JP7414428B2 - 発振器、照明装置、撮像装置および装置 - Google Patents
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Description
負性抵抗素子を含む発振回路と、
前記発振回路に電圧を印加する電圧バイアス回路と、
前記発振回路の前記負性抵抗素子に直列に接続され、前記電圧バイアス回路と前記発振回路とを電気的に接続する経路に設けられた、前記経路の導通状態と非導通状態とを切り替えるスイッチと、
前記スイッチと電気的に並列に接続された定電圧素子と
を有し、
前記スイッチによって前記経路が導通状態にされるときに前記発振回路に流れる電流に対する、前記スイッチによって前記経路が非導通状態にされて前記定電圧素子を介して前記発振回路に流れる電流の変動が、前記発振回路が発振しているときのオペレーション電流の±20%の範囲内である
ことを特徴とする。
また、本件開示の技術に係る照明装置は、上記の発振器を有することを特徴とする。
また、本件開示の技術に係る撮像装置は、
上記の照明装置と、
前記発振器が発振した電磁波が照射された被対象を撮像する撮像素子と
を有する、ことを特徴とする。
また、本件開示の技術に係る装置は、
負性抵抗素子を含む発振回路と、
前記発振回路に電圧を印加する電圧バイアス回路と、
前記発振回路の前記負性抵抗素子に直列に接続され、前記電圧バイアス回路と前記発振回路とを電気的に接続する経路に設けられた、前記経路の導通状態と非導通状態とを切り替えるスイッチと、
前記スイッチと電気的に並列に接続された定電圧素子と、
を有する発振器と、
前記発振器が発振した電磁波が照射された被対象から反射された電磁波を取得する素子
と、
を有し、
前記スイッチによって前記経路が導通状態にされるときに前記発振回路に流れる電流に対する、前記スイッチによって前記経路が非導通状態にされて前記定電圧素子を介して前記発振回路に流れる電流の変動が、前記発振回路が発振しているときのオペレーション電流の±20%の範囲内である
ことを特徴とする。
本実施形態に係る発振器は、並列に配置されたスイッチと定電圧素子を有し、電圧バイアス回路に対して、テラヘルツ発振回路と直列に、当該スイッチと定電圧素子が配置されている。
図1は、本実施形態の発振器1の概略構成を示す。図1において、発振器1は、発振回路100、電圧バイアス回路200、スイッチ201、定電圧素子202、制御信号生成部210を有する。また、発振回路100は、負性抵抗素子101、容量102、インダクタ103を有する。本実施形態の発振器1は、電圧バイアス回路200から発振回路100に電圧を印加する経路に並列に接続されたスイッチ201と定電圧素子202とを有する。
印加されるように設定されている(Vr≒Vb≒Vop)。厳密には、スイッチ201が導通した状態でも、スイッチ201には微小な電圧V0が発生する。したがって、電圧バイアス回路から出力される電圧Vbは、この微小な電圧V0を考慮して、最適な電圧Vopが発振回路100に印加されるように決定することがより好ましい(Vb=Vop+V0=Vr+V0)。ここで、電圧V0の典型的な値は、数mV~数百mVである。
1の電流の一例であり、発振回路100が発振を停止しているときに発振回路100に流れる電流Iopが、第2の電流の一例である。また、発振回路100が発振を停止しているときにダイオード202に流れる電流Iopが、第3の電流の一例であり、このときダイオード202に印加される電圧Vdeltaが、第3の電圧の一例である。
次に、第2実施形態の発振器について説明する。なお、以下の説明において、第1実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。本実施形態の発振器は、テラヘルツ発振をより安定して行うことを目的とする。図5Aに本実施形態に係る発振器2の概略構成を示す。また、図5Bに、本実施形態に係る別の発振器20の概略構成を示す。発振器2は、容量シャント素子302を有する。また、発振器20は、抵抗容量シャント素子310を有する。抵抗容量シャント素子310は、容量311、抵抗312を有する。
ピーダンスと同等かそれ以下である。これにより、発振回路100が外部の寄生素子と結合して所定のテラヘルツ周波数ft以外で寄生発振することが抑制される。
次に、第3実施形態の発振器について説明する。なお、以下の説明において、第1実施形態または第2実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。図6Aに本実施形態に係る発振器3の概略構成を示す。また、図6Bに、本実施形態に係る別の発振器30の概略構成を示す。図6Aの発振器3は、P型MOSFET(以下、PMOSと称する)131を有する。また、図6Bの発振器30は、N型MOSF
ET(以下、NMOSと称する)132を有する。
