電圧により変更可能である。
【0004】
また、N字型の非線形抵抗特性は、中央付近に負性抵抗領域があるため、発振回路やニューロン素子等に広く応用されている。特に、3次や5次の区分線形特性で近似できるものは、LやC等と組み合わせることで、正弦波発振回路やカオス発生回路等が構成できる〔上記参考文献(5),(6)〕。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記状況に鑑み、上記した多入力フローティングゲートMOSFETを用いた非線形抵抗回路を応用し、3次から7次までの区分線形関数で近似できるような、様々なN字型特性を実現でき、さらにそれらの特性を外部電圧により多様に変化させることができる、N字型のV−I特性を実現するフローティングゲートMOSFETを用いた非線形抵抗回路を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔1〕フローティングゲートMOSFETを用いた非線形抵抗回路において、多入力フローティングゲートMOSFETを用いたΛ字型の非線形抵抗回路とV字型の非線形抵抗回路を並列に接続し、前記Λ字型の非線形抵抗回路の電流と前記V字型の非線形抵抗回路の電流を加算することにより、多様なN字型電圧−電流特性を合成するとともに、前記N字型電圧−電流特性を連続的に変化させ、3次から7次までの各次数の区分線形特性で近似できる電圧−電流特性を実現することを特徴とする。
【0007】
〔2〕上記〔1〕記載のフローティングゲートMOSFETを用いた非線形抵抗回路において、前記3次特性は、前記Λ字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性及びV字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性の負性抵抗部を線形になるようにし、その両方の特性を、前記Λ字型の非線形抵抗回路の入力端子とN−チャネルMOSFETのドレイン端子間の電圧及び前記V字型の非線形抵抗回路の入力端子とP−チャネルMOSFETのドレイン端子間の電圧によりそれぞれ左と右方向に並行移動させて合成することを特徴とする。
【0008】
〔3〕上記〔1〕記載のフローティングゲートMOSFETを用いた非線形抵抗回路において、前記3次特性は、前記Λ字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性及びV字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性の負性抵抗部を線形になるようにし、その両方の特性を、前記Λ字型の非線形抵抗回路のフローティングゲートP−チャネルMOSFETのドレイン端子と接地間の電圧及び前記V字型の非線形抵抗回路のフローティングゲートN−チャネルMOSFETのドレイン端子と接地間の電圧によりそれぞれ左と右方向に並行移動させて合成することを特徴とする。
【0009】
〔4〕上記〔1〕記載のフローティングゲートMOSFETを用いた非線形抵抗回路において、前記4次特性は、前記Λ字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性又はV字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性のどちらかの特性の負性部分の傾きを調整することにより、その特性自身に傾きの変化を持たせ、前記Λ字型の非線形抵抗回路の入力端子とN−チャネルMOSFETのドレイン端子間の電圧及び前記V字型の非線形抵抗回路の入力端子とP−チャネルMOSFETのドレイン端子間の電圧によりそれぞれ左と右方向に並行移動させて合成することを特徴とする。
【0010】
〔5〕上記〔1〕記載のフローティングゲートMOSFETを用いた非線形抵抗回路において、前記4次特性は、前記Λ字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性又はV字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性のどちらかの特性の負性部分の傾きを調整することにより、その特性自身に傾きの変化を持たせ、前記Λ字型の非線形抵抗回路のフローティングゲートP−チャネルMOSFETのドレイン端子と接地間の電圧及び前記V字型の非線形抵抗回路のフローティングゲートN−チャネルMOSFETのドレイン端子と接地間の電圧によりそれぞれ左と右方向に並行移動させて合成することを特徴とする。
【0011】
〔6〕上記〔1〕記載のフローティングゲートMOSFETを用いた非線形抵抗回路において、前記5次特性は、前記Λ字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性及びV字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性の両方の特性の負性部分の傾きを調整することにより、その特性自身に傾きの変化を持たせ、前記Λ字型の非線形抵抗回路の入力端子とN−チャネルMOSFETのドレイン端子間の電圧及び前記V字型の非線形抵抗回路の入力端子とP−チャネルMOSFETのドレイン端子間の電圧によりそれぞれ左と右方向に並行移動させて合成することを特徴とする。
