CN1599980A - 电子束激励超导模数转换器 - Google Patents
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Abstract
提供一种用于高速转换模拟电压信号为数字表示的系统和方法，称作模数转换器(A/D转换器)。本发明提出一种N比特A/D转换器，由N条超导(最好是HTC)传输线构成。该N条传输线相邻并且相互平行布置。在每条线上都串联嵌入2N－1个JJ。所述JJ在N条超导传输线结构上形成一矩阵，其形成方式使得穿过这些线、这些JJ给出N个数字二进制数，同时在长度方向上这N个数字二进制数符合数字顺序。使一扫描电子束照射到此配置上。该电子束以高频扫过这些线，同时其被所施加的电压信号沿这些线方向偏转。所述电子束在碰到任何一个JJ的条件下在N条线的任何一条上产生一电压阶跃。以此方式，在电子束的每一次交叉扫描之后，在这些线上产生一个N比特阶跃电压模式。此模式是输入电压信号的直接数字读出。
Description
发明领域
本发明一般地涉及模数转换，更特别地，涉及一种用于高速模数转换的系统和方法。
发明背景
数字处理方面的发展极大地影响着科学与技术中的很多方面以及数字处理的应用。有许多情况都需要快速转换模拟信号为数字表示以处理并利用数字设备的能力。一个关键部件是一种称为模数转换器(A/D转换器)的装置，该装置在许多系统中都作为关键的前端处理机。然而，A/D转换器的性能滞后于数字信息处理器，这产生对许多应用的完全数字化的一个障碍。
理想的是提供工作于30MHz和3GHz之间具有超过大约10比特分辨率的A/D转换器。这些A/D转换器可以用作雷达前端处理机、监听接收机、图像处理、HDTV以及其他多种领域中的部件。传统的半导体设备具有众所周知的系统局限性，不能满足上述的性能需求。例如，现有的硅双极技术在1GHz达到4比特，而GaAs异质结双极晶体管(HBT)技术设计达到1GHz 6比特。剩下约瑟夫逊结(JJ)技术最有希望可能产生高级数字系统所需的性能。工作于液态氦温度下的最快的约瑟夫逊结高速A/D转换器在1GHz达到6比特和在10GHz达到3比特。这些低临界温度(Tc)电路需要具有高度非线性的优质的约瑟夫逊结，其使用高Tc(HTC)超导性不能够再现。因此，许多已知的低Tc JJ电路和原理在HTC超导性中可能不能实现。因此，必然得出这样的结论：这些已知技术在性能指标上达到基本限度，其远远低于所需要的水平，研究新的方法是有必要的和适时的。
因此，现有技术中有必要找到一种基于HTC超导性的新的A/D转换系统和方法，能够产生的性能水平，其数量级高于使用传统的低Tc JJ装置所可能设想的水平。特别是，需要有这样一种A/D转换系统，其带宽在10比特分辨率可以超过10GHz，而这是先有技术所不能达到的。
附图的简要说明
图1示出一弱连接约瑟夫逊结装置的电流-电压特性图；
图2示出在两端匹配并包含串联弱连接的电子束激励无扩散HTC超导线；
图3示出一个3比特电子束激励超导A/D转换器；
图4示出一般的N比特电子束激励超导A/D转换器；
图5示出电子束模数转换器的典型实施例的预期性能；
图6示出一微型斯特林(Stirling)封闭循环冷冻机；并且
图7示出一超高性能模数转换器系统的示意图。
发明内容
上述讨论的和其他问题以及现有技术中的不足通过本发明的几种方法与装置而得到克服和减轻，本发明提出用于高速转换模拟电压信号为数字表示的系统与方法，称作模数转换器(A/D转换器)。本发明提出了一种N比特A/D转换器，由N条超导传输线、最好是HTC传输线构成。所述N条线相邻且相互平行布置。在每条线上连续嵌入2N-1个JJ。所述JJ在N条超导传输线上形成一个矩阵，其形成方式使得跨接这些线、JJ给定N个数字二进制数，而在长度方向上这N个数字二进制数符合数字顺序。使一扫描电子束照射到此配置上。该电子束是通过传输线高频扫描的，同时其沿传输线方向被施加的电压信号偏转。当碰到任何一个JJ时，该电子束在N条线的任何一条线上产生一个电压阶跃。以这种方式，在每一次交叉扫描电子束之后，就在这些线上产生N比特阶跃电压模式(pattern)。该模式是输入电压信号的直接数字读出。