PMOS131は非導通状態となる。PMOS131が導通状態にある場合でも、PMOS131は厳密には抵抗を有しており、これをオン抵抗Ronと呼ぶ。オン抵抗Ronを有するPMOS131に電流Iopが流れることにより、PMOS131で電圧降下(電圧降下量Vsw=Ron×Iop)が発生する。そのため、オン抵抗Ronが大きいと、発振回路100に印加される電圧Vrの、電圧バイアス回路の出力電圧Vbからのずれが大きくなる。そのため、オン抵抗Ronはできるだけ小さい状態で用いることが望ましい。ここで、発振回路100が有する負性抵抗素子101について、電圧-電流特性のグラフにおけるオペレーション電圧Vopでの接線の傾き(Va/Ia;図7C参照)を、抵抗Rnrとする。オン抵抗Ronの望ましい値として、具体的には、発振回路100が有する負性抵抗素子101の抵抗Rnrの10分の1以下、より好ましくは100分の1以下とすることが好ましい(Ron<Rnr)。オン抵抗Ronを小さくするには、使用上問題ない範囲で電圧Vonを大きくすることが望ましい。また、スイッチング時間などの仕様を踏まえて、オン抵抗Ronが小さいPMOS131を選択することが望ましい。
確には、ソース電圧との電位差によって、導通状態と非導通状態とを変えることができる。NMOS132に電圧Vgs(=Von>Vth)を印加すると、NMOS132は導通状態となる。NMOS132は、PMOS131を用いた場合に比べて、導通と非導通のスイッチング特性の切り替え時間が短いため、より高速に電圧を変化させることができる。したがって、このような構成を有する発振器30によれば、発振回路100に印加する電圧をさらに安定させることができる。
次に、第4実施形態の発振器について説明する。なお、以下の説明において、第1~第3実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。図8Aに、第4実施形態に係る発振器4の概略構成を示す。図8Aに示すように、発振器4は、第1の発振回路141、第2の発振回路142、第3の発振回路143を有する。
次に、第5実施形態の発振器について説明する。なお、以下の説明において、第1~第4実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。図9Aに、第5実施形態に係る発振器5の概略構成を示す。図9Aに示すように、発振器5は、スイッチ401、ダイオード402、プリント回路基板(PCB)500、パッケージ(PKG)501、チップ600、電圧バイアス回路700を有する。また、図9B、図9Cに示すように、チップ600には、発振回路601、アンテナ602、チップ上の配線603、ワイヤーボンディング用の電極610、第1のワイヤー611、第2のワイヤー612が設けられている。なお、図9Cは、図9BのA1-A2線による断面を示す図である。
に、プリント回路基板500上には、パッケージ501と電圧バイアス回路700(200)、パッケージ形態にされた表面実装型(SMD)のスイッチ401とダイオード402が実装されている。電圧バイアス回路700は、並列に接続されているスイッチ401およびダイオード402を介して、チップ600内の発振回路601に接続されている。なお、電圧バイアス回路700と発振回路601とは、プリント回路基板500とパッケージ501が有する配線により接続されているが、図示を省略している。電圧バイアス回路700からは、並列に接続されているスイッチ401およびダイオード402に接続された配線に対して、直流電圧Vbが印加される。なお、チップ600のサイズは、典型的には、およそ1mm角~数mm角であるが、さらに大きなサイズ(10mm角)が採用されてもよい。
次に、第6実施形態の発振器について説明する。なお、以下の説明において、第1~第5実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。図10Aに、第6実施形態に係る発振器6の概略構成を示す。図10Aに示すように、発振器6は、スイッチ401、ダイオード402、プリント回路基板500、パッケージ501、ピン502、ピンソケット503、チップ600、電圧バイアス回路700を有する。
合でも、発振器の交換をパッケージ501ごとに行うことができる。
次に、第7実施形態の発振器を有する撮像装置について説明する。なお、なお、以下の説明において、第1~第6実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。図11に、第7実施形態の撮像装置70を模式的に示す。図11に示すように、撮像装置70は、照明装置701、撮像素子702、タイミング生成部703を有する。照明装置701は、第1実施形態に係る発振器1を有する。照明装置701は、被対象700に対してテラヘルツ波711(所定の電磁波)を照射する。撮像素子702は、被対象700において反射したテラヘルツ波712を取得(撮像)する。撮像素子702は、被対象700の形状や物性値に対応して変化する被対象700の画像情報を取得することができる。
判定する。この差によって、撮像素子702は、被対象700に意図せず照射される電磁波の成分(ノイズ成分)を除去することができる。この結果、被対象700の画像情報のSN比(Singal to Noise Ratio)を向上させることができる。
Claims (17)
- 負性抵抗素子を含む発振回路と、
前記発振回路に電圧を印加する電圧バイアス回路と、
前記発振回路の前記負性抵抗素子に直列に接続され、前記電圧バイアス回路と前記発振回路とを電気的に接続する経路に設けられた、前記経路の導通状態と非導通状態とを切り替えるスイッチと、
