This letter presents a low-noise amplifier with a 3 dB-bandwidth, from 55 to 74 GHz, excellent noise performance and low power consumption based on a three-stage common-source topology. For the first time to the authors’ best knowledge, an analytical equation that also considers the gate–drain capacitance is derived for the employed shunt–series transformer feedback input matching network. To enable shunt–series transformer feedback matching without significant gain reduction a highly asymmetric transformer is designed. Furthermore, a compact transformer-implemented T-shaped output matching network is investigated to minimize the required area. To prove these concepts, the circuit has been fabricated in a 22 nm fully depleted silicon-on-insulator technology. Thanks to the transformer-based matching, an ultra-compact active footprint of 0.039 mm² is achieved. At a power consumption of 8.4 mW from a 0.41 V supply an average noise figure of 4.8 dB and a peak gain of 14.2 dB has been measured. In- and output matching better than −10 dB over the 19 GHz wide 3 dB-bandwidth are demonstrated.

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Delta-Sigma (ΔΣ) analog-to-digital converters (ADCs) are traditionally used in high quality audio systems, instrumentation and measurement (I&M) and biomedical devices. With the continued downscaling of CMOS technology, they are becoming popular in wideband applications such as wireless and wired communication systems,high-definition television and radar systems. There are two general realizations of a ΔΣ modulator. One is based on the discrete-time (DT) switched-capacitor (SC) circuitry and the other employs continuous-time (CT) circuitry. Compared to a CT structure, the DT ΔΣ ADC is easier to analyze and design, is more robust to process variations and jitter noise, and is more flexible in the multi-mode applications. On the other hand, the CT ΔΣ ADC does not suffer from the strict settling accuracy requirement for the loop filter and thus can achieve lower power dissipation and higher sampling frequency than its DT counterpart. In this thesis, both DT and CT ΔΣ ADCs are investigated. Several design innovations, in both system-level and circuit-level, are proposed to achieve lower power consumption and wider signal bandwidth. For DT ΔΣ ADCs, a new dynamic-biasing scheme is proposed to reduce opamp bias current and the associated signal-dependent harmonic distortion is minimized by using the low-distortion architecture. The technique was verified in a 2.5MHz BW and 13bit dynamic range DT ΔΣ ADC. In addition, a second-order noise coupling technique is presented to save two integrators for the loop filter, and to achieve low power dissipation. Also, a direct-charge-transfer (DCT) technique is suggested to reduce the speed requirements of the adder, which is also preferable in wideband low-power applications. For CT ΔΣ ADCs, a wideband low power CT 2-2 MASH has been designed. High linearity performance was achieved by using a modified low-distortion technique, and the modulator achieves higher noise-shaping ability than the single stage structure due to the inter-stage gain. Also, the quantization noise leakage due to analog circuit non-idealities can be adaptively compensated by a designed digital calibration filter. Using a 90nm process, simulation of the modulator predicts a 12bit resolution within 20MHz BW and consumes only 25mW for analog circuitry. In addition, the noise-coupling technique is investigated and proposed for the design of CT ΔΣ ADCs and it is promising to achieve low power dissipation for wideband applications. Finally, the application of noise-coupling technique is extended and introduced to high-accuracy incremental data converters. Low power dissipation can be expected. / Graduation date: 2010

