專利名稱：共振隧穿二極管d觸發(fā)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種觸發(fā)器電路，特別是涉及一種利用共振隧穿二級管直流特性高度的非線性來簡化電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的、適于利用半導(dǎo)體的立體集成工藝特別是化合物半導(dǎo)體的立體集成工藝實(shí)現(xiàn)的、適于高頻應(yīng)用的共振隧穿二極管D觸發(fā)器。

背景技術(shù)：
共振隧穿二極管是一種基于量子隧穿效應(yīng)的納米電子器件，也是目前在室溫下工作速度最快的固態(tài)電子器件之一。
但是由于共振隧穿二極管為兩端器件，不能實(shí)現(xiàn)電流調(diào)制，因而在應(yīng)用中常見與三端器件的集成。在實(shí)際電路中與共振隧穿二極管集成最多的器件就是高電子遷移率晶體管，其所形成的電路保持了高頻率、低噪聲和低功耗的特點(diǎn)。現(xiàn)在，Si/SiGe共振隧穿二極管與工業(yè)主流CMOS工藝的集成也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，可以滿足超高速數(shù)字集成電路的應(yīng)用要求。
由共振隧穿二極管與三端器件所構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元，具有自鎖存、多穩(wěn)態(tài)等特性，已在數(shù)字、模擬、混合信號以及光電集成電路中得到了廣泛應(yīng)用。有關(guān)研究顯示，對于發(fā)射極面積為幾個(gè)平方微米的共振隧穿二極管，其開關(guān)時(shí)間已經(jīng)在皮秒量級，因此限制單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元邏輯電路開關(guān)時(shí)間的主導(dǎo)因素為構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元的場效應(yīng)晶體管的截止頻率。根據(jù)KoichiMaezawa，Hideaki Matsuzaki等人在“High-Speed andLow-Power Operation of a Resonant Tunneling LogicGate單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元，Page 80-82，IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS，VOL.19，NO.3，MARCH 1998”中的測試結(jié)果，由0.7μm的HEMT器件構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元，最高運(yùn)行頻率可達(dá)35GHz。
未來的光傳輸系統(tǒng)(如SONET OC-768)的傳輸速率高達(dá)40 Gb/s，雖然在該系統(tǒng)中一般都采用半速率時(shí)鐘，但是頻率也在20GHz以上。到目前為止，國內(nèi)已經(jīng)研制出了基于不同工藝的多種分頻器。現(xiàn)在，分頻器的設(shè)計(jì)是衡量工藝優(yōu)劣和設(shè)計(jì)水平高低的公認(rèn)重要標(biāo)志之一。目前國外最新發(fā)表的分頻器工作頻率已超過100GHz，但國內(nèi)的水平還比較低，遠(yuǎn)不能滿足傳輸系統(tǒng)頻率的發(fā)展要求。
目前已有關(guān)于共振隧穿二極管用于分頻器的報(bào)道，主要基于單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元的應(yīng)用。但未見有利用共振隧穿二極管設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)D觸發(fā)器，然后級聯(lián)進(jìn)行分頻的，而已有的共振隧穿二極管分頻器，其應(yīng)用也往往受到限制，如輸入時(shí)鐘信號需滿足特定的要求，如延時(shí)、占空比等等，因此可能需要在電路中集成時(shí)鐘緩沖單元， 這無疑又增加了電路的復(fù)雜性，與設(shè)計(jì)的初衷相矛盾。
在諸多分頻電路中，觸發(fā)器分頻結(jié)構(gòu)相對簡單，不含注入鎖定分頻器中的LC諧振回路，有利于集成。本發(fā)明可用于組成二進(jìn)制分頻電路，一但結(jié)合GaAs、InP集成電路工藝實(shí)現(xiàn)，將具有高速度、低功耗的優(yōu)勢。即使用CMOS工藝實(shí)現(xiàn)，也將具有電路結(jié)構(gòu)簡單，功耗較低的優(yōu)勢。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種共振隧穿二極管D觸發(fā)器，其可根據(jù)輸入信號和時(shí)鐘信號的邏輯電平變化而轉(zhuǎn)換輸出信號邏輯電平。本發(fā)明有效地利用了共振隧穿二極管和場效應(yīng)晶體管所組成的單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元的自鎖存特性，從而達(dá)到簡化電路結(jié)構(gòu)的目的。