前記スイッチと電気的に並列に接続された定電圧素子と、
を有し、
前記スイッチによって前記経路が導通状態にされるときに前記発振回路に流れる電流に対する、前記スイッチによって前記経路が非導通状態にされて前記定電圧素子を介して前記発振回路に流れる電流の変動が、前記発振回路が発振しているときのオペレーション電流の±20%の範囲内である
ことを特徴とする発振器。 - 前記発振回路に電流が流れ込む方向において、前記定電圧素子のアノード端子とカソード端子とがこの順に並んでいる、
ことを特徴とする請求項1に記載の発振器。 - 前記スイッチによって前記経路が導通状態にされると前記発振回路が発振を行い、前記スイッチによって前記経路が非導通状態にされると前記発振回路が発振を停止する、ことを特徴とする請求項1または2に記載の発振器。
- 前記スイッチによって前記経路が導通状態にされるときに前記発振回路に流れる電流と、前記スイッチによって前記経路が非導通状態にされるときに前記発振回路に流れる電流とがほぼ同じである、ことを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の発振器。
- 前記スイッチによって前記経路が導通状態にされるときに前記発振回路に印加される電圧の電圧値は、前記負性抵抗素子の電圧-電流特性における負性抵抗領域の範囲内にあり、
前記スイッチによって前記経路が非導通状態にされるときに前記発振回路に印加される電圧の電圧値は、前記負性抵抗領域の範囲外にある、
ことを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の発振器。 - 前記負性抵抗素子は、負性抵抗領域の上限の電圧値の電圧が印加されたときに流れる電流の電流値が、前記負性抵抗領域の下限の電圧値の電圧が印加されたときに流れる電流の電流値よりも小さい、電圧-電流特性を有する、ことを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の発振器。
- 前記発振回路が発振を行うときに前記発振回路に第1の電流が流れる際の前記負性抵抗素子に印加される電圧を第1の電圧とし、前記発振回路が発振を停止しているときに前記発振回路に第2の電流が流れる際の前記負性抵抗素子に印加される電圧を第2の電圧とし、前記発振回路が発振を停止しているときに前記定電圧素子に第3の電流が流れる際の前記定電圧素子に印加される電圧を第3の電圧とすると、
前記第1の電圧の電圧値は、前記負性抵抗素子の電圧-電流特性における負性抵抗領域の範囲内にあり、
前記第2の電圧の電圧値は、前記負性抵抗領域の範囲外にあり、
前記第1の電流と前記第2の電流と前記第3の電流の電流値は、互いにほぼ同じであり、
前記第1の電圧の電圧値と前記第2の電圧の電圧値との差は、前記第3の電圧の電圧値にほぼ等しい、
ことを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の発振器。 - 前記発振回路に並列に接続された容量をさらに有する、ことを特徴とする請求項1から7のいずれか一項に記載の発振器。
- 前記容量に直列に接続された抵抗をさらに有し、
前記容量および前記抵抗が前記発振回路に並列に接続されている、
ことを特徴とする請求項8に記載の発振器。 - 前記スイッチは、P型MOSFETまたはN型MOSFETである、ことを特徴とする請求項1から9のいずれか一項に記載の発振器。
- 1組の前記スイッチと前記定電圧素子に複数の前記発振回路が接続されている、
ことを特徴とする請求項1から10のいずれか一項に記載の発振器。 - 前記発振回路が実装されたパッケージ上または前記発振回路のチップ上に前記定電圧素子が設けられている、ことを特徴とする請求項1から11のいずれか一項に記載の発振器。
- 前記発振回路が発振する電磁波の周波数は、30GHz以上30THz以下である、ことを特徴とする請求項1から12のいずれか一項に記載の発振器。
- 前記負性抵抗素子は、電流注入型の共鳴トンネルダイオードである、ことを特徴とする請求項1から13のいずれか一項に記載の発振器。
- 請求項1から14のいずれか一項に記載の発振器を有する、ことを特徴とする照明装置。
- 請求項15に記載の照明装置と、
前記発振器が発振した電磁波が照射された被対象を撮像する撮像素子と、
を有する、ことを特徴とする撮像装置。 - 負性抵抗素子を含む発振回路と、
前記発振回路に電圧を印加する電圧バイアス回路と、
前記発振回路の前記負性抵抗素子に直列に接続され、前記電圧バイアス回路と前記発振回路とを電気的に接続する経路に設けられた、前記経路の導通状態と非導通状態とを切り替えるスイッチと、
前記スイッチと電気的に並列に接続された定電圧素子と、
を有する発振器と、
前記発振器が発振した電磁波が照射された被対象から反射された電磁波を取得する素子と、
を有し、
前記スイッチによって前記経路が導通状態にされるときに前記発振回路に流れる電流に対する、前記スイッチによって前記経路が非導通状態にされて前記定電圧素子を介して前記発振回路に流れる電流の変動が、前記発振回路が発振しているときのオペレーション電流の±20%の範囲内である
ことを特徴とする装置。
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