科学研究費補助金 研究種目:一般研究(B) 課題番号:03452285 研究代表者:上杉 喜彦 研究期間:1991-1992年度

科学研究費補助金 研究種目:一般研究(B) 課題番号:90213339 研究代表者:上杉 喜彦 研究期間:1993-1994年度

Die vorliegende Dissertation trägt zur Erforschung der fremdsprachlichen Sprachverarbeitung bei, indem sie den Einfluss von wachsendem Diskurs auf die semantische Verarbeitung von Wörtern durch fortgeschrittene Deutschlerner (L2) im Vergleich zu Muttersprachlern (L1) untersucht. Im Moment des Lese- und Hörverstehens wurde unter Laborbedingungen die kognitive Verarbeitung von bekannten Wörtern und die Bedeutungserschließung von unbekannten Wörtern mit Hilfe von kontextuellen Hinweisen im vorausgehenden Kontext erforscht. In der EEG-Studie wurde im Prozess des leisen Lesens die Gehirnreaktion der Versuchspersonen auf das kritische Wort im Text gemessen. Die Analyse des ereigniskorrelierten Potentials N400, das semantische Verarbeitung reflektiert, implizierte, dass selbst ein reduzierter unterstützender Kontext die Verarbeitung des kritischen bekannten Wortes erleichtert. Im Gegensatz dazu fördert ein zusammenhängender neutraler Kontext, der keine Hinweise auf die Bedeutung des kritischen bekannten Wortes enthält, dessen kognitive Verarbeitung nicht. Wenn aber in einem Text ein unbekanntes Wort vorkommt, scheinen nur die Muttersprachler, jedoch nicht die L2-Lerner, von erweitertem unterstützendem Kontext zu profitieren, um die Bedeutung dieses Wortes in realer Zeit zu erschließen. Die ursprüngliche Forschungsfrage wurde erweitert, um zu testen, ob Personen dazu fähig sind, ein nachfolgendes Wort im Kontext auf Grundlage der vorausgehenden semantischen Hinweise vorauszusagen. Diese Fähigkeit wurde im Moment der auditiv-visuellen Diskursverarbeitung untersucht. In der Eye-Tracking-Studie wurden die Blickbewegungen der Versuchsteilnehmer zu den kritischen Bildern auf dem Monitor aufgenommen, bevor das entsprechende kritische Wort genannt wurde. Die gewonnenen Daten belegen, dass Muttersprachler den nachfolgenden Input selbst auf Basis eines reduzierten unterstützenden Kontextes voraussagen können. Für die L2-Lermer scheint ein reduzierter unterstützender Kontext keine prädiktive Kraft zu besitzen. Im Kontrast zu den Ergebnissen der früheren Lesestudie demonstrierten beide Versuchspersonengruppen eine ähnlich ausgeprägte Fähigkeit dabei, die Bedeutung eines unbekannten Wortes aufgrund der semantischen Signale des vorausgehenden erweiterten Kontextes zu erschließen. Das könnte bedeuten, dass fortgeschrittene L2-Lerner in einer natürlicheren Sprachverarbeitungssituation – insbesondere wenn sie die Informationen über verschiedene sensorische Kanäle bekommen – die kontextuellen Signale eines erweiterten unterstützenden Kontextes ähnlich effektiv wie die Muttersprachler einsetzen können, um die nachfolgenden Wörter leichter zu verarbeiten. Die berichteten Ergebnisse wurden vor dem Hintergrund von gedächtnisbasierten Theorien der Diskursverarbeitung diskutiert. Es wurde angenommen, dass die gemessenen Unterschiede bei der kontextgebundener Wortverarbeitung mit der ungleich ausgeprägten Fähigkeit zusammenhängen könnten, in L1 und L2 mentale Modelle des verarbeiteten Diskurses aufzubauen. Die Erkenntnisse der vorliegenden Dissertation tragen zu dem Wissensstand über Diskursverarbeitungsstrategien durch neue empirische Daten bei, die einen Einblick darin gewähren, wie geschriebene und gesprochene Texte von L2-Sprechern und Muttersprachlern ähnlich oder unterschiedlich verarbeitet werden. Vom Standpunkt der Fremdsprachendidaktik aus könnten die Ergebnisse als Effizienzbeweis für die kontextbasierten Semantisierungsstrategie interpretiert werden. Die gewonnenen Erkenntnisse können in der Fremdsprachendidaktik eingesetzt werden, um die Diskursverarbeitung bei L2-Sprechern zu fördern.