本發(fā)明提供一種共振隧穿二極管D觸發(fā)器，其特征在于，包含有 一第一單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元； 一第二單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元； 一鎖存單元，該鎖存單元由第一反相器和第二反相器構(gòu)成，第一反相器的輸出端接第二反相器的輸入端；第二反相器的輸出端接第一反相器的輸入端； 一第一傳輸門，該第一傳輸門的輸入端連接第一單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元的輸出端，該第一傳輸門的輸出端連接至鎖存單元的輸入端； 一第二傳輸門，該第二傳輸門的輸入端連接第二單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元的輸出端，該第二傳輸門的輸出端連接鎖存單元的輸入端； 一反相器，該反相器的輸出端連接第一單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元的輸入端，用于產(chǎn)生反相的輸入信號，該反相器的一端接地，該反相器的輸入端連接至第二單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元的輸入端； 其中該第一、第二單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元連接該共振隧穿二極管D觸發(fā)器的時(shí)鐘信號； 其中該反相器及該鎖存單元由同一路直流電源供電； 其中該反相器的輸入端及第二單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元的輸入端連接該共振隧穿二極管D觸發(fā)器的輸入數(shù)據(jù)信號； 其中該鎖存單元的輸出端為該共振隧穿二極管D觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸出端，提供一對互補(bǔ)的輸出信號。
其中所述的該第一單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元包括兩個(gè)共振隧穿二極管和一個(gè)場效應(yīng)晶體管組成，該兩個(gè)共振隧穿二極管串聯(lián)且一端接地，另一端接時(shí)鐘信號，場效應(yīng)晶體管與連接地的驅(qū)動(dòng)隧穿二極管并聯(lián)，場效應(yīng)晶體管的柵極接收反相后的輸入數(shù)據(jù)信號。
其中所述的該第二單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元包括兩個(gè)共振隧穿二極管和一個(gè)場效應(yīng)晶體管組成，該兩個(gè)共振隧穿二極管串聯(lián)且一端接地，另一端接時(shí)鐘信號，場效應(yīng)晶體管與連接地的驅(qū)動(dòng)隧穿二極管并聯(lián)，場效應(yīng)晶體管的柵極接收觸發(fā)器的輸入數(shù)據(jù)信號。
本發(fā)明還提供一種共振隧穿二極管D觸發(fā)器，其特征在于，包含有 一第一單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元； 一第二單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元； 一鎖存單元，該鎖存單元由第一反相器和第二反相器構(gòu)成，第一反相器的輸出端接第二反相器的輸入端；第二反相器的輸出端接第一反相器的輸入端； 一第一傳輸門，該第一傳輸門的輸入端連接第一單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元的輸出端，該第一傳輸門的輸出端連接至鎖存單元的輸入端； 一第二傳輸門，該第二傳輸門的輸入端連接第二單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元的輸出端，該第二傳輸門的輸出端連接鎖存單元的輸入端； 一反相器，該反相器的輸出端連接第一單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元的輸入端，用于產(chǎn)生反相的輸入信號，該反相器的一端接地，該反相器的數(shù)據(jù)輸入端連接至第二單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元的輸入端； 其中該第一、第二單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元連接該共振隧穿二極管D觸發(fā)器的時(shí)鐘信號； 其中該反相器及鎖存單元由同一路直流電源供電，其中該第一、第二單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元由另一路直流電源供電； 其中該反相器的輸入端及第二單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元的輸入端連接該共振隧穿二極管D觸發(fā)器的輸入數(shù)據(jù)信號； 其中該鎖存單元的輸出端為該共振隧穿二極管D觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸出端，提供一對互補(bǔ)的輸出信號。
