專利名稱：基于rtd與ehemt的超高速全并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及數(shù)?；旌霞呻娐贩矫?， 一種 基于共振隧穿二極管(RTD)與增強型高電子遷移率晶體管(EHEMT) 的超高速全并行(flash)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。
背景技術(shù)：
在電路中需要處理的信號有兩類數(shù)字信號和模擬信號。模擬信號是
在連續(xù)變化的情況下處理的；而數(shù)字信號的處理是量化為二進制形式0和 1進行的。在許多情況下需要將這兩種基本信號處理連接起來，并實現(xiàn)兩 種信號之間的轉(zhuǎn)換，這就需要用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)或者數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC) 來實現(xiàn)。
在現(xiàn)代先進的電子設(shè)備或電子系統(tǒng)中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器是諸 如雷達、聲納、高分辨率視頻和圖像顯示、軍事和醫(yī)療成像、高性能控制 器與傳動器、以及包括無線電話和基站接收機在內(nèi)的數(shù)字通訊系統(tǒng)等現(xiàn)代
電子設(shè)備或系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分。
ADC的制作歷經(jīng)了電子管、晶體管到集成電路的發(fā)展過程。產(chǎn)品種 類從第一代分立半導(dǎo)體組件型轉(zhuǎn)換器、第二代集成電路組件型轉(zhuǎn)換器發(fā)展 到目前的集成轉(zhuǎn)換器。在集成轉(zhuǎn)換器中，又可分為模塊、混合和單片集成 轉(zhuǎn)換器。隨著半導(dǎo)體集成制作工藝的不斷進步，單片集成ADC的性能已 經(jīng)可與模塊/混合轉(zhuǎn)換器媲美，并且具有低成本、低功耗、小體積等優(yōu)勢。 因此，單片集成ADC的實現(xiàn)是目前ADC研究的主流。
一般轉(zhuǎn)換速率超過1Msps即可認為是高速ADC，即使是目前轉(zhuǎn)換速 率最快的flash ADC也僅能達到幾Gsps的轉(zhuǎn)換速率。研制更高速的ADC 是相當有挑戰(zhàn)的方向。
RTD與HEMT是具有高頻高速特性的量子器件，目前所達到的最高 振蕩頻率分別達到或接近THz量級。由RTD與HEMT組成的單片集成電
4路是未來超高速集成電路的發(fā)展方向之一。因此如果能研制出基于RTD
與HEMT的ADC電路，將有可能實現(xiàn)超高速的轉(zhuǎn)換速率。尤其是采用全 并行(flash)結(jié)構(gòu)的ADC電路的話，轉(zhuǎn)換速率將可能實現(xiàn)幾十Gsps，甚 至超過100Gsps。同時利用RTD的負阻特性，能夠極大的簡化電路結(jié)構(gòu)， 所需要的器件數(shù)比普通CMOS電路低一個數(shù)量級。極少的器件數(shù)也就使得 整個電路的功耗會相當?shù)牡?，而功耗過大也正是現(xiàn)代超大規(guī)模集成電路所 面臨的重要挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容
(一) 要解決的技術(shù)問題
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種基于RTD與EHEMT的 超高速全并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，以簡化電路結(jié)構(gòu)，降低功耗，實現(xiàn)超高速的轉(zhuǎn) 換速率。
(二) 技術(shù)方案
為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種基于共振隧穿二極管(RTD)與 增強型高電子遷移率晶體管(EHEMT)的超高速全并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，該 模數(shù)轉(zhuǎn)換器由2n-l個比較器和n個編碼器構(gòu)成，n為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)； 其中，各比較器并聯(lián)連接，輸入各比較器的模擬信號采用并聯(lián)方式輸入， 溫度碼的各位變換在一個單一的步驟內(nèi)一次性完成；各編碼器并聯(lián)連接， 輸入各編碼器的信號也采用并聯(lián)方式輸入，溫度碼到二進制碼的變換也在 一個單一 的步驟內(nèi) 一次性完成。
上述方案中，所述比較器采用基于RTD與EHEMT的超簡潔結(jié)構(gòu)比 較器電路，由一個RTD、 一個電阻器和一個EHEMT構(gòu)成。
上述方案中，所述編碼器采用基于RTD與EHEMT的超簡潔結(jié)構(gòu)編 碼器電路，由一個RTD和與溫度碼位數(shù)相對應(yīng)個數(shù)的EHEMT構(gòu)成。