本发明的上述讨论的及其它特征和优点从以下附图和详细说明中将更容易为本领域技术人员所领会和理解。
发明的详细说明
在此所公开的是一种新颖的基于HTC超导性弱连接装置的A/D转换器系统和方法，其产生的性能水平的数量级高于采用传统低Tc约瑟夫逊结(JJ)装置所可能设想到的性能水平。该系统依赖两种现象。首先是，电子束在很多GHz的频率范围内可以偏转。其次是，约瑟夫逊结(JJ)在碰到一适当的电子束之后切换到电压状态。这一超高性能的A/D转换器利用电子束与超导器件和电路的相互作用。特别是，在此所公开的系统和方法能够在超过10GHz的带宽使电子束偏转，导致A/D转换器的性能是以10比特分辩率的10GHz带宽。这是使用传统技术不可能实现的。此混合系统还得益于超导传输线重要的无扩散属性以及HTC弱连接的超快速切换。在一个实施例中，可以实现具有500MHz到1GHz模拟带宽的一个12比特A/D转换器。这是比其他技术更高的数量级。在又一个实施例中，A/D转换器的性能可以以12比特扩展到10GHz。
众所周知，当以高能电子束激励时，可以使约瑟夫逊结从零电压状态切换到有限电压状态。此电子束产生抑制约瑟夫逊电流的准粒子。图1示出一弱连接型JJ的电流-电压特性曲线，其具有一临界电流J0，且是在电流Ig偏置的电流。当施加电子束时，J0被抑制到I’0，适当低于Ig，使该装置从零电压状态切换到V0。在消除所述电子束激励之后该装置将复位回到零电压状态。弱连接型JJ装置的切换速度公知的是在亚微微秒范围内。为了实现这一点，电子束的能量Ee必需在约瑟夫能量EJ＝I0M0/2B的等级中，同时Ee必须比超导缩合能量小得多。使用具有在0.1到1mA范围内的I0、以及分别为几μA和几KV的电子束电流和电压、和在1-10微微秒范围内的电子束激励脉冲周期的约瑟夫逊装置，这些条件很容易得到满足。
图2示出作为在此所公开的多比特A/D转换器系统的一个部件的传输线20。传输线20是无扩散HTC超导传输线，包括多个串联的约瑟夫逊结22(图2中由交叉表示)。传输线20通常具有Z0(几欧姆)的特性阻抗并在两端匹配。电流源在Ig偏置约瑟夫逊结，并且如上所述，当电子束碰到这些结中的任何一个时，一电压脉冲V0产生并被传送到线的输出端。该传输线具有限定信号从左到右的传播延迟T的长度L，并给定T＝L/vp，其中vp是传输线相位速度，其在实际情况下大约等于光速的三分之一。所述传播延迟一般会限制A/D转换器的分辨率的比特及带宽。
因此，A/D转换器包括N条上述图2中所示的传输线20。工作原理在图3中示出，其中描述了一个3比特A/D转换器30的实施例。在这种情况下，三条传输线32a、32b和32c彼此相邻并通过适当的间距分离以使串扰减到最小。这些传输线32a、32b和32c沿Y方向定向并使电子束在X方向扫描。同时图3所示的是由Y0到Y7表示的23(即8)行。在X，Y平面，由此生成的矩阵标识具有8行3列(三条传输线32a，32b和32c)。表示每行位置的位模式由每行中的约瑟夫逊结(交叉符号)的数目表示。例如，第一行Y0，没有任何JJ’s，表示Y0位置的位模式是(0，0，0)。在另一端，Y7具有3个JJ’s，位模式是(1，1，1)。为了实现A/D转换器功能，利用非常快地在XY平面扫描电子束的性能。可以实现接近20GHz带宽的电子束偏转。在X方向，连续以采样频率fs(fs＞10GHz)扫描电子束。将输入的模拟信号施加到Y偏转系统，根据输入模拟信号的值使电子束在Y方向偏转到Y0与Y7之间的任何位置。例如，当输入模拟信号为零时，将在X方向通过第一行(Y0)扫描电子束，并且在这种情况下，由于在此行中没有任何约瑟夫逊结，三条线的输出电压是位模式(0，0，0)。当输入电压为最高时，电子束在Y方向被偏转以致于其通过第八行Y7，三个约瑟夫逊结将切换(根据图1和2)，并且输出为位模式(1，1，1)。当然，当所述值在零和最高值之间时，这将导致电子束扫过其他行。随着模拟信号改变，输出的位模式也变化以反映在采样频率fs的变化。本领域技术人员根据这里的描述应当理解，关于是否JJ被分配数字1和无用的数字0是任意的，或者反之亦然。