其中該第一單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元包括兩個(gè)共振隧穿二極管和兩個(gè)場效應(yīng)晶體管以及組成，該兩個(gè)共振隧穿二極管與場效應(yīng)晶體管串聯(lián)，該共振隧穿二極管一端連接另一路直流電源，該場效應(yīng)晶體管的源極接地，柵極接時(shí)鐘信號，場效應(yīng)晶體管與驅(qū)動(dòng)隧穿二極管并聯(lián)，場效應(yīng)晶體管的柵極接收反相后的輸入數(shù)據(jù)信號。
其中所述的該第二單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元包括兩個(gè)共振隧穿二極管和兩個(gè)場效應(yīng)晶體管以及組成，該兩個(gè)共振隧穿二極管與場效應(yīng)晶體管串聯(lián)，該共振隧穿二極管一端連接另一路直流電源，該場效應(yīng)晶體管的源極接地，柵極接時(shí)鐘信號，場效應(yīng)晶體管與驅(qū)動(dòng)隧穿二極管并聯(lián)，場效應(yīng)晶體管的柵極接收觸發(fā)器的輸入數(shù)據(jù)信號。



為進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實(shí)施例及附圖詳細(xì)說明如后，其中 圖1為本發(fā)明的第一實(shí)施例，其是時(shí)鐘信號直接作為單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元偏置的共振隧穿二極管D觸發(fā)器； 圖2為本發(fā)明的第二實(shí)施例，其是改進(jìn)結(jié)構(gòu)的共振隧穿二極管D觸發(fā)器，時(shí)鐘信號輸入到場效應(yīng)晶體管的柵極； 圖3為共振隧穿二極管的直流特性曲線； 圖4為典型單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元的電路結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖，圖4(A)為圖4的邏輯符號圖； 圖5為由兩個(gè)共振隧穿二極管的直流負(fù)載線得到單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元的直流工作點(diǎn)； 圖6為改進(jìn)結(jié)構(gòu)的共振隧穿二極管D觸發(fā)器的時(shí)序圖； 圖7為由兩級D觸發(fā)器級聯(lián)后構(gòu)成的二進(jìn)制分頻器； 圖8為由兩級改進(jìn)結(jié)構(gòu)的共振隧穿二極管D觸發(fā)器級聯(lián)后構(gòu)成的二進(jìn)制分頻器的時(shí)序圖。

具體實(shí)施例方式 請參考圖1，顯示了共振隧穿二極管D觸發(fā)器的第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)該電路使用單路直流電源供電，輸入數(shù)據(jù)信號D和時(shí)鐘信號CLK，輸出一對互補(bǔ)的數(shù)據(jù)信號Q、Qn。
請參考圖1，顯示了數(shù)據(jù)信號D連接于場效應(yīng)晶體管152的柵極，場效應(yīng)晶體管152用于輸入信號的反相，其結(jié)構(gòu)為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的E/R反相器；場效應(yīng)晶體管152的漏極連接上拉電阻151，上拉電阻151的另一端連接，輸入信號加在場效應(yīng)晶體管152的柵極，反相信號由場效應(yīng)晶體管152的漏極輸出。
請參考圖1，其中第一單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元10包括兩個(gè)共振隧穿二極管101、102和一個(gè)場效應(yīng)晶體管103組成，該兩個(gè)共振隧穿二極管101、102串聯(lián)且一端接地，場效應(yīng)晶體管103與連接地的驅(qū)動(dòng)隧穿二極管102并聯(lián)，場效應(yīng)晶體管103的柵極接收反相后的輸入數(shù)據(jù)信號；其中第二單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元11包括兩個(gè)共振隧穿二極管111、112和一個(gè)場效應(yīng)晶體管113組成，該兩個(gè)共振隧穿二極管111、112串聯(lián)且一端接地，場效應(yīng)晶體管113與連接地的驅(qū)動(dòng)隧穿二極管112并聯(lián)，場效應(yīng)晶體管113的柵極接收反相后的輸入數(shù)據(jù)信號。時(shí)鐘信號CLK作為單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元的偏置電壓，分別連接第一單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元10中共振隧穿二極管101的一端及第二單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元11中共振隧穿二極管111的一端，第一單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元10中場效應(yīng)晶體管103的漏極及第二單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元11中場效應(yīng)晶體管113的漏極分別為第一、第二單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元11、12的輸出端。