【0012】
〔7〕上記〔1〕記載のフローティングゲートMOSFETを用いた非線形抵抗回路において、前記5次特性は、前記Λ字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性及びV字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性の両方の特性の負性部分の傾きを調整することにより、その特性自身に傾きの変化を持たせ、前記Λ字型の非線形抵抗回路のフローティングゲートP−チャネルMOSFETのドレイン端子と接地間の電圧及び前記V字型の非線形抵抗回路のフローティングゲートN−チャネルMOSFETのドレイン端子と接地間の電圧によりそれぞれ左と右方向に並行移動させて合成することを特徴とする。
【0013】
〔8〕上記〔1〕記載のフローティングゲートMOSFETを用いた非線形抵抗回路において、前記6次特性は、前記Λ字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性又はV字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性のどちらかの特性の負性部分の傾きを調整することにより、その特性自身に傾きの変化を持たせ、前記Λ字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性及びV字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性の両方の特性を、前記Λ字型の非線形抵抗回路の入力端子とN−チャネルMOSFETのドレイン端子間の電圧及び前記V字型の非線形抵抗回路の入力端子とP−チャネルMOSFETのドレイン端子間の電圧によりそれぞれ横軸方向に並行移動させて合成することを特徴とする。
【0014】
〔9〕上記〔1〕記載のフローティングゲートMOSFETを用いた非線形抵抗回路において、前記6次特性は、前記Λ字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性又はV字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性のどちらかの特性の負性部分の傾きを調整することにより、その特性自身に傾きの変化を持たせ、前記Λ字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性及びV字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性の両方の特性を、前記Λ字型の非線形抵抗回路のフローティングゲートP−チャネルMOSFETのドレイン端子と接地間の電圧及び前記V字型の非線形抵抗回路のフローティングゲートN−チャネルMOSFETのドレイン端子と接地間の電圧によりそれぞれ横軸方向に並行移動させて合成することを特徴とする。
【0015】
〔10〕上記〔1〕記載のフローティングゲートMOSFETを用いた非線形抵抗回路において、前記7次特性は、前記Λ字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性及びV字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性の両方の特性の負性部分の傾きを調整することにより、その特性自身に傾きの変化を持たせ、前記Λ字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性及びV字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性の両方の特性を、前記Λ字型の非線形抵抗回路の入力端子とN−チャネルMOSFETのドレイン端子間の電圧及び前記V字型の非線形抵抗回路の入力端子とP−チャネルMOSFETのドレイン端子間の電圧によりそれぞれ横軸方向に並行移動させて合成することを特徴とする。
【0016】
〔11〕上記〔1〕記載のフローティングゲートMOSFETを用いた非線形抵抗回路において、前記7次特性は、前記Λ字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性及びV字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性の両方の特性の負性部分の傾きを調整することにより、その特性自身に傾きの変化を持たせ、前記Λ字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性及びV字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性の両方の特性を、前記Λ字型の非線形抵抗回路のフローティングゲートP−チャネルMOSFETのドレイン端子と接地間の電圧及び前記V字型の非線形抵抗回路のフローティングゲートN−チャネルMOSFETのドレイン端子と接地間の電圧によりそれぞれ横軸方向に並行移動させて合成することを特徴とする。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【0018】