上述方案中，所述每個比較器電路或每個編碼電路之后都連接有一個 由一個RTD與一個EHEMT構(gòu)成的反相器電路，該反相器電路具有反相 的作用，并能將比較器產(chǎn)生的不很理想的高低電平信號轉(zhuǎn)化為理想的高低 電平信號。上述方案中，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用一個時鐘信號，該時鐘信號同時用于 模擬信號的采樣和比較器電路邏輯的啟動或清零。
上述方案中，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用一個直流電平，該直流電平用于模擬 信號輸入零點的調(diào)節(jié)和為譯碼電路及反相器電路提供直流偏置。
上述方案中，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器對器件參數(shù)的需求符合現(xiàn)有的GaAs基和 InP基芯片的RTD與EHEMT器件技術(shù)，RTD的峰值電壓在0.2V 2V之 間，EHEMT的開啟電壓在0V 0.2V之間。
上述方案中，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器適用于InP基、GaAs基以及Si基微波單 片集成電路MMIC芯片。
(三)有益效果 從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果 本發(fā)明提供的這種基于RTD與EHEMT的超高速全并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器， 采用RTD與EHEMT，實現(xiàn)了極其簡單的比較器電路和簡單的編碼器電路， 大大簡化了電路結(jié)構(gòu)，并得到了很好的模擬運行結(jié)果。由于本電路所需要 的器件數(shù)量比傳統(tǒng)的flash ADC所需要的器件數(shù)量要少得多，幾乎小了一 個數(shù)量級，故電路的功耗也要小得多。加上全并行的結(jié)構(gòu)設(shè)計和采用工作 頻率達到數(shù)百GHz的RTD與HEMT器件，其工作頻率有望遠遠超過現(xiàn)今 的各種ADC，實現(xiàn)了超高速、低功耗的設(shè)計目標。本發(fā)明提供的這種基 于RTD與EHEMT的超高速全并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，適用于各種RTD與HEMT 集成技術(shù)。


圖1是RTD的I-V特性曲線示意圖2是本發(fā)明提供的4位flash ADC結(jié)構(gòu)示意圖3是本發(fā)明中的比較器108電路示意圖4是本發(fā)明中模擬仿真得到的比較器108輸入輸出信號示意圖； 圖5是本發(fā)明中的編碼器201電路示意圖； 圖6是本發(fā)明中的編碼器202電路示意圖； 圖7是本發(fā)明中的編碼器203電路示意6圖8是本發(fā)明中的編碼器204電路示意圖9是本發(fā)明中通過模擬仿真得到的模擬信號-數(shù)字信號轉(zhuǎn)換示意圖。
具體實施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
本發(fā)明提供的這種基于RTD與EHEMT的超高速全并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，由2n-l個比較器和n個編碼器構(gòu)成，n為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)；其中，各比較器并聯(lián)連接，輸入各比較器的模擬信號采用并聯(lián)方式輸入，溫度碼的各位變換在一個單一的步驟內(nèi)一次性完成；各編碼器并聯(lián)連接，輸入各編碼器的信號也采用并聯(lián)方式輸入，溫度碼到二進制碼的變換也在一個單一的步驟內(nèi)一次性完成。
圖1所示的為RTD的I-V特性曲線示意圖。RTD為具有負阻特性的量子器件，當RTD兩端的電壓超過某一特定的電壓值的時候，RTD會進入高阻狀態(tài)，圖中Imax為RTD峰值電流，Vmax為RTD的峰值電壓。
圖2所示的為本發(fā)明提供的4位flash ADC結(jié)構(gòu)示意圖。4位flash ADC由15個比較器和4個編碼器組成，15個比較器用于把模擬信號轉(zhuǎn)換為15位的溫度碼，4個編碼器用于把15位的溫度碼轉(zhuǎn)換成4位二進制碼。采用4位flashADC僅為示范本發(fā)明，對于n位的flash ADC，需要211—l個比
較器和n個編碼器。圖中IOI、 102.....115分別表示15個比較器，201、
202、 203、 204分別表示4個編碼器；Vjn+Vdd為輸入信號，其中^為需
要被轉(zhuǎn)換的模擬信號，Vdd為附加的直流電平；V。utl()、 V。ut2Q.....V。utl5。
為各個比較器得到的溫度碼信號，V。utll、 V。ut21.....V。ut^為各個比較器
得到的溫度碼信號的互補信號。