该3比特A/D转换器30很明显要依赖超导线的零阻抗和无扩散性质、约瑟夫逊结的超高切换速度以及在多GHz带宽内在XY方向偏转电子束的能力。
在图4中，示出一般的N比特的A/D转换器40。当然，这里需要N条传输线42a，42b，42…42N-1。若干行以周期p、JJ’s的长度重复，其也是空白单元的长度、没有JJ的线的最短部分。每条传输线的总长度是L＝p2N。此关系清楚地说明，如果L保持不变，随着p值降低，比特数会增加，因此允许较宽的模拟带宽。模拟带宽受传输线42中的信号的传播延迟T的限制，其与线的长度有关。A/D转换器40的带宽可以表示为：BW＝1/2T。
采样频率是在X方向扫描电子束的频率，并确定系统最终的性能。系统最大的模拟带宽BW不能大于1/2fs。如图5所示，A/D转换器的性能通常由三条线或区域划界。
平坦区域受在Y方向电子束偏转带宽的性能、fs以及关系式BW＝fs/2的限制。只要采样周期比近似3T长，模拟带宽BW＝fs/2就与分辨率的比特无关。对于p＝0.5微米，束直径大小等于0.5微米，fs＝20GHz，给出10GHz的最大模拟带宽和N＝13的最大比特数。
光限制区域，其中N＞13，带宽根据下列公式与比特数相关：BW＝(c/2np)×(1/2N)，其中c为光速，n反映传输线相位速度相对于c是多么慢，并且其中n假定为3，p是间距。从此公式可以在1GHz的BW获得N＝17比特。
由于上述公式因受传输线长度不能是不定长的限制而分解，得到图5中长的长度界限。基于直觉、实际限制(如微制造)、电子束扫描距离、电子束散焦及其它因素，最大传输线长度大约为10cm，在这种情况下，A/D转换器的性能具有以18比特分辨率的500MHz带宽。
通过减少间距到小于0.5微米并增加电子束偏转带宽超过20GHz，甚至可以如图5中的虚线所示进一步提高性能。两者利用复杂的光刻技术和微制造技术，以及电子束偏转系统的精确设计都是可以实现的。
根据前述分析，很明显，所发明的电子束A/D转换器具有的性能数量级高于最先进的基于JJ的电路。利用其他技术不可能期待获得在13比特下的10GHz或在17比特下的1GHz的带宽。获取这种超高性能水平的关键要素是创建超过10GHz带宽的电子束偏转电路。这已由S.M.Kocimski(1991年6月，IEEE电子器件学报第38卷，第1524页)证实。这一新原理的另一个重要优势是约瑟夫逊结可以具有弱连接型而不是隧道结，其具有灵敏准粒子隧道效应部件。使用HTC超导材料，使得可以如图6所示使用微型冰箱在77°K采用冷却，可以很容易地实现弱连接。
获得20GHz或超过20GHz的偏转带宽的一个主要方面涉及当N＞10时在动态范围2N的线性度。幸而，所公开的A/D转换器结构可以在超导芯片中解决此问题。代替具有以间距p周期性重复的若干行，某些由若干行构成的组将具有通过测量非线性度而确定的可变间距。因而，此方案使非线性度最小化。
超高性能A/D转换器系统70的一个优选实施例在图7中示出。该A/D转换器系统70包括三个主要的子系统。电子束子系统76一般包括已知的电子束生成系统，其可以根据所需的模拟带宽发送电子束，例如，具有大约0.5微米直径、0.1μA、以及在1-5KV中的电压的电子束。根据该性能，XY偏转电路设计成实现100MHz到20GHz范围内的带宽。
还提供一超导传输线芯片76，其使用高Tc超导传输线以及提供上述参照图2-4说明的线性传输的弱连接装置，连同适当的绝缘器和电阻器技术及一调节电源。芯片76最好包括宽带宽放大器以便与常温电子设备连接。芯片76应包装在一个真空密封装置中，使得上表面在真空中并接受电子束激励，同时其他表面热连接到一冷却子系统78。
设置该冷却子系统78以补偿从超导电路消耗的几分之一毫瓦功率。因此，冷却限制不是很严格。使用例如图6所示的一微型斯特林(Stirling)闭合循环制冷器，可以方便地实现冷却，该制冷器是众所周知的。