まず、N字型非線形抵抗回路について説明する。ここで、Λのサフィクスは表示の都合上、 A として表示することにする。
【0019】
第1図は本発明にかかるフローティングゲートMOSFETを用いたN字型非線形抵抗回路図、第2図は第1図中の各種のVxy−I A 特性(数値シミュレーション)図であり、第2図(a)はV xA 、第2図(b)はV yA 、第2図(c)はV nA 、第2図(d)はV pA をパラメータとしたときの特性図、第3図は第1図中の各種のVxy−IV 特性(数値シミュレーション)図であり、第3図(a)はVxV、第3図(b)はVyV、第3図(c)はVnV、第3図(d)はVpVをパラメータとしたときの特性図である。
【0020】
第1図に示すように、この回路は多入力フローティングゲートMOSFETを用いたΛ字型の非線形抵抗回路1とV字型の非線形抵抗回路2〔参考文献(1)〕を並列に接続した構成である。第2図および第3図に、第1図中のI A およびIV のVxyに対する非線形抵抗特性をそれぞれ示している。
【0021】
まず、Λ字型の非線形抵抗回路1について説明する。
【0022】
第1図に示すように、多入力フローティングゲートP−チャネルMOSFETであるM pA は、通常のP−チャネルMOSFETのゲート端子に、キャパシタC p2A とC p1A を結合し、それらを入力端子とする。このようにキャパシタC p2A とC p1A を介して入力を加えることにより、P−チャネルMOSFET・M pA のゲート端子は等価的にフローティングとなる。また、このM pA には直列にN−チャネルMOSFETであるM nA が接続されている。
【0023】
次に、V字型の非線形抵抗回路2について説明する。
【0024】
第1図に示すように、多入力フローティングゲートN−チャネルMOSFETであるMnVは、通常のN−チャネルMOSFETのゲート端子に、キャパシタCn1V とCn2V を結合し、それらを入力端子とする。このようにキャパシタCn1V とCn2V を介して入力を加えることにより、N−チャネルMOSFET・MnVのゲート端子は等価的にフローティングとなる。また、このMnVには直列にP−チャネルMOSFETであるMpVが接続されている。
【0025】
これらの第1図および第2図に示すように、第1図中の各電圧により、様々なVxy−I A およびVxy−IV 特性が得られることが分かる〔参考文献(1)〕。第1図に示す回路ではI A とIV を加算することにより、多様なN字型Vxy−IN 特性を合成することができる。
【0026】
第1図中のI A およびIV の各制御電圧に対する特性を記述する理論式は、参考文献(1)中に示されている。ここではそれらの特性を簡単に
I A =f A (Vxy,V xA ,V yA ,V nA ,V pA ), …(1)
IV =fV (Vxy,VxV,VyV,VnV,VpV), …(2)
と表すことにする。この時、第1図より
IN =I A +IV
=f A (Vxy,V xA ,V yA ,V nA ,V pA )
+fV (Vxy,VxV,VyV,VnV,VpV) …(3)
と表すことができる。
【0027】
第4図は本発明にかかる区分線形に近似したV−I特性図であり、第4図(a)は3次特性、第4図(b)は4次特性、第4図(c)は5次特性、第4図(d)は6次特性、第4図(e)は7次特性を示している。
【0028】
第1図で得られるVxy−IN 特性は、連続的に変化できるが、以下ではこの特性を第4図に示すような3次から7次までの区分線形の特性に近似して説明する。ここで、線形区間の数を次数と呼ぶ。また、各線形区間の端点をブレイクポイントと呼ぶ。
【0029】
ここで、第4図中の各次数の特性を実現する方法を簡単に定性的に述べる。
【0030】
まず、第4図(a)に示す3次特性は、第2図および第3図のVxy−I A およびVxy−Iv 特性を、第1図中のV xA またはV yA 、およびVxVまたはVyvによりそれぞれ左と右方向に並行移動させて合成することで得られる。この際、Vxy−IN 特性の中央付近が全体として1つの線形区分になるようにすればよい。このためにはΛ字型およびV字型の特性の負性部分ができるだけ線形であることが望ましい。すなわち、V nA ,V pA ,VnV,VpVの設定が重要である。この様子を第5図に示す。
【0031】
これと同様に4次から7次の特性が実現できる。これらの特性は3次特性とは異なり、特性の中央部分にもブレイクポイントが必要となる。これは、特に第1図中のV pA およびVnVを調整することで実現可能である。4次特性はVxy−I A またはVxy−IV のどちらかの特性の負性部分の傾きを調節することにより実現でき、5次特性はΛ字型およびV字型の特性の両方を同時にそのようにすることにより実現できる。また、6次特性は、4次特性で用いたΛ字型およびV字型の特性を、第1図中のV xA またはV yA 、およびVxVまたはVyvによりそれぞれ横軸方向に並行移動して実現する。さらに、7次特性は、5次特性を元に、同様の方法で得られる。
【0032】