圖3所示的為本發(fā)明中的比較器108電路示意圖。圖中301、 302為RTD， 401、 402為EHEMT， 508為電阻器，Vin為需要被轉(zhuǎn)換的模擬信號，Vdd為附加的直流電平，Vdk為時鐘控制信號，用于同時對模擬信號進行采樣和控制比較器邏輯的啟動/清零，V。慮為比較器108得到的溫度碼信號的互補信號，V。u側(cè)為比較器108得到的溫度碼信號。圖中左邊虛線方框內(nèi)為比較邏輯電路，右邊虛線方框內(nèi)為反相電路。該比較器的基本原理為當RTD301兩端的電壓低于峰值電壓V皿時，RTD301處于低阻態(tài)，流過的電流較大，因而電阻器508和EHEMT401上的電壓降也較大，輸出V。ut81為高電平，輸出V。utso為低電平；當RTD301兩端的電壓高于峰值電壓Vmax時，RTD301處于高阻態(tài)，流過的電流較小，因而電阻器508和EHEMT401上的電壓降也較小，輸出V。u^為低電平，輸出V。utso為高電平。電阻器的阻值滿足以下關(guān)系
其中r鄉(xiāng)為電阻器阻值，r柳為V戰(zhàn)處于高電平時的EHEMT401的源漏電阻值，VQ為二進制碼信號每增加"l"所對應(yīng)的輸入模擬信號電壓值。以上等式說明當Vin>7.5V0時，RTD301將進入高阻態(tài)。
其它的14個比較器也都釆用完全相同的電路結(jié)構(gòu)，所不同的地方僅
在于每個比較器中的電阻器的電阻值不一樣。各比較器中電阻器的電阻值
滿足以下關(guān)系式
rmax + /max (; + ,'401 ) = — 0.5)r0 ( 2 )
rm為電阻器m的電阻值，其中m的取值分別為501、 502..... 515，
其對應(yīng)的n的取值分別為1、 2..... 15。
圖4所示為本發(fā)明中通過模擬仿真得到的比較器108的輸入輸出信號
示意圖。Vin為輸入的模擬信號，Vdk為輸入的時鐘控制信號，V。ut81和V。ut80
分別為圖3中對應(yīng)點的輸出電壓信號。V。，的高低電平區(qū)分如圖4中所示，高電平有比較大的變化范圍；V。uts。的高低電平則是相當理想的。從圖中可
以看出，V。utso在Vh小于某個特定值時，輸出一直為低電平，當Vh高于此值時，V。u側(cè)輸出都為高電平。V。u^的高低電平輸出情況則完全與V。u側(cè)相反。對于其它的各個比較器，輸出情況都與比較器108類似，僅是高低電平開始轉(zhuǎn)換的特定電壓值不一樣，其具體數(shù)值由公式(2)確定。
圖5所示為本發(fā)明中的編碼器201電路示意圖。圖中311和312為RTD， 411和412為EHEMT。輸入信號為V。ut8Q，輸出信號Vux)就是模數(shù)轉(zhuǎn)換器所得二進制碼的從左至右第一位(最高位)輸出。該編碼器實際上僅是一個由兩個RTD反相器組成的延時電路，用于實現(xiàn)與其它三位二進制信號的同時輸出。
圖6所示為本發(fā)明中的編碼器202電路示意圖。圖中321和322為
8RTD， 421、 422、 423和424為EHEMT。輸入信號為V。ut4()、 V。ut81和V。utl20，
輸出信號V20。就是模數(shù)轉(zhuǎn)換器所得二進制碼的從左至右第二位輸出。
圖7所示為本發(fā)明中的編碼器203電路示意圖。圖中331和332為RTD， 431、 432、…和438為EHEMT。輸入信號為V。ut2。、 V。ut41、 V。ut60、V。ut81、 V。u細、V。utl21和V。u錯，輸出信號V，就是模數(shù)轉(zhuǎn)換器所得二進制碼的從左至右第三位輸出。
圖8所示為本發(fā)明中的編碼器204電路示意圖。圖中341和342為RTD， 441、 442、…和4416為EHEMT。輸入信號為Voutl0、 V。ut21、 Vout30、
Vout4l、 Vout5o、 Vout6i、 Vout7o、 Vout8i、 Vout90、 Voutloi、 Voutllo、 Voutl21、 VoUtl30、V。uu仆和V。utl5G，輸出信號V40()就是模數(shù)轉(zhuǎn)換器所得二進制碼的從左至右
第四位(最低位)輸出。
通過以上4個編碼器實現(xiàn)了從15位溫度碼到4位二進制碼的轉(zhuǎn)換。圖9所示為本發(fā)明中通過模擬仿真得到的模擬信號-數(shù)字信號轉(zhuǎn)換示意圖。Vta為輸入模擬信號，V咖、V2(K)、 V鄉(xiāng)和V柳為輸出4位二進制碼信號?？梢钥闯鲛D(zhuǎn)換結(jié)果是相當好的，沒有任何邏輯錯誤。本發(fā)明提供的電路成功實現(xiàn)了從模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。