Cette thèse comporte quatre fichiers vidéo. This thesis comes with four video files. / L'industrie chimique mondiale est en pleine mutation, cherchant des solutions pour rendre la synthèse organique classique plus durable. Une telle solution consiste à passer de la catalyse chimique classique à la biocatalyse. Bien que les avantages des enzymes incluent leur stéréo, régio et chimiosélectivité, cette sélectivité réduit souvent leur promiscuité. Les efforts requis pour adapter la fonction enzymatique aux réactions désirées se sont révélés d'une efficacité modérée, de sorte que des méthodes rapides et rentables sont nécessaires pour générer des biocatalyseurs qui rendront la production chimique plus efficace. Dans l’ère de la bioinformatique et des outils de calcul pour soutenir l'ingénierie des enzymes, le développement rapide de nouvelles fonctions enzymatiques devient une réalité. Cette thèse commence par un examen des développements récents sur les outils de calcul pour l’ingénierie des enzymes. Ceci est suivi par un exemple de l’ingénierie des enzymes purement expérimental ainsi que de l’évolution des protéines. Nous avons exploré l’espace mutationnel d'une enzyme primitive, la dihydrofolate réductase R67 (DHFR R67), en utilisant l’ingénierie semi-rationnelle des protéines. La conception rationnelle d’une librarie de mutants, ou «Smart library design», impliquait l’association covalente de monomères de l’homotétramère DHFR R67 en dimères afin d’augmenter la diversité de la librairie d’enzymes mutées. Le criblage par activité enzymatique a révélé un fort biais pour le maintien de la séquence native dans un des protomères tout en tolérant une variation de séquence élevée pour le deuxième. Il est plausible que les protomères natifs procurent l’activité observée, de sorte que nos efforts pour modifier le site actif de la DHFR R67 peuvent n’avoir été que modérément fructueux. Les limites des méthodes expérimentales sont ensuite abordées par le développement d’outils qui facilitent la prédiction des points chauds mutationnels, c’est-à-dire les sites privilégiés à muter afin de moduler la fonction. Le développement de ces techniques est intensif en termes de calcul, car les protéines sont de grandes molécules complexes dans un environnement à base d’eau, l’un des solvants les plus difficiles à modéliser. Nous présentons l’identification rapide des points chauds mutationnels spécifiques au substrat en utilisant l'exemple d’une enzyme cytochrome P450 industriellement pertinente, la CYP102A1. En appliquant la technique de simulation de la dynamique moléculaire par la force de polarisation adaptative, ou «ABF», nous confirmons les points chauds mutationnels connus pour l’hydroxylation des acides gras tout en identifiant de nouveaux points chauds mutationnels. Nous prédisons également la conformation du substrat naturel, l’acide palmitique, dans le site actif et nous appliquons ces connaissances pour effectuer un criblage virtuel d'autres substrats de cette enzyme. Nous effectuons ensuite des simulations de dynamique moléculaire pour traiter l’impact potentiel de la dynamique des protéines sur la catalyse enzymatique, qui est le sujet de discussions animées entre les experts du domaine. Avec la disponibilité accrue de structures cristallines dans la banque de données de protéines (PDB), il devient clair qu’une seule structure de protéine n’est pas suffisante pour élucider la fonction enzymatique. Nous le démontrons en analysant quatre structures cristallines que nous avons obtenues d’une enzyme β-lactamase, parmi lesquelles un réarrangement important des résidus clés du site actif est observable. Nous avons réalisé de longues simulations de dynamique moléculaire pour générer un ensemble de structures suggérant que les structures cristallines ne reflètent pas nécessairement la conformation de plus basse énergie. Enfin, nous étudions la nécessité de compléter de manière informatisée un hémisphère où l’expérimental n’est actuellement pas possible, à savoir la prédiction de la migration des gaz dans les enzymes. À titre d'exemple, la réactivité des enzymes cytochrome P450 dépend de la disponibilité des molécules d’oxygène envers l’hème du site actif. Par le biais de simulations de la dynamique moléculaire de type Simulation Implicite du Ligand (ILS), nous dérivons le paysage de l’énergie