これら3次から7次の全ての特性において、各ブレイクポイントおよび区分線形部分の傾きを変化させることができる。このことを、通常よく用いられる3次と5次の特性を例に挙げて以下に詳しく説明する。
【0033】
(1)3次特性
以下の方法で、第4図(a)中のブレイクポイントの電流軸座標IBP- およびIBP+ を固定し、電圧軸座標VBP- およびVBP+ を変えることで傾きm0 のみを変化させることができる。まず、VBP- およびVBP+ をV xA またはV yA 、およびVxVまたはVyvにより決定しておく。次いで、これらを変化させないようにしながらV nA ,V pA ,VnV,VpVの各電圧によりIBP- およびIBP+ を調整しm0 を決定する。この場合、IBP- とIBP+ を固定しておくことが必要であるため、特にV pA とVnVが重要なパラメータとなる。
【0034】
次に、傾きm0 を固定してブレイクポイントBP-,BP+を調整する方法を示す。まず、VBP- ,VBP+ をV xA またはV yA 、およびVxVまたはVyvにより決定し、次に、これを主にV nA およびVpVにより、電圧軸方向に拡大あるいは縮小してブレイクポイントを移動させる。
【0035】
(2)5次特性
5次特性でも、第4図(c)中のBP1- ,BP1+ ,BP2- およびBP2+ の4つのブレイクポイントを固定し、傾きm0 およびm1 のそれぞれを調整可能である。m0 のみの変化では、Λ字型およびV字型特性の負性抵抗部分の傾きの変化を利用するため、V pA ,VnVが重要なパラメータになる。m1 の調整は、V yA およびVyVで可能であり、その後、他の電圧によりブレイクポイントを調整する。
【0036】
また、次のようにして傾きm0 およびm1 を固定しながら、各ブレイクポイントを変化できる。BP1- あるいはBP1+ の変化は、V nA およびVpVにより特性を縦軸方向に拡大しながら、m1 の区分線形部分の長さを変化させることにより実現できる。BP2- あるいはBP2+ の調整は、3次特性のブレイクポイントの変化と同様にV pA 、V xA またはV yA 、およびVnV、VxVまたはVyvにより電圧軸方向および電流軸方向の拡大あるいは縮小で可能である。この際、他の制御電圧による微調整を要する。
【0037】
〔数値シミュレーション〕
以下、参考文献(1)で導出された簡単なMOSFETモデルによるV−I特性式を用いたコンピュータシミュレーションにより、上記した3次から7次のN字型非線形抵抗特性を確認する。特に、3次および5次の特性については、ブレイクポイントおよび傾きそれぞれの調整の様子を詳しく示す。シミュレーション実験では、第1図中の各N−チャネルMOSFETおよびP−チャネルMOSFETのトランスコンダクタンスパラメータ:Kn =Kp =300μA/V2 、N−チャネルMOSFETの閾値電圧:Vtn=0.55V、P−チャネルMOSFETの閾値電圧:Vtp=−0.8Vとした。さらに、第1図でC p1A =C p2A =Cn1v =Cn2v =0.1pFとした。
【0038】
(1)3次非線形抵抗特性
第6図に表1中の各電圧値を用いた場合に得られる3次区分線形近似が可能な特性を示す。第6図中のAの特性とCの特性は、m0 が同じでブレイクポイントのみ異なる。これに対し、Bの特性は、IBP- およびIBP+ をCと同じに設定し、傾きm0 を変えたものである。これらより、第4図(a)に示したブレイクポイントBP-,BP+,および傾きm0 をそれぞれ変化できることが分かる。
【0039】
【表1】
また、第6図と表1を見ると、ブレイクポイントはV nA およびVpVに依存し、傾きm0 はV pA およびVnVにより大きく変化することが分かる。
【0040】
(2)5次非線形抵抗特性
第7図、第8図および第9図にシミュレーションで得られた、5次の区分線形特性で近似可能なVxy−IN 特性の例を示す。また、これらの図中の各特性に対応する制御電圧の値を表2から表4にそれぞれ示す。
【0041】
【表2】
【0042】
【表3】
【0043】
【表4】
第7図中の曲線BとCは第4図(c)中の4つのブレイクポイントの電圧座標を固定したまま傾きm0 を変化させた例である。同様に、曲線AとBは傾きm1 を変化させた例である。これらと表2より、傾きm0 を調整する際はV nA とVpVをほぼ一定に保ちながらV pA とVnVを変化させればよいことが分かる。さらに傾きm1 については、V yA とVyVで特性の概略を決定し、さらにV pA とVnVを用いて調整すればよい。
【0044】
一方、第8図と表3は、第4図(c)中の傾きm0 とm1 を固定してブレイクポイントBP1- とBP1+ を調整した例、第9図と表4は、BP2+ とBP2- を調整した例である。これらのシミュレーション実験より、BP1+ はVpVに、BP1- はV nA にそれぞれ依存していること、および、BP2+ はVxVとVnV、BP2- はV xA とV pA でそれぞれ決定できることが分かる。
【0045】
(3)4次、6次および7次非線形抵抗特性
第10図は4次、第11図は6次、第12図は7次の非線形抵抗特性をそれぞれ示している。これらの特性で使用した第1図中の各電圧を表5、表6および表7にそれぞれ示す。