請參考圖1，鎖存單元12中的第一反相器121及第二反相器122的輸出端交叉耦合到對方的輸入端，兩反相器組成的鎖存單元12具有雙穩(wěn)特性，用于共振隧穿二極管D觸發(fā)器輸出數(shù)據(jù)的鎖存。
請參考圖1，場效應(yīng)晶體管13、場效應(yīng)晶體管14用作傳輸門，柵極連接時(shí)鐘信號CLK，在時(shí)鐘信號CLK為高電平期間導(dǎo)通，在時(shí)鐘信號CLK為低電平期間關(guān)斷，傳輸門13、14將第一、第二單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元10、11的輸出端與鎖存單元12的輸出端連接起來。
從以上結(jié)構(gòu)出發(fā)，可以得出該共振隧穿二極管D觸發(fā)器的工作原理在時(shí)鐘信號CLK的上升沿到來的時(shí)刻，第一、第二單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元10、11的輸出依據(jù)輸入信號翻轉(zhuǎn)，傳輸門13、14導(dǎo)通，鎖存單元12的狀態(tài)也隨之發(fā)生翻轉(zhuǎn)，即觸發(fā)器的輸出信號依據(jù)輸入信號翻轉(zhuǎn)；隨后在時(shí)鐘信號CLK維持高電平期間，由于單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元的自鎖特性，輸出隨之鎖定，單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元的工作原理原理請參考圖5即必須設(shè)計(jì)使單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元有合適的偏置，且設(shè)計(jì)使器件的尺寸相互合理的匹配以實(shí)現(xiàn)其工作在具有自鎖存特性的雙穩(wěn)態(tài)模式。接下來時(shí)鐘信號CLK下降為低電平，單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元“清零“，即輸出低電平，同時(shí)傳輸門關(guān)斷，輸出亦不發(fā)生變化，直至?xí)r鐘信號CLK的下一個(gè)上升沿到來?？梢姡|發(fā)器的透明時(shí)間僅限于時(shí)鐘信號的上升沿，即實(shí)現(xiàn)了邊沿觸發(fā)的功能。電路總體上采用對稱的差分結(jié)構(gòu)，對于抑制共模噪聲有良好的效果。在需要兩相時(shí)鐘信號CLK的情況下，單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元的時(shí)鐘端的輸入阻抗比較小，對于由發(fā)射極尺寸在微米量級的共振隧穿二級管的單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元僅為幾千歐姆，輸入電流較大，對于集成的NMOS E/E，E/R反相器或CMOS反相器，較大的輸出電流將把反相時(shí)鐘信號CLK的高電平拉低。因此需要輸入兩相時(shí)鐘信號CLK。也可在時(shí)鐘緩沖單元中集成反相放大單元來代替反相器。
請參考圖2，顯示了共振隧穿二極管D觸發(fā)器的第二實(shí)施例，為第一實(shí)施例的一種改進(jìn)結(jié)構(gòu)該電路使用雙路直流電源供電鎖存單元12’，反相器15’共用一路直流電源，第一、第二單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元10’、11’共用一路直流電源且直流電壓取值為第一中結(jié)構(gòu)中時(shí)鐘信號CLK的高電平之值。該電路輸入數(shù)據(jù)信號D和時(shí)鐘信號CLK，輸出一對互補(bǔ)的數(shù)據(jù)信號Q、Qn。
請參考圖2，顯示了數(shù)據(jù)信號D連接于場效應(yīng)晶體管152’的柵極，場效應(yīng)晶體管152’用于輸入信號的反相，其結(jié)構(gòu)為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的E/R反相器場效應(yīng)晶體管152’的漏極連接上拉電阻151’，上拉電阻151’的另一端連接，輸入信號加在場效應(yīng)晶體管152’的柵極，反相信號由場效應(yīng)晶體管152’的漏極輸出。
請參考圖2，其中第一單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元10’包括兩個(gè)共振隧穿二極管101’、102’和兩個(gè)場效應(yīng)晶體管103’以及104’組成，該兩個(gè)共振隧穿二極管101’、102’與場效應(yīng)晶體管104’串聯(lián)，該共振隧穿二極管101’一端連接另一路直流電源，該場效應(yīng)晶體管104’的源極接地，場效應(yīng)晶體管103’與驅(qū)動(dòng)隧穿二極管102’并聯(lián)，場效應(yīng)晶體管103’的柵極接收反相后的輸入數(shù)據(jù)信號；其中第二單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元11’包括兩個(gè)共振隧穿二極管111’、112’和和兩個(gè)場效應(yīng)晶體管113’以及114’組成，該兩個(gè)共振隧穿二極管111’、112’與場效應(yīng)晶體管114’串聯(lián)，該共振隧穿二極管111’一端連接另一路直流電源，該場效應(yīng)晶體管114’的源極接地，場效應(yīng)晶體管113’與驅(qū)動(dòng)隧穿二極管112’并聯(lián)，場效應(yīng)晶體管113’的柵極接收觸發(fā)器的輸入數(shù)據(jù)信號。