DE10218695A1 - Defined alternating voltage generator for metrology, has Josephson circuits driven by synthesizer comprising single-flux-quantum shift registers for generating independent sequences of voltage pulses - Google Patents
Defined alternating voltage generator for metrology, has Josephson circuits driven by synthesizer comprising single-flux-quantum shift registers for generating independent sequences of voltage pulsesInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer definierten Wechselspannung mit einer Vielzahl von Josephson-Schaltungen, die mit Spannungspulsen angesteuert und zur Erzeugung der definierten Wechselspannung verschaltet sind, und mit einem Einzelflußquanten-Synthesizer zur Erzeugung definierter binärer Sequenzen von Spannungspulsen zur Ansteuerung der Josephson-Schaltungen. The invention relates to a device for generating a defined AC voltage with a variety of Josephson circuits using voltage pulses are controlled and connected to generate the defined AC voltage, and with a single flow quantum synthesizer for the generation of defined binary sequences of Voltage pulses to control the Josephson circuits.
Josephson-Schaltungen sind als Array einer Vielzahl von Josephson-Elementen hinreichend bekannt und werden beispielsweise zum Aufbau eines Spannungsnormals eingesetzt. Hierbei wird der Josephson-Wechselstromeffekt ausgenutzt. Wenn nämlich an ein Josephson-Element eine Gleichspannung gelegt wird, dann fließt durch das Josephson-Element ein sinusförmiger Wechselstrom, dessen Frequenz der anliegenden Gleichspannung proportional ist. Umgekehrt wird führt die Absorption von Strahlung im Josephson-Kontakt zur Erzeugung einer Spannung U, die proportional zur Strahlungsfrequenz f ist (U = fh/2e), wobei h die Plank'sche Konstante und e die Elementarladung ist). Josephson circuits are an array of a variety of Josephson elements well known and are used, for example, to build a voltage standard used. The Josephson alternating current effect is used here. If namely DC voltage is applied to a Josephson element, then flows through the Josephson element is a sinusoidal alternating current, the frequency of which is applied DC voltage is proportional. Conversely, the absorption of radiation leads in the Josephson contact to generate a voltage U that is proportional to Radiation frequency f is (U = fh / 2e), where h is the Plank constant and e is the Elementary charge is).
Aus C. A. Hamilton, C. J. Burroughs, S. P. Benz: "Josephson Voltage Standard - a review", IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 7, 1997, Seiten 3756-3761 ist eine Reihenschaltung von Josephson-Kontakten zur Realisierung einer Schaltung zum Aufbau eines Spannungsnormals beschrieben. Aufgrund der Nullstromstufen und der großen Kapazität der Josephson-Kontakte lassen sich beliebige Spannungswerte nicht gezielt schnell einstellen und ein Rauschen kann zu einem spontanen Schalten zwischen verschiedenen Stufen führen. From C.A. Hamilton, C.J. Burroughs, S.P. Benz: "Josephson Voltage Standard - a review ", IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 7, 1997, pages 3756-3761 is one Series connection of Josephson contacts to implement a circuit for assembly of a voltage standard. Because of the zero current levels and the large The capacitance of the Josephson contacts cannot be used to target any voltage values set quickly and a noise can cause a spontaneous switching between different levels.
In S. P. Benz, C. A. Hamilton, C. J. Burroughs, T. E. Harvey, L. A. Christian, J. X. Przybysh:, "Pulse-Driven Josephson Digital/Analog Converter", IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 8, 1998, Seiten 42-47 ist ein programmierbares Spannungsnormal aus Reihenschaltungen von Josephson-Kontakten mit binärer Unterteilung beschrieben. Beim Ein- und Ausschalten einzelner Segmente führen die Übergangsbereiche zu einer Unsicherheit der erzeugten Wellenform, so dass die programmierbare Reihenschaltung nicht zur Erzeugung von Wechselspannungen höherer Frequenz geeignet ist. In S.P. Benz, C.A. Hamilton, C.J. Burroughs, T.E. Harvey, L.A. Christian, J.X. Przybysh :, "Pulse-Driven Josephson Digital / Analog Converter", IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol. 8, 1998, pages 42-47 is a programmable voltage standard Series connection of Josephson contacts with binary division described. When switching individual segments on and off, the transition areas lead to a Uncertainty of the generated waveform, so the programmable series connection is not suitable for generating AC voltages of higher frequency.