【0046】
【表5】
【0047】
【表6】
【0048】
【表7】
表1Cおよび表5より4次の特性は、3次特性を元にV nA ,V pA ,VnVおよびVpVを変化させることで得られることが分かる。さらに、表5と表6および表2Bと表7より、6次および7次の特性はそれぞれ4次および5次の特性を元にし、さらにV xA とVxVを変化させることで得られることが分かる。
【0049】
〔HSPICEシミュレーション〕
MOSIS TSMC0.35μmCMOSプロセスパラメータを使用し、第1図中のM nA ,MnVのサイズを共にW=20μm、L=0.4μm、M pA ,MpVのそれを共にW=60μm、L=0.4μmとした。またキャパシタの値をC p1A =C p2A =Cn1v =Cn2v =0.1pFとした場合のHSPICEによる回路シミュレーションの結果を第13図および第14図に示す。これらの特性は、上記した3次から7次までのシミュレーション特性にそれぞれ対応している。
【0050】
上記したように、多入力フローティングゲートMOSFETを用いたN字型非線形抵抗回路を提供することができる。さらに、数値計算とHSPICEシミュレーションによりV−I特性の例を示し、どの様に各特性を実現するかについて定性的に説明した。
【0051】
〔個別部品による実験〕
この実施例では、第15図の回路を個別部品により構成し、Vxy−IN 特性を測定した。回路は第15図に示す構成とした。回路中のM nA 11,MnV12は共に2SK612、M pA 13,MpV14は共に2SJ133を使用した。さらに、キャパシタC p1A 15,C p2A 16,Cn1V 17,Cn2V 18の値を0.1μFとしたときの実験結果を、第16図から第20図に示し、それぞれの特性を実現する第15図中の各電圧値を表8から表12に示す。
【0052】
すなわち、第16図には、この3次Vxy−IN 特性の個別部品による実験結果が示されており、第15図における各電圧の値は、表8に示されるように、V A は−0.7V、V nA は1.55V、V pA は−4.69V、VV は0.7V、VnVは3.23V、VpVは−2.32Vである。
【0053】
【表8】
また、第17図には、この4次Vxy−IN 特性の個別部品による実験結果が示されており、第15図における各電圧の値は、表9に示されるように、V A は−1.6V、V nA は1.46V、V pA は−5.65V、VV は1V、VnVは3.43V、VpVは−2.28Vである。
【0054】
【表9】
また、第18図には、この5次Vxy−IN 特性の個別部品による実験結果が示されており、第15図における各電圧の値は、表10に示されるように、V A は−1.5V、V nA は1.46V、V pA は−5.65V、VV は1.5V、VnVは4.23V、VpVは−2.18Vである。
【0055】
【表10】
また、第19図には、この6次Vxy−IN 特性の個別部品による実験結果が示されており、第15図における各電圧の値は、表11に示されるように、V A は−2.1V、V nA は1.46V、V pA は−5.65V、VV は1.6V、VnVは3.43V、VpVは−2.28Vである。
【0056】
【表11】
更に、第20図には、この7次Vxy−IN 特性の個別部品による実験結果が示されており、第15図における各電圧の値は、表12に示されるように、V A は−2.1V、V nA は1.46V、V pA は−5.65V、VV は2.1V、VnVは4.23V、VpVは−2.18Vである。
【0057】
【表12】
また、電流IN は第15図のノードAとノードB間(上記した非線形抵抗回路の電源側)間に抵抗R(19)を挿入し、その電圧降下を計測アンプ(INA114)20で増幅し、その増幅された出力電圧から以下の式(4)〜(6)により求めた。ここで、RG は計測アンプ20のゲインGを決定する抵抗であり、RG =10kΩとした。また、R=33Ω、出力抵抗RO =10kΩとした。
【0058】
VO =G・(VIN + −VIN - ) …(4)
G =1+(50kΩ/RG ) …(5)
IN =VO /G・R …(6)
次に、集積回路化の例について説明する。
【0059】
第15図に示す回路をMOSIS TSMC0.35μmCMOS半導体プロセスで集積回路化した。ただし、第15図中に示した抵抗19および計測アンプ20からなるVxy−IN 特性測定回路は集積化せず、個別部品によりチップ外に実装した。第15図の回路を含むICチップの顕微鏡写真を第21図に示す。
【0060】
第15図中のM nA 、MnVのサイズは共にW=18μm、L=0.6μm、M pA 、MpVのそれらは共に、W=54μm、L=0.6μmとした。さらに、キャパシタの値はC p1A =C p2A =Cn1V =Cn2V =0.3pFである。
【0061】
第22図から第28図にチップから測定したVxy−IN 特性を示す。また、これらの各特性に対する第15図の回路中の各電圧値を表13から表19にそれぞれ示す。これらの特性は、前記した3次から7次までの数値シミュレーションおよびHSPICEシミュレーション特性に対応している。ここで、IN は個別部品による実験と同様に計算式(4),(5)および(6)により求めた。ここで計算式(4),(5)および(6)式中の各抵抗値はそれぞれRG =240Ω、R=10Ω、RO =10kΩである。