libre de petites molécules neutres de gaz pour cartographier les canaux potentiels empruntés par les gaz dans les cytochromes P450 : CYP102A1 et CYP102A5. La comparaison pour les gaz CO, N2 et O2 suggère que ces enzymes évoluent vers l’exclusion du CO inhibiteur. De plus, nous prédisons que les canaux empruntés par les gaz sont distincts des canaux empruntés par le substrat connu et que ces canaux peuvent donc être modifiés indépendamment les uns des autres. / The chemical industry worldwide is at a turning point, seeking solutions to make classical organic synthesis more sustainable. One such solution is to shift from classical catalysis to biocatalysis. Although the advantages of enzymes include their stereo-, regio-, and chemoselectivity, their selectivity often reduces versatility. Past efforts to tailor enzymatic function towards desired reactions have met with moderate effectiveness, such that fast and cost-effective methods are in demand to generate biocatalysts that will render the production of fine and bulk chemical production more benign. In the wake of bioinformatics and computational tools to support enzyme engineering, the fast development of new enzyme functions is becoming a reality. This thesis begins with a review of recent developments on computational tools for enzyme engineering. This is followed by an example of purely experimental enzyme engineering and protein evolution. We explored the mutational space of a primitive enzyme, the R67 dihydrofolate reductase (DHFR), using semi-rational protein engineering. ‘Smart library design’ involved fusing monomers of the homotetrameric R67 DHFR into dimers, to increase the diversity in the resulting mutated enzyme libraries. Activity-based screening revealed a strong bias for maintenance of the native sequence in one protomer with tolerance for high sequence variation in the second. It is plausible that the native protomers procure the observed activity, such that our efforts to modify the enzyme active site may have been only moderately fruitful. The limitations of experimental methods are then addressed by developing tools that facilitate computational mutational hotspot prediction. Developing these techniques is computationally intensive, as proteins are large molecular objects and work in aqueous media, one of the most complex solvents to model. We present the rapid, substrate-specific identification of mutational hotspots using the example of the industrially relevant P450 cytochrome CYP102A1. Applying the adaptive biasing force (ABF) molecular dynamics simulation technique, we confirm the known mutational hotspots for fatty acid hydroxylation and identify a new one. We also predict a catalytic binding pose for the natural substrate, palmitic acid, and apply that knowledge to perform virtual screening for further substrates for this enzyme. We then perform molecular dynamics simulations to address the potential impact of protein dynamics on enzyme catalysis, which is the topic of heated discussions among experts in the field. With the availability of more crystal structures in the Protein Data Bank, it is becoming clear that a single protein structure is not sufficient to elucidate enzyme function. We demonstrate this by analyzing four crystal structures we obtained of a β-lactamase enzyme, among which a striking rearrangement of key active site residues was observed. We performed long molecular dynamics simulations to generate a structural ensemble that suggests that crystal structures do not necessarily reflect the conformation of lowest energy. Finally, we address the need to computationally complement an area where experimentation is not currently possible, namely the prediction of gas migration into enzymes. As an example, the reactivity of P450 cytochrome enzymes depends on the availability of molecular oxygen at the active-site heme. Using the Implicit Ligand Sampling (ILS) molecular dynamics simulation technique, we derive the free energy landscape of small neutral gas molecules to map potential gas channels in cytochrome P450 CYP102A1 and CYP102A5. Comparison of CO, N2 and O2 suggests that those enzymes evolved towards exclusion of the inhibiting CO. In addition, we predict that gas channels are distinct from known substrate channels and therefore can be engineered independently from one another.