以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種基于共振隧穿二極管RTD與增強型高電子遷移率晶體管EHEMT的超高速全并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器由2n-1個比較器和n個編碼器構(gòu)成，n為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)；其中，各比較器并聯(lián)連接，輸入各比較器的模擬信號采用并聯(lián)方式輸入，溫度碼的各位變換在一個單一的步驟內(nèi)一次性完成；各編碼器并聯(lián)連接，輸入各編碼器的信號也采用并聯(lián)方式輸入，溫度碼到二進制碼的變換也在一個單一的步驟內(nèi)一次性完成。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于RTD與EHEMT的超高速全并行模數(shù) 轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述比較器采用基于RTD與EHEMT的超簡潔結(jié) 構(gòu)比較器電路，由一個RTD、 一個電阻器和一個EHEMT構(gòu)成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于RTD與EHEMT的超高速全并行模數(shù) 轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述編碼器采用基于RTD與EHEMT的超簡潔結(jié) 構(gòu)編碼器電路，由一個RTD和與溫度碼位數(shù)相對應(yīng)個數(shù)的EHEMT構(gòu)成。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的基于RTD與EHEMT的超高速全并行 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述每個比較器電路或每個編碼電路之后都連 接有一個由一個RTD與一個EHEMT構(gòu)成的反相器電路，該反相器電路 具有反相的作用，并能將比較器產(chǎn)生的不很理想的高低電平信號轉(zhuǎn)化為理 想的高低電平信號。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于RTD與EHEMT的超高速全并行模數(shù) 轉(zhuǎn)換器，其特征在于，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用一個時鐘信號，該時鐘信號同時 用于模擬信號的采樣和比較器電路邏輯的啟動或清零。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于RTD與EHEMT的超高速全并行模數(shù) 轉(zhuǎn)換器，其特征在于，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用一個直流電平，該直流電平用于 模擬信號輸入零點的調(diào)節(jié)和為譯碼電路及反相器電路提供直流偏置。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于RTD與EHEMT的超高速全并行模數(shù) 轉(zhuǎn)換器，其特征在于，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器對器件參數(shù)的需求符合現(xiàn)有的GaAs 基和InP基芯片的RTD與EHEMT器件技術(shù)，RTD的峰值電壓在0.2V 2V 之間，EHEMT的開啟電壓在0V 0.2V之間。
8、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于RTD與EHEMT的超高速全并行模數(shù) 轉(zhuǎn)換器，其特征在于，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器適用于InP基、GaAs基以及Si基微 波單片集成電路MMIC芯片。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于共振隧穿二極管與增強型高電子遷移率晶體管的超高速全并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器由2ⁿ-1個比較器和n個編碼器構(gòu)成，n為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)；其中，各比較器并聯(lián)連接，輸入各比較器的模擬信號采用并聯(lián)方式輸入，溫度碼的各位變換在一個單一的步驟內(nèi)一次性完成；各編碼器并聯(lián)連接，輸入各編碼器的信號也采用并聯(lián)方式輸入，溫度碼到二進制碼的變換也在一個單一的步驟內(nèi)一次性完成。利用本發(fā)明，實現(xiàn)了極其簡單的比較器電路和簡單的編碼器電路，大大簡化了電路結(jié)構(gòu)，降低了功耗，實現(xiàn)了超高速、低功耗的設(shè)計目標。
文檔編號H03M1/36GK101645709SQ20081011801
公開日2010年2月10日 申請日期2008年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月6日
發(fā)明者揚 戴, 睿 杜, 楊富華 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所