【0062】
【表13】
【0063】
【表14】
【0064】
【表15】
【0065】
【表16】
【0066】
【表17】
【0067】
【表18】
【0068】
【表19】
なお、他の実施例として、Λ字型およびV字型の特性を、第1図中の
(1)V xA およびVyV
(2)V yA およびVxV
(3)V xA ,V yA ,VxVおよびVyV
によりそれぞれ横軸方向に平行移動させて実現するようにしてもよい。
【0069】
本発明によれば、回路中の制御電圧を調整することで、3次から7次までの区分線形近似が可能な様々な形状のV−I特性を得ることができる。さらに、これを集積回路化し、発振回路やカオス発生回路等に応用することができる。
【0070】
より詳細には、上記した本発明のN字型非線形抵抗回路のN字型の非線形抵抗特性は、中央付近に負性抵抗領域があるため、発振回路やニューロン素子等に広く応用されている。特に、3次や5次の区分線形特性で近似できるものは、LやC等と組み合わせることで、正弦波発振回路やカオス発生回路等が構成できる。
【0071】
また、上記したように、3次から7次までの各次数の区分線形特性で近似できるV−I特性が実現可能であり、さらに、これらのV−I特性は、外部電圧により容易に、かつ、多様に変化させることができる。また、4次や6次の特性はあまり広く応用されていないが、これらをも容易に実現できるため、新しく発振回路等への応用が期待される。
【0072】
さらに、本発明のフローティングゲートMOSFETを用いたN字型非線形抵抗回路は、標準的なCMOS半導体プロセスで実装可能であり、各種応用回路の集積回路化を可能にすることができる。
【0073】
また、N字型の電圧−電流特性を持つ回路は、正弦波発振回路やダブルスクロール型のカオス発振回路、ニューロン素子に広く使用することができる。この回路構成は集積回路化が容易であるため、正弦波あるいはカオス発振波形が必要な多種の集積回路に応用可能である。また、従来あまり利用されていない4次や6次の非線形特性も実現できるため、新しい回路への応用も期待できる。
【0074】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【0075】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【0076】
(1)3次から7次までの区分線形関数で近似できるような、様々なN字型V−I特性を実現でき、さらにそれらの特性を外部電圧により多様に変化させることができる。
【0077】
(2)標準的なCMOS半導体プロセスで実装可能であり、各種応用回路の集積回路化を可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明にかかるフローティングゲートMOSFETを用いたN字型非線形抵抗回路図である。
【図2】 第1図中の各種のVxy−I A 特性(数値シミュレーション)図である。
【図3】 第1図中の各種のVxy−IV 特性(数値シミュレーション)図である。
【図4】 本発明にかかる区分線形に近似したV−I特性図である。
【図5】 本発明にかかる3次N字型V−I特性の合成原理図である。
【図6】 本発明にかかる3次の区分線形近似が可能な非線形抵抗特性の例(数値シミュレーション)を示す図である。
【図7】 本発明にかかる5次の非線形抵抗特性の例(ブレイクポイントの電圧座標を固定し傾きm0 あるいはm1 を変化させた例)を示す図である。
【図8】 本発明にかかる5次の非線形抵抗特性の例(傾きm0 とm1 及びブレイクポイントBP2- とBP2+ を固定し、BP1- とBP1+ を変化させた例)を示す図である。
【図9】 本発明にかかる5次の非線形抵抗特性の例(傾きm0 とm1 及びブレイクポイントBP1- とBP1+ を固定し、BP2- とBP2+ を変化させた例)を示す図である。
【図10】 本発明にかかる4次の非線形抵抗特性の例を示す図である。
【図11】 本発明にかかる6次の非線形抵抗特性の例を示す図である。
【図12】 本発明にかかる7次の非線形抵抗特性の例を示す図である。
【図13】 HSPICEによる回路シミュレーションの結果を示す図(その1)である。
【図14】 HSPICEによる回路シミュレーションの結果を示す図(その2)である。
【図15】 個別部品による実験回路を示す図である。
【図16】 個別部品による実験により得られた3次Vxy−IN 特性図である。
【図17】 個別部品による実験により得られた4次Vxy−IN 特性図である。
【図18】 個別部品による実験により得られた5次Vxy−IN 特性図である。
【図19】 個別部品による実験により得られた6次Vxy−IN 特性図である。
【図20】 個別部品による実験により得られた7次Vxy−IN 特性図である。
【図21】 第15図の回路を含むICチップを示す代用図面としての顕微鏡写真である。
【図22】 チップから測定したVxy−IN 特性を示す図(その1)である。