Es ist weiterhin aus V. K. Semenov, Yu. A. Polyakov:, "Circuit improvements for a Voltage multiplier", IEEE Trans. Appl. Supercond. vol. 11, 2001, Seiten 550-553 bekannt, die Spannungsamplituden durch sukzessive Vervielfachung von Einzelflußquanten-Pulsen zu erhöhen. Hierbei bilden jedoch Streukapazitäten, insbesondere parasitäre Kapazitäten zwischen dem Pulsgeber und den Multiplizierern, ein großes Problem. Zudem erfordert die Synthetisierung von 1 Volt-Wechselspannungs-Wellenformen eine Schaltungskomplexität von mehreren hunderttausend aktiven Josephson-Elementen, die herkömmlicherweise auf mindestens fünfzehn integrierten Schaltungen realisiert werden müssten. It is also from V. K. Semenov, Yu. A. Polyakov: "Circuit improvements for a Voltage multiplier ", IEEE Trans. Appl. Supercond. Vol. 11, 2001, pages 550-553 known, the voltage amplitudes by successive multiplication of To increase single-flux quantum pulses. Here, however, stray capacitances form, particularly parasitic ones Capacities between the pulse generator and the multipliers, a big problem. In addition, synthesizing 1 volt AC waveforms requires one Circuit complexity of several hundred thousand active Josephson elements, which is conventionally implemented on at least fifteen integrated circuits would have to be.
In M. Khabipov, W. Kessel, H.-G. Meyer, J. Niemeyer, G. Wende: "A RSFQ circuit for a pulse-driven programmable Josephson Voltage Standard", 43rd International Scientific Colloquium, TU Ilmenau, Conf. Proc. vol. 3, 1998, Seiten 224-227 ist der Einsatz von schnellen Einzelflußquanten (Rapid Single Flux Quantum RSFQ) Schaltungen für pulsbetriebene programmierbare Josephson-Spannungsnormale beschrieben. Mit einem dc/SFQ-Konverter werden Einzelflußquanten-Pulse durch Konvertierung harmonischer Signale (dc) erzeugt und in ein zirkulares Schieberegister geschrieben. Das zirkulare Schieberegister dient als Speicher für die als binäre Sequenzen von Einzelflußquanten (SFQ)-Pulse generierte Signalinformation. Das Schieberegister wird mit einer Frequenz bis zu 5 GHz getaktet und die Pulse werden im Auslesemodus mit einem Multiplizierer vervielfältigt und parallel auf eine Vielzahl von Treibern für eine entsprechende Anzahl von Josephson-Schaltungen aufgeteilt. Die Einzelflußquanten werden jeweils mit einem SFQ-dc-Konverter in Gleichspannungspulse umgewandelt, die in einem Spannungstreiber, beispielsweise mit einem Stack aus DC-SQUIDs (Superconducting Quantum Inteference Device), in geeignete Spannungspulse geformt werden. Diese Spannungspulse werden anschließend zum Treiben der Josephson-Schaltungen durch einen Halbleiterverstärker verstärkt. In M. Khabipov, W. Kessel, H.-G. Meyer, J. Niemeyer, G. turning point: "A RSFQ circuit for a pulse-driven programmable Josephson Voltage Standard", 43 rd International Scientific Colloquium, Technical University Ilmenau, Conf. Proc. vol. 3, 1998, pages 224-227 describes the use of rapid single flow quanta (Rapid Single Flux Quantum RSFQ) circuits for pulse-operated programmable Josephson voltage standards. With a dc / SFQ converter, single-flux quantum pulses are generated by converting harmonic signals (dc) and written into a circular shift register. The circular shift register serves as a memory for the signal information generated as binary sequences of single flow quanta (SFQ) pulses. The shift register is clocked at a frequency of up to 5 GHz and the pulses are multiplied in the readout mode with a multiplier and distributed in parallel to a large number of drivers for a corresponding number of Josephson circuits. The single-flow quanta are each converted into DC voltage pulses using an SFQ-dc converter, which are shaped into suitable voltage pulses in a voltage driver, for example with a stack of DC-SQUIDs (Superconducting Quantum Inteference Device). These voltage pulses are then amplified by a semiconductor amplifier to drive the Josephson circuits.
Nachteilig können nur monoton verlaufende, das heißt entweder nur ansteigende oder nur abfallende Teile der Wellenform konvertiert werden. Eine Synthetisierung beliebiger Wellenformen mit positiven und negativen Polaritäten ist nicht möglich. Disadvantages can only be monotonous, ie either only increasing or only falling parts of the waveform are converted. A synthesis arbitrary waveforms with positive and negative polarities is not possible.