時(shí)鐘信號CLK作為單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元的使能信號，分別連接第一單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元10’中場效應(yīng)晶體管104’的柵極及第二單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元11’中場效應(yīng)晶體管114’的柵極，第一單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元10’中場效應(yīng)晶體管103’的漏極及第二單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元11’中場效應(yīng)晶體管113’的漏極分別為第一、第二單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元11’、12’的輸出端。
請參考圖2，鎖存單元12’中的第一反相器121’及第二反相器122’的輸出端交叉耦合到對方的輸入端，兩反相器組成的鎖存單元12’具有雙穩(wěn)特性，用于共振隧穿二極管D觸發(fā)器輸出數(shù)據(jù)的鎖存。
請參考圖2，場效應(yīng)晶體管13’、場效應(yīng)晶體管14’用作傳輸門，柵極連接時(shí)鐘信號CLK，在時(shí)鐘信號CLK為高電平期間導(dǎo)通，在時(shí)鐘信號CLK為低電平期間關(guān)斷，傳輸門13’、14’將第一、第二單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元10’、11’的輸出端與鎖存單元12’的輸出端連接起來。
從以上結(jié)構(gòu)出發(fā)，可以得出該共振隧穿二極管D觸發(fā)器的工作原理在時(shí)鐘信號CLK的上升沿到來的時(shí)刻，第一、第二單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元10’、11’中的場效應(yīng)晶體管104’、114’導(dǎo)通，第一、第二單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元被打開，接收輸入數(shù)據(jù)信號，單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元的輸出隨即依據(jù)輸入信號翻轉(zhuǎn)，傳輸門13’、14’導(dǎo)通，鎖存單元12’的狀態(tài)也隨之發(fā)生翻轉(zhuǎn)，即觸發(fā)器的輸出信號依據(jù)輸入信號翻轉(zhuǎn)；隨后在時(shí)鐘信號CLK維持高電平期間，由于單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元的自鎖特性，輸出隨之鎖定，單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元的工作原理原理請參考圖5即必須設(shè)計(jì)使單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元有合適的偏置，且設(shè)計(jì)使器件的尺寸相互合理的匹配以實(shí)現(xiàn)其工作在具有自鎖存特性的雙穩(wěn)態(tài)模式。接下來時(shí)鐘信號CLK下降為低電平，單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元“置1“，即輸出高電平，同時(shí)傳輸門關(guān)斷，輸出亦不發(fā)生變化，直至?xí)r鐘信號CLK的下一個(gè)上升沿到來?？梢姡|發(fā)器的透明時(shí)間僅限于時(shí)鐘信號的上升沿，即實(shí)現(xiàn)了邊沿觸發(fā)的功能。電路總體上采用對稱的差分結(jié)構(gòu)，對于抑制共模噪聲有良好的效果。在需要兩相時(shí)鐘信號CLK的情況下，由于單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元的時(shí)鐘端為第一單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元10’中場效應(yīng)晶體管104’的柵極及第二單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元11’中場效應(yīng)晶體管114’的柵極，輸入阻抗較大，對于集成的E/E，E/R反相器或CMOS反相器，都可以滿足電壓傳輸?shù)钠ヅ湟蟆?br> 請參考圖3，顯示一個(gè)共振隧穿二極管的直流特性曲線，通常根據(jù)偏置電壓的不同將其人為劃分為正微分電阻區(qū)域PDR1、負(fù)微分電阻區(qū)域NDR1、谷區(qū)域Valley Region，正微分電阻區(qū)域PDR2。