【図23】 チップから測定したVxy−IN 特性を示す図(その2)である。
【図24】 チップから測定したVxy−IN 特性を示す図(その3)である。
【図25】 チップから測定したVxy−IN 特性を示す図(その4)である。
【図26】 チップから測定したVxy−IN 特性を示す図(その5)である。
【図27】 チップから測定したVxy−IN 特性を示す図(その6)である。
【図28】 チップから測定したVxy−IN 特性を示す図(その7)である。
Claims (11)
- 多入力フローティングゲートMOSFETを用いたΛ字型の非線形抵抗回路とV字型の非線形抵抗回路を並列に接続し、前記Λ字型の非線形抵抗回路の電流と前記V字型の非線形抵抗回路の電流を加算することにより、多様なN字型電圧−電流特性を合成するとともに、前記N字型電圧−電流特性を連続的に変化させ、3次から7次までの各次数の区分線形特性で近似できる電圧−電流特性を実現することを特徴とするフローティングゲートMOSFETを用いた非線形抵抗回路。
- 請求項1記載のフローティングゲートMOSFETを用いた非線形抵抗回路において、前記3次特性は、前記Λ字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性及びV字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性の負性抵抗部を線形になるようにし、その両方の特性を、前記Λ字型の非線形抵抗回路の入力端子とN−チャネルMOSFETのドレイン端子間の電圧及び前記V字型の非線形抵抗回路の入力端子とP−チャネルMOSFETのドレイン端子間の電圧によりそれぞれ左と右方向に並行移動させて合成することを特徴とするフローティングゲートMOSFETを用いた非線形抵抗回路。
- 請求項1記載のフローティングゲートMOSFETを用いた非線形抵抗回路において、前記3次特性は、前記Λ字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性及びV字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性の負性抵抗部を線形になるようにし、その両方の特性を、前記Λ字型の非線形抵抗回路のフローティングゲートP−チャネルMOSFETのドレイン端子と接地間の電圧及び前記V字型の非線形抵抗回路のフローティングゲートN−チャネルMOSFETのドレイン端子と接地間の電圧によりそれぞれ左と右方向に並行移動させて合成することを特徴とするフローティングゲートMOSFETを用いた非線形抵抗回路。
- 請求項1記載のフローティングゲートMOSFETを用いた非線形抵抗回路において、前記4次特性は、前記Λ字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性又はV字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性のどちらかの特性の負性部分の傾きを調整することにより、その特性自身に傾きの変化を持たせ、前記Λ字型の非線形抵抗回路の入力端子とN−チャネルMOSFETのドレイン端子間の電圧及び前記V字型の非線形抵抗回路の入力端子とP−チャネルMOSFETのドレイン端子間の電圧によりそれぞれ左と右方向に並行移動させて合成することを特徴とするフローティングゲートMOSFETを用いた非線形抵抗回路。
- 請求項1記載のフローティングゲートMOSFETを用いた非線形抵抗回路において、前記4次特性は、前記Λ字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性又はV字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性のどちらかの特性の負性部分の傾きを調整することにより、その特性自身に傾きの変化を持たせ、前記Λ字型の非線形抵抗回路のフローティングゲートP−チャネルMOSFETのドレイン端子と接地間の電圧及び前記V字型の非線形抵抗回路のフローティングゲートN−チャネルMOSFETのドレイン端子と接地間の電圧によりそれぞれ左と右方向に並行移動させて合成することを特徴とするフローティングゲートMOSFETを用いた非線形抵抗回路。
- 請求項1記載のフローティングゲートMOSFETを用いた非線形抵抗回路において、前記5次特性は、前記Λ字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性及びV字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性の両方の特性の負性部分の傾きを調整することにより、その特性自身に傾きの変化を持たせ、前記Λ字型の非線形抵抗回路の入力端子とN−チャネルMOSFETのドレイン端子間の電圧及び前記V字型の非線形抵抗回路の入力端子とP−チャネルMOSFETのドレイン端子間の電圧によりそれぞれ左と右方向に並行移動させて合成することを特徴とするフローティングゲートMOSFETを用いた非線形抵抗回路。