Ce mémoire présente les efforts effectués pour réduire l'angle de perte de couches de pentoxyde de tantale amorphes telles qu'utilisées pour les miroirs de LIGO. Afin d'améliorer le niveau de relaxation des couches, celles-ci ont été déposées par pulvérisation cathodique magnétron à des températures allant de 50 °C à 480 °C, elles ont subi un recuit thermique rapide, elles ont été implantées par des ions d'oxygène, elles ont été déposées par pulvérisation cathodique magnétron en appliquant une tension de polarisation sur le substrat lors du dépôt allant de 0 V à -450 V et elles ont été déposées par pulvérisation cathodique magnétron pulsée à haute puissance dans le cadre de différentes expériences. L'angle de perte, l'épaisseur, la rugosité, l'indice de réfraction, la composition atomique, la contrainte, l'état de relaxation et le module de Young des couches ont par la suite été trouvés à l'aide de l'ellipsométrie spectralement résolue, la spectrométrie de rétrodiffusion de Rutherford, la détection des reculs élastiques, la spectroscopie Raman, la diffraction de rayons X et la nano-indentation. Il a été trouvé que la température de dépôt améliorait légèrement le degré de relaxation des couches jusqu'à 250 °C, mais qu'elle avait peu d'impact après recuit. Aussi, lors de dépôt à température de la pièce, une forte tension de polarisation réduit l'angle de perte, mais cet effet est encore une fois perdu suite au recuit. Les autres méthodes mentionnées ci-dessus n'ont pas influencé le degré de relaxation des couches selon l'angle de perte, la spectroscopie Raman et la diffraction de rayons X. Cette recherche a été réalisée avec le support financier du CRSNG et du FRQNT (numéro de dossier 206976). / This master's thesis presents the experiments made to reduce the loss angle of tantala coatings similar to those used in LIGO. To improve the relxation level of the coatings they were deposited by magnetron sputtering at temperatures varying from 50 °C to 480 °C. They were also subjected to rapid thermal annealing, and oxygen implantation. In another experiment, the coatings were deposited by magnetron sputtering with substrate biasing varying from 0 V to -450 V at room temperature and at 250 °C. Finally, the coatings of tantala were deposited by high power impulse magnetron sputtering. The loss angle, thickness, roughness, refractive index, atomic composition, stress, the relaxation state and Young's modulus of the coatings were characterized using spectroscopic ellipsometry, Rutherford backscattering, elastic recoil detection, Raman spectroscopy, X-ray diffraction and nanoindentation. It was found that the deposition temperature improved the loss angle until it reached 250 °C. However, annealing the coatings had a superior impact and the influence of the deposition temperature was not visible after annealing. When was applied a high bias to the susbtrate at room temperature, the obtained coating was slightly more relaxed than when a low bias was applied but this effect is, once again, insignificant after annealing. The other methods of deposition mentioned did not improve the loss angle or modify the relaxation state found by Raman spectroscopy and X-ray diffraction of the tantala coatings. This research was made with the financial support of the NSERC and of the FRQNT (file number 206976).

Effizienzsteigernde Methoden haben die Aufgabe, die Rechenzeit von Monte Carlo Simulationen zur Lösung von Strahlungstransportproblemen zu verringern. Dazu gehören weitergehende Quell- oder Geometrievereinfachungen und die Gewichtsfenstertechnik als wichtigstes varianzreduzierendes Verfahren, entwickelt in den 1950er Jahren. Die Schwierigkeit besteht bis heute in der Berechnung geeigneter Gewichtsfenster. In dieser Arbeit wird ein orts- und energieabhängiger Gewichtsfenstergenerator basierend auf dem vorwärts-adjungierten Generator von T.E. BOOTH und J.S. HENDRICKS für das Strahlungstransportprogramm AMOS entwickelt und implementiert. Dieser ist in der Lage, die Gewichtsfenster sowohl iterativ zu berechnen und automatisch zu setzen als auch, deren Energieeinteilung selbstständig anzupassen. Die Arbeitsweise wird anhand des Problems der tiefen Durchdringung von Photonenstrahlung demonstriert, wobei die Effizienz um mehrere Größenordnungen gesteigert werden kann. Energieabhängige Gewichtsfenster sorgen günstigstenfalls für eine weitere Verringerung der Rechenzeit um etwa eine Größenordnung. Für eine praxisbezogene Problemstellung, die Bestrahlung eines Personendosimeters, kann die Effizienz hingegen bestenfalls vervierfacht werden. Quell- und Geometrieveränderungen sind gleichwertig. Energieabhängige Fenster zeigen keine praxisrelevante Effizienzsteigerung. / The purpose of efficiency increasing methods is the reduction of the computing time required to solve radiation transport problems using Monte Carlo techniques. Besides additional geometry manipulation and source biasing this includes in particular the weight windows technique as the most important variance reduction method developed in the 1950s. To date the difficulty of this technique is the calculation of appropriate weight windows. In this work a generator for spatial and energy dependent weight windows based on the forward-adjoint generator by T.E. BOOTH and J.S. HENDRICKS is developed and implemented in the radiation transport program AMOS. With this generator the weight windows are calculated iteratively and set automatically. Furthermore the generator is able to autonomously adapt the energy segmentation. The functioning is demonstrated by means of the deep penetration problem of photon radiation. In this case the efficiency can be increased by several orders of magnitude. With energy dependent weight windows the computing time is decreased additionally by approximately one order of magnitude. For a practice-oriented problem, the irradiation of a dosimeter for individual monitoring, the efficiency is only improved by a factor of four at best. Source biasing and geometry manipulation result in an equivalent improvement. The use of energy dependent weight windows proved to be of no practical relevance.