Aufgabe der Erfindung war es daher, eine verbesserte Vorrichtung zur Erzeugung einer definierten Wechselspannung mit einer Vielzahl von Josephson-Schaltungen zu schaffen, mit der beliebige Wellenformen mit für metrologische Anwendungen hinreichend hoher Präzision realisierbar sind. The object of the invention was therefore to provide an improved device for generating a defined AC voltage with a variety of Josephson circuits create with which any waveform with sufficient for metrological applications high precision can be realized.
Die Aufgabe wird mit der gattungsgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Einzelflußquanten-Synthesizer mindestens zwei getaktete zirkulare Einzelflußquanten-Schieberegister zur Erzeugung von mehreren voneinander unabhängigen Sequenzen von Spannungspulsen hat. The object is achieved with the generic device according to the invention solved that the single-flow quantum synthesizer has at least two clocked circular Single flow quantum shift registers for generating several from each other independent sequences of voltage pulses.
Durch die Verwendung von mindestens zwei Einzelflußquanten-Schieberegistern ist es möglich, die Einzelflußquanten-Pulse für die ansteigenden und abfallenden Teile der Wellenformen der zu erzeugenden Wechselspannung alternativ in jeweils ein Einzelflußquanten-Schieberegister zu schreiben. Der abgespeicherte Signalcode des einen Schieberegisters wird jeweils zur definierten Erzeugung positiver Spannungspulse und der Signalcode des anderen Schieberegisters zur Erzeugung negativer Spannungspulse genutzt. Auf diese Weise können Wechselspannungssignale beiderlei Polarität erzeugt werden. By using at least two single-flow quantum shift registers, it is possible, the single flow quantum pulses for the rising and falling parts of the Waveforms of the AC voltage to be generated alternatively in each Write single-flux quantum shift registers. The stored signal code of one Shift registers are used to generate positive voltage pulses and the signal code of the other shift register to generate negative voltage pulses used. In this way, AC signals of both polarities can be generated become.
Durch die Verwendung von mindestens zwei Einzelflußquanten-Schieberegistern sind zudem erhöhte Frequenzen der erzeugten Wechselspannungssignale beiderlei Polarität bis zu 10 MHz möglich. Weiterhin ist es vorteilhaft, dass eine höhere Bandbreite als bei bisherigen Lösungen und Vorschlägen auf der Basis konventioneller Elektronik erzielt wird, die außerdem im Zuge der Fortschritte in der Supraleitungs- Technologieentwicklungen (bei erhöhten charakteristischen Spannungen Vc = Ic.RN) weiter gesteigert werden kann. By using at least two single-flux quantum shift registers, increased frequencies of the generated AC signals of both polarities up to 10 MHz are also possible. It is also advantageous that a higher bandwidth is achieved than with previous solutions and proposals based on conventional electronics, which also further increases in the course of advances in superconducting technology developments (with increased characteristic voltages V c = I c .R N ) can be.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn benachbarte Josephson-Schaltungen jeweils mit Spannungspulsen unterschiedlicher Polarität, das heißt abwechselnd mit positiven und negativen Spannungspulsen angetrieben werden. Hierdurch wird eine drastische Reduzierung parasitärer Leitungsinduktivitäten zwischen den einzelnen Josephson- Schaltungs-Arrays erreicht, was zu einer höheren Genauigkeit der synthetisierten Wellenformen führt. It is also advantageous if adjacent Josephson circuits are also included Voltage pulses of different polarity, i.e. alternating with positive and negative voltage pulses are driven. This will be a drastic one Reduction of parasitic line inductances between the individual Josephson Circuit arrays achieved, resulting in greater accuracy of the synthesized Waveforms.
Hierzu können die benachbarten Josephson-Schaltungen alternierend an das erste zirkulare Einzelflußquanten-Schieberegister und das zweite zirkulare Einzelflußquanten- Schieberegister geschaltet sein, wobei die beiden Einzelflußquanten-Schieberegister jeweils zur Erzeugung des ansteigenden bzw. abfallenden Teils der Wellenform der zu erzeugenden Wechselspannung vorgesehen sind. For this purpose, the neighboring Josephson circuits can alternately be connected to the first circular single-flow quantum shift register and the second circular single-flow quantum Shift registers are connected, the two single-flux quantum shift registers to generate the rising or falling part of the waveform generating AC voltage are provided.