請參考圖4，顯示一個(gè)典型單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元的電路結(jié)構(gòu)，圖4(A)為圖4的邏輯符號圖，其中包含兩個(gè)串聯(lián)的共振隧穿二極管41、42和一個(gè)場效應(yīng)晶體管43，場效應(yīng)晶體管43與一個(gè)共振隧穿二極管43并聯(lián)，稱為驅(qū)動(dòng)共振隧穿二極管；另一個(gè)稱為負(fù)載共振隧穿二極管。這是一個(gè)四端的結(jié)構(gòu)，如圖1所示，其邏輯特性如下表
上述該典型單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元的基本工作原理可闡述為當(dāng)場效應(yīng)晶體管 輸入低電平，在單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元偏置電壓上升過程中，由于負(fù)載共振隧穿二極管的峰電流高于驅(qū)動(dòng)共振隧穿二極管和場效應(yīng)晶體管并聯(lián)的總峰電流，根據(jù)共振隧穿二極管的特性，驅(qū)動(dòng)共振隧穿二極管將先發(fā)生淬滅，單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元輸出高電平；當(dāng)場效應(yīng)晶體管輸入高電平，在單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元偏置電壓上升過程中，由于驅(qū)動(dòng)共振隧穿二極管和場效應(yīng)晶體管并聯(lián)的總峰電流高于負(fù)載共振隧穿二極管的峰電流，根據(jù)共振隧穿二極管的特性，負(fù)載共振隧穿二極管將先發(fā)生淬滅，單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元輸出低電平；在此過程中，單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元等同一個(gè)反相器。
請參考圖5，顯示了單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元結(jié)構(gòu)中，兩共振隧穿二極管的直流負(fù)載線。從直流負(fù)載圖出發(fā)可以得到單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元的工作原理并進(jìn)行定量的計(jì)算。圖中橫軸代表驅(qū)動(dòng)共振隧穿二極管兩端電壓，縱軸代表流過兩共振隧穿二極管的電流，由于在設(shè)計(jì)中使單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元的輸入電流和輸出電流都近似為零，流過兩個(gè)共振隧穿二極管的電流始終相等，因此圖中兩直流負(fù)載線的交點(diǎn)即為電路的工作點(diǎn)，圖中顯示出四個(gè)合法的工作點(diǎn)L1、L2、H1、H2，VL1<VL2，VH1)VH2。
假定單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元被前級完全相同的單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元所驅(qū)動(dòng)，為實(shí)現(xiàn)如上面表格所給出的邏輯特性，必須使設(shè)計(jì)滿足下列幾個(gè)條件 驅(qū)動(dòng)共振隧穿二極管的峰電流應(yīng)高于負(fù)載共振隧穿二極管的峰電流。
為保證雙穩(wěn)態(tài)的工作模式，要選擇合適的偏置電壓，即VCLK高電平的取值，使兩條負(fù)載線有三個(gè)交點(diǎn)，其中左右兩個(gè)交點(diǎn)處于正微分電導(dǎo)區(qū)域，對應(yīng)系統(tǒng)勢能的谷點(diǎn)，為穩(wěn)定工作點(diǎn)。關(guān)于正微分電導(dǎo)區(qū)域的說明可參考圖3。
為保證單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元在允許的輸入范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)希望的邏輯特性可以在設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算選擇合適的器件，需要滿足的條件有當(dāng)輸入電平為VH2，場效應(yīng)晶體管的Vds為Vp1時(shí)，驅(qū)動(dòng)共振隧穿二極管總的峰電流應(yīng)高于負(fù)載共振隧穿二極管的峰電流；當(dāng)輸入電平為VH1，場效應(yīng)晶體管的Vds為Vp2時(shí)，驅(qū)動(dòng)共振隧穿二極管總的電流應(yīng)低于負(fù)載共振隧穿二極管的峰電流，否則在時(shí)鐘信號為高電平期間，輸入由低電平到高電平的變化將導(dǎo)致自鎖存失?。划?dāng)輸入電平為VL2，場效應(yīng)晶體管的Vds為Vp1時(shí)，驅(qū)動(dòng)共振隧穿二極管總的峰電流應(yīng)低于負(fù)載共振隧穿二極管的峰電流。
對于條件1，可以通過控制驅(qū)動(dòng)共振隧穿二極管和負(fù)載共振隧穿二極管的發(fā)射極面積來實(shí)現(xiàn)。