Effizienzsteigernde Methoden haben die Aufgabe, die Rechenzeit von Monte Carlo Simulationen zur Lösung von Strahlungstransportproblemen zu verringern. Dazu gehören weitergehende Quell- oder Geometrievereinfachungen und die Gewichtsfenstertechnik als wichtigstes varianzreduzierendes Verfahren, entwickelt in den 1950er Jahren. Die Schwierigkeit besteht bis heute in der Berechnung geeigneter Gewichtsfenster. In dieser Arbeit wird ein orts- und energieabhängiger Gewichtsfenstergenerator basierend auf dem vorwärts-adjungierten Generator von T.E. BOOTH und J.S. HENDRICKS für das Strahlungstransportprogramm AMOS entwickelt und implementiert. Dieser ist in der Lage, die Gewichtsfenster sowohl iterativ zu berechnen und automatisch zu setzen als auch, deren Energieeinteilung selbstständig anzupassen. Die Arbeitsweise wird anhand des Problems der tiefen Durchdringung von Photonenstrahlung demonstriert, wobei die Effizienz um mehrere Größenordnungen gesteigert werden kann. Energieabhängige Gewichtsfenster sorgen günstigstenfalls für eine weitere Verringerung der Rechenzeit um etwa eine Größenordnung. Für eine praxisbezogene Problemstellung, die Bestrahlung eines Personendosimeters, kann die Effizienz hingegen bestenfalls vervierfacht werden. Quell- und Geometrieveränderungen sind gleichwertig. Energieabhängige Fenster zeigen keine praxisrelevante Effizienzsteigerung.:1 Einleitung 2 Theoretische Grundlagen 2.1 Strahlungsfeldgrößen und Strahlungstransportgleichung 2.2 Monte Carlo Methoden 2.3 Effizienzsteigernde Methoden 3 Gewichtsfenstergenerator 3.1 Güte der Ergebnisse 3.2 Iterative Berechnung 3.3 Implementation in AMOS 4 Anwendungsbeispiele 4.1 Tiefe Durchdringung von Photonenstrahlung 4.2 Gestreute Photonenstrahlung 5 Zusammenfassung und Ausblick 6 Literatur Anhänge / The purpose of efficiency increasing methods is the reduction of the computing time required to solve radiation transport problems using Monte Carlo techniques. Besides additional geometry manipulation and source biasing this includes in particular the weight windows technique as the most important variance reduction method developed in the 1950s. To date the difficulty of this technique is the calculation of appropriate weight windows. In this work a generator for spatial and energy dependent weight windows based on the forward-adjoint generator by T.E. BOOTH and J.S. HENDRICKS is developed and implemented in the radiation transport program AMOS. With this generator the weight windows are calculated iteratively and set automatically. Furthermore the generator is able to autonomously adapt the energy segmentation. The functioning is demonstrated by means of the deep penetration problem of photon radiation. In this case the efficiency can be increased by several orders of magnitude. With energy dependent weight windows the computing time is decreased additionally by approximately one order of magnitude. For a practice-oriented problem, the irradiation of a dosimeter for individual monitoring, the efficiency is only improved by a factor of four at best. Source biasing and geometry manipulation result in an equivalent improvement. The use of energy dependent weight windows proved to be of no practical relevance.:1 Einleitung 2 Theoretische Grundlagen 2.1 Strahlungsfeldgrößen und Strahlungstransportgleichung 2.2 Monte Carlo Methoden 2.3 Effizienzsteigernde Methoden 3 Gewichtsfenstergenerator 3.1 Güte der Ergebnisse 3.2 Iterative Berechnung 3.3 Implementation in AMOS 4 Anwendungsbeispiele 4.1 Tiefe Durchdringung von Photonenstrahlung 4.2 Gestreute Photonenstrahlung 5 Zusammenfassung und Ausblick 6 Literatur Anhänge