Für jede Josephson-Schaltung kann auch ein biasstromgetriebener Spannungstreiber vorgesehen sein, wobei die Polarität der Biasströme der Spannungstreiber für benachbarte Josephson-Schaltungen alternieren. Wiederum werden die Spannungstreiber mit positiven Spannungspulsen von einem gemeinsamen ersten Einzelflußquanten- Schieberegister zur Generierung des ansteigenden Teils der Wellenform und die Spannungstreiber mit negativen Spannungspulsen von dem anderen Einzelflußquanten- Schieberegister zur Generierung des abfallenden Teils der Wellenform angesteuert. A bias current driven voltage driver can also be used for each Josephson circuit be provided, the polarity of the bias currents of the voltage drivers for neighboring Josephson circuits alternate. Again, the voltage drivers are with positive voltage pulses from a common first single flow quantum Shift register to generate the rising part of the waveform and the Voltage drivers with negative voltage pulses from the other single flow quantum Shift register controlled to generate the falling part of the waveform.
Die in den Einzelflußquanten-Schieberegistern gespeicherten binären Einzelflußquanten-Pulse können variierende Bitfolgen sein, die eine zu erzeugende Wellenform charakterisieren. The binary stored in the single flow quantum shift registers Single-flux quantum pulses can be varying bit sequences, which is a waveform to be generated characterize.
Alternativ können die in den Einzelflußquanten-Schieberegistern gespeicherten binären Einzelflußquanten-Pulse auch konstante Bitfolgen mit dem Wert 1 sein. Diese Art der Ansteuerung ist auch bei einer Ausführungsform mit nur einem Einzelflussquanten- Schieberregister vorteilhaft einsetzbar. Zur Synthetisierung von Wechselspannungs- Wellenformen kann eine Modulationseinheit zur Modulation der Taktfrequenz der Taktsignale zur Taktung der Einzelflußquanten-Schieberegistern vorgesehen sein. Hierbei koinzidiert die Frequenz des synthetisierten Wechselspannungssignals mit der dem Taktsignal für ein zirkulares Einzelflußquanten-Schieberegister aufgeprägten Modulationsfrequenz. Alternatively, the binary ones stored in the single flow quantum shift registers can be used Single-flux quantum pulses can also be constant bit sequences with the value 1. That kind of Control is also in an embodiment with only a single flow quantum Slider register can be used advantageously. For the synthesis of AC voltage Waveforms can be used to modulate the clock frequency of the modulation unit Clock signals for clocking the single-flux quantum shift registers can be provided. The frequency of the synthesized AC voltage signal coincides with that the clock signal for a circular single-flux quantum shift register Modulation frequency.
Alternativ hierzu können jedoch auch Schaltungselemente zur Steuerung der Einzelflußquanten-Pulsrate am Ausgang der Einzelflußquanten-Schieberegister vorgesehen sein. Als Schaltelemente können z. B. Komparatorschaltungen mit Josephson- Elementen verwendet werden. Die Taktfrequenz für die Einzelflußquanten- Schieberegister sollte hierbei konstant sein. As an alternative to this, however, circuit elements for controlling the Single flow quantum pulse rate is provided at the output of the single flow quantum shift register his. As switching elements z. B. Comparator circuits with Josephson Elements can be used. The clock frequency for the single flow quantum Shift registers should be constant.
Die Vorrichtung kann weiterhin bekannterweise jeweils einen Konverter zur Konvertierung eines beliebigen beispielsweise harmonischen Signals in Einzelflußquanten-Pulsen haben, der an den Eingang der Einzelflußquanten-Schieberegister geschaltet ist. As is known, the device can also each have a converter for Conversion of any harmonic signal, for example, into single-flow quantum pulses have, which is connected to the input of the single-flux quantum shift register.
Weiterhin sollte an dem Ausgang der Einzelflußquanten-Schieberegister jeweils eine Spannungstreiberschaltung zum Antreiben der Josephson-Schaltungen geklemmt sein. Die Spannungstreiberschaltung sollte eine Einzelflußquanten-Pulsmultiplikationseinheit, eine Einzelflußquanten-Pulssplittereinheit und eine Vielzahl von Spannungstreibern an dem Ausgang der Einzelflußquanten-Pulssplitteinheit haben. Ein Spannungstreiber mit nachfolgendem Verstärker dient dann zum Ansteuern jeweils einer Josephson- Schaltung, die aus einem Array einer Vielzahl von Josephson-Elementen besteht. Furthermore, there should be one at the output of the single flow quantum shift register Voltage driver circuit for driving the Josephson circuits may be clamped. The voltage driver circuit should be a single flow quantum pulse multiplication unit, a single flow quantum pulse splitter unit and a variety of voltage drivers the output of the single flow quantum pulse splitter unit. A tension driver with subsequent amplifier then serves to control one Josephson Circuit consisting of an array of a variety of Josephson elements.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: The invention is explained below with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 Blockdiagramm einer einzelflußquantengetriebenen Josephson-Schaltung mit zwei zirkularen Schieberegistern; FIG. 1 is block diagram of a einzelflußquantengetriebenen Josephson circuit having two circular shift registers;
Fig. 2 Blockdiagramm von Josephson-Schaltungen, die abwechselnd mit positiven und negativen Spannungspulsen getrieben werden. Fig. 2 block diagram of Josephson circuits, which are driven alternately with positive and negative voltage pulses.