對于條件2，當(dāng)共振隧穿二極管選定之后，總可以找到合適偏置電壓的值。
對于條件3，可以通過計(jì)算選擇合適的場效應(yīng)晶體管的柵寬范圍來實(shí)現(xiàn)。
請參考圖6，顯示了SPICE仿真得到的改進(jìn)結(jié)構(gòu)的共振隧穿二極管D觸發(fā)器之時(shí)序圖。時(shí)鐘信號CLK和輸入信號的設(shè)置如圖中所示，根據(jù)輸出信號的時(shí)序?？梢耘袛噙@是一個(gè)具有邊沿觸發(fā)性質(zhì)的D觸發(fā)器。
請參考圖7，顯示了一個(gè)由兩級共振隧穿二極管D觸發(fā)器級聯(lián)后構(gòu)成的二進(jìn)制分頻器。兩個(gè)觸發(fā)器作為主、從兩級鎖存器協(xié)同工作，在時(shí)鐘信號CLK的高電平和低電平期間交替采樣和保持。在時(shí)鐘信號CLK高電平時(shí)，主鎖存器對從鎖存器上一個(gè)時(shí)鐘周期的反相輸出進(jìn)行采樣，此時(shí)從鎖存器輸出處于保持狀態(tài)。在時(shí)鐘信號CLK低電平時(shí)，主鎖存器輸出處于保持狀態(tài)，從鎖存器對主鎖存器的輸出進(jìn)行采樣，再將反相輸出反饋到主鎖存器的輸入端。當(dāng)下一個(gè)時(shí)鐘周期到來時(shí)，主鎖存器又對反饋信號進(jìn)行新一輪的采樣、保持，從而實(shí)現(xiàn)分頻功能。
請參考圖8，顯示了SPICE仿真得到的由兩級改進(jìn)結(jié)構(gòu)的共振隧穿二極管D觸發(fā)器級聯(lián)后構(gòu)成的二進(jìn)制分頻器之時(shí)序圖。
與已知技術(shù)比較，由于充分利用了共振隧穿二極管的非線性特性，與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的實(shí)現(xiàn)相比，本發(fā)明的共振隧穿二極管D觸發(fā)器可使電路中元器件的數(shù)量減少一半。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明的權(quán)利要求所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明專利的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1.一種共振隧穿二極管D觸發(fā)器，其特征在于，包含有
一第一單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元；
一第二單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元；
一鎖存單元，該鎖存單元由第一反相器和第二反相器構(gòu)成，第一反相器的輸出端接第二反相器的輸入端；第二反相器的輸出端接第一反相器的輸入端；
一第一傳輸門，該第一傳輸門的輸入端連接第一單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元的輸出端，該第一傳輸門的輸出端連接至鎖存單元的輸入端；
一第二傳輸門，該第二傳輸門的輸入端連接第二單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元的輸出端，該第二傳輸門的輸出端連接鎖存單元的輸入端；
一反相器，該反相器的輸出端連接第一單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元的輸入端，用于產(chǎn)生反相的輸入信號，該反相器的一端接地，該反相器的輸入端連接至第二單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元的輸入端；
其中該第一、第二單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元連接該共振隧穿二極管D觸發(fā)器的時(shí)鐘信號；
其中該反相器及該鎖存單元由同一路直流電源供電；
其中該反相器的輸入端及第二單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元的輸入端連接該共振隧穿二極管D觸發(fā)器的輸入數(shù)據(jù)信號；
其中該鎖存單元的輸出端為該共振隧穿二極管D觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸出端，提供一對互補(bǔ)的輸出信號。
2.如權(quán)利要求1所述的共振隧穿二極管D觸發(fā)器，其特征在于，其中所述的該第一單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元包括兩個(gè)共振隧穿二極管和一個(gè)場效應(yīng)晶體管組成，該兩個(gè)共振隧穿二極管串聯(lián)且一端接地，另一端接時(shí)鐘信號，場效應(yīng)晶體管與連接地的驅(qū)動(dòng)隧穿二極管并聯(lián)，場效應(yīng)晶體管的柵極接收反相后的輸入數(shù)據(jù)信號。
3.如權(quán)利要求1所述的共振隧穿二極管D觸發(fā)器，其特征在于，其中所述的該第二單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元包括兩個(gè)共振隧穿二極管和一個(gè)場效應(yīng)晶體管組成，該兩個(gè)共振隧穿二極管串聯(lián)且一端接地，另一端接時(shí)鐘信號，場效應(yīng)晶體管與連接地的驅(qū)動(dòng)隧穿二極管并聯(lián)，場效應(yīng)晶體管的柵極接收觸發(fā)器的輸入數(shù)據(jù)信號。