- 請求項1記載のフローティングゲートMOSFETを用いた非線形抵抗回路において、前記5次特性は、前記Λ字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性及びV字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性の両方の特性の負性部分の傾きを調整することにより、その特性自身に傾きの変化を持たせ、前記Λ字型の非線形抵抗回路のフローティングゲートP−チャネルMOSFETのドレイン端子と接地間の電圧及び前記V字型の非線形抵抗回路のフローティングゲートN−チャネルMOSFETのドレイン端子と接地間の電圧によりそれぞれ左と右方向に並行移動させて合成することを特徴とするフローティングゲートMOSFETを用いた非線形抵抗回路。
- 請求項1記載のフローティングゲートMOSFETを用いた非線形抵抗回路において、前記6次特性は、前記Λ字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性又はV字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性のどちらかの特性の負性部分の傾きを調整することにより、その特性自身に傾きの変化を持たせ、前記Λ字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性及びV字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性の両方の特性を、前記Λ字型の非線形抵抗回路の入力端子とN−チャネルMOSFETのドレイン端子間の電圧及び前記V字型の非線形抵抗回路の入力端子とP−チャネルMOSFETのドレイン端子間の電圧によりそれぞれ横軸方向に並行移動させて合成することを特徴とするフローティングゲートMOSFETを用いた非線形抵抗回路。
- 請求項1記載のフローティングゲートMOSFETを用いた非線形抵抗回路において、前記6次特性は、前記Λ字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性又はV字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性のどちらかの特性の負性部分の傾きを調整することにより、その特性自身に傾きの変化を持たせ、前記Λ字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性及びV字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性の両方の特性を、前記Λ字型の非線形抵抗回路のフローティングゲートP−チャネルMOSFETのドレイン端子と接地間の電圧及び前記V字型の非線形抵抗回路のフローティングゲートN−チャネルMOSFETのドレイン端子と接地間の電圧によりそれぞれ横軸方向に並行移動させて合成することを特徴とするフローティングゲートMOSFETを用いた非線形抵抗回路。
- 請求項1記載のフローティングゲートMOSFETを用いた非線形抵抗回路において、前記7次特性は、前記Λ字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性及びV字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性の両方の特性の負性部分の傾きを調整することにより、その特性自身に傾きの変化を持たせ、前記Λ字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性及びV字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性の両方の特性を、前記Λ字型の非線形抵抗回路の入力端子とN−チャネルMOSFETのドレイン端子間の電圧及び前記V字型の非線形抵抗回路の入力端子とP−チャネルMOSFETのドレイン端子間の電圧によりそれぞれ横軸方向に並行移動させて合成することを特徴とするフローティングゲートMOSFETを用いた非線形抵抗回路。
- 請求項1記載のフローティングゲートMOSFETを用いた非線形抵抗回路において、前記7次特性は、前記Λ字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性及びV字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性の両方の特性の負性部分の傾きを調整することにより、その特性自身に傾きの変化を持たせ、前記Λ字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性及びV字型の非線形抵抗回路の電圧−電流特性の両方の特性を、前記Λ字型の非線形抵抗回路のフローティングゲートP−チャネルMOSFETのドレイン端子と接地間の電圧及び前記V字型の非線形抵抗回路のフローティングゲートN−チャネルMOSFETのドレイン端子と接地間の電圧によりそれぞれ横軸方向に並行移動させて合成することを特徴とするフローティングゲートMOSFETを用いた非線形抵抗回路。
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