附加的电子设备，没有在图7中特别示出，例如线性宽带宽放大器、同步发生器和常温接口电子设备，例如存储缓冲器和处理器，都可以根据特定应用的需要而被包括在其中。
对上面所描述的本发明的各个方面的修改仅仅是示例性的。本领域普通技术人员应当理解，对于举例说明的实施例可以很容易做出其他修改。所有这种修改和变动都被认为是在根据所附权利要求所定义的本发明的精神和范围内。
Claims (6)
1.一种获取有关电压信号大小的信息的系统，包括：
一超导传输线，该线具有一起始点；
一个或多个约瑟夫逊结(JJ)，其中所述JJ被嵌入在所述超导传输线中，并且其中所述JJ以与该起始点已知的距离串联；以及
一电子束，该电子束照射到所述超导传输线上，该电子束接受与该电压信号大小成比例、沿该超导传输线方向上的位移，并且其中所述电子束在碰到所述一个或多个JJ中的任何一个的条件下在该超导传输线上产生一电压阶跃。
2.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：
N-1条附加超导传输线，其中，该N-1条附加超导传输线相邻并且基本上相互平行地布置，并且与该超导传输线一起产生N条基本上相同的超导传输线的一个结构，该结构具有两个特性方向，一个是沿这些线之方向的y方向，以及横穿这些线的x方向；
一个在该N条超导传输线之结构上嵌入的若干JJ的矩阵，该矩阵由该N条超导传输线的每一条上的2N-1个JJ构成，其中这些JJ的配置使得在x方向产生N个数字二进制数，此外该N个数字二进制数在y方向上符合数字顺序；以及
一扫描电压使电子束在x方向偏转，其中，该电子束周期性地照射到该N条超导传输线的每一条上。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述超导传输线由HTC超导材料制成。
4.根据权利要求3所述的系统，进一步包括：
一冷却子系统，该冷却子系统提供一环境，在该环境中该HTC超导材料导电而没有电阻；和
一电子束子系统，该电子束子系统进一步包括一真空系统。
5.一种用于取时变电压信号的N比特数字采样的方法，包括以下步骤：
提供N条超导传输线，该N条超导传输线相邻并且基本上相互平行地布置，形成具有两个特性方向的结构，一个是沿这些传输线之方向的y方向，以及横穿这些传输线的x方向；
在该N条超导传输线的每一条上嵌入串联的2N-1个约瑟夫逊结(JJ)，其中所述JJ形成在该N条超导传输线之结构上的一个矩阵，配置这些JJ以便在x方向产生N个数字二进制数，此外所述N个数字二进制数在y方向上符合数字顺序；以及
将一电子束照射到该N条超导传输线的配置上，该电子束由x方向的一扫描电压偏转，其中，该电子束周期性地照射到该N条超导传输线的每一条上，所述电子束还接受与该时变电压信号大小成比例、沿y方向上的位移，其中，该电子束在碰到所述JJ中的任何一个的条件下、在该N条超导传输线的任何一条上产生一电压阶跃，从而在该N条传输线上的电压阶跃产生该时变电压信号的数字表示。
6.根据权利要求5所述的方法，进一步包括选择用于制造所述超导传输线的HTC超导材料的步骤。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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Ref country code: HK Ref legal event code: DE Ref document number: 1075979 Country of ref document: HK |
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| REG | Reference to a national code |
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