4.一種共振隧穿二極管D觸發(fā)器，其特征在于，包含有
一第一單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元；
一第二單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元；
一鎖存單元，該鎖存單元由第一反相器和第二反相器構(gòu)成，第一反相器的輸出端接第二反相器的輸入端；第二反相器的輸出端接第一反相器的輸入端；
一第一傳輸門，該第一傳輸門的輸入端連接第一單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元的輸出端，該第一傳輸門的輸出端連接至鎖存單元的輸入端；
一第二傳輸門，該第二傳輸門的輸入端連接第二單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元的輸出端，該第二傳輸門的輸出端連接鎖存單元的輸入端；
一反相器，該反相器的輸出端連接第一單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元的輸入端，用于產(chǎn)生反相的輸入信號，該反相器的一端接地，該反相器的數(shù)據(jù)輸入端連接至第二單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元的輸入端；
其中該第一、第二單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元連接該共振隧穿二極管D觸發(fā)器的時(shí)鐘信號；
其中該反相器及鎖存單元由同一路直流電源供電，其中該第一、第二單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元由另一路直流電源供電；
其中該反相器的輸入端及第二單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元的輸入端連接該共振隧穿二極管D觸發(fā)器的輸入數(shù)據(jù)信號；
其中該鎖存單元的輸出端為該共振隧穿二極管D觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸出端，提供一對互補(bǔ)的輸出信號。
5.如權(quán)利要求4所述的共振隧穿二極管D觸發(fā)器，其特征在于，其中該第一單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元包括兩個(gè)共振隧穿二極管和兩個(gè)場效應(yīng)晶體管以及組成，該兩個(gè)共振隧穿二極管與場效應(yīng)晶體管串聯(lián)，該共振隧穿二極管一端連接另一路直流電源，該場效應(yīng)晶體管的源極接地，柵極接時(shí)鐘信號，場效應(yīng)晶體管與驅(qū)動(dòng)隧穿二極管并聯(lián)，場效應(yīng)晶體管的柵極接收反相后的輸入數(shù)據(jù)信號。
6.如權(quán)利要求4所述的共振隧穿二極管D觸發(fā)器，其特征在于，其中所述的該第二單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元包括兩個(gè)共振隧穿二極管和兩個(gè)場效應(yīng)晶體管以及組成，該兩個(gè)共振隧穿二極管與場效應(yīng)晶體管串聯(lián)，該共振隧穿二極管一端連接另一路直流電源，該場效應(yīng)晶體管的源極接地，柵極接時(shí)鐘信號，場效應(yīng)晶體管與驅(qū)動(dòng)隧穿二極管并聯(lián)，場效應(yīng)晶體管的柵極接收觸發(fā)器的輸入數(shù)據(jù)信號。
全文摘要
一種共振隧穿二極管D觸發(fā)器，包含有一第一單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元；一第二單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元；一鎖存單元由第一反相器和第二反相器構(gòu)成，第一反相器的輸出接第二反相器的輸入端；第二反相器的輸出接第一反相器的輸入端；一第一傳輸門的輸入端連接第一單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元的輸出端，輸出端連接至鎖存單元的輸入端；一第二傳輸門的輸入端連接第二單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元的輸出端，輸出端連接鎖存單元的輸入端；一反相器的輸出端連接第一單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元的輸入端，該反相器的一端接地，該反相器的輸入端連接至第二單穩(wěn)態(tài)—雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯單元的輸入端。
文檔編號H03K3/037GK101453200SQ200710178790
公開日2009年6月10日 申請日期2007年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月5日
發(fā)明者睿 杜, 楊富華 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所