Die Fig. 1 lässt eine Schaltungsanordnung mit einzelflußquantengesteuerten Josephson-Schaltungen 1 als Blockdiagramm erkennen. Auf einer ersten integrierten Schaltung (Chip A) ist ein Einzelflußquanten-Synthesizer 2 zur Erzeugung der die Josephson-Schaltungen 1 antreibenden Spannungspulse realisiert. Auf einer zweiten integrierten Schaltung (Chip B) ist ein Josephson-Modul 3 mit einer Vielzahl von Josephson-Schaltungen 1 realisiert, die mit einem DC-Strom als Biasstrom versorgt werden und über das Filter 4 miteinander verbunden sind, um eine Wechselspannung AC mit einer beliebigen definierten Wellenform zu erzeugen. The Fig. 1 can be seen as a block diagram a circuit arrangement with einzelflußquantengesteuerten Josephson circuits 1. A single-flow quantum synthesizer 2 for generating the voltage pulses driving the Josephson circuits 1 is implemented on a first integrated circuit (chip A). On a second integrated circuit (chip B), a Josephson module 3 is implemented with a plurality of Josephson circuits 1 , which are supplied with a DC current as a bias current and are connected to one another via the filter 4 in order to produce an AC voltage with a to generate any defined waveform.
Durch die Generierung der digitalen Spannungspulse mit einer Schaltung auf einem integrierten Schaltkreis wird im Unterschied zur Verwendung von digitalen Code- Generatoren bei Raumtemperatur eine starke Reduzierung der Unsicherheit der erzeugten Wellenformen aufgrund eines reduzierten elektromagnetischen Übersprechens zwischen Leitungen zur Einspeisung von HF-Signalen zur Erzeugung der Taktsignale der Schieberegister einerseits und zur Messung der erzeugten AC-Wechselspannung am Ausgang des Josephson-Moduls andererseits erreicht. Zudem werden Unsicherheiten der Signalübertragung vermieden, die bei konventioneller Elektronik von der Ebene der Raumtemperatur zur Tieftemperaturebene auftreten. In der konventionellen Ausführungsform sind Kabelführungen mit Längen von weniger als 0,1 m zur Steuerung der Josephson-Schaltungen 1 von der Raumtemperaturebene mit erheblichen kryotechnischem Aufwand erforderlich. By generating the digital voltage pulses with a circuit on an integrated circuit, in contrast to the use of digital code generators at room temperature, the uncertainty of the generated waveforms is greatly reduced due to a reduced electromagnetic crosstalk between lines for feeding in RF signals for generating the clock signals the shift register on the one hand and for measuring the AC AC voltage generated at the output of the Josephson module on the other hand. In addition, uncertainties in signal transmission are avoided, which occur in conventional electronics from the room temperature to the low temperature level. In the conventional embodiment, cable guides with lengths of less than 0.1 m are required to control the Josephson circuits 1 from the room temperature level with considerable cryotechnical effort.
Der Einzelflußquanten-Synthesizer 2 hat mindestens einen dc-SFQ-Konverter 5 oder Digitizer, um Signalinformation als binäre Sequenzen von Einzelflußquanten-Pulsen (SFQ-Pulsen) durch Konvertierung beliebiger Signale zu erzeugen. Diese Einzelflußquanten-Pulse werden in einem Schreibzyklus jeweils in ein erstes Einzelflußquanten-Schieberegister 6a und ein zweites zirkulares Einzelflußquanten-Schieberegister 6b geschrieben. Die Schieberegister 6a, 6b haben eine Registerlänge von zum Beispiel jeweils 1024 Bit und dienen als Speicher für die generierte Signalinformation. The single-flow quantum synthesizer 2 has at least one dc-SFQ converter 5 or digitizer in order to generate signal information as binary sequences of single-flow quantum pulses (SFQ pulses) by converting any signals. These single-flow quantum pulses are written in a write cycle in each case in a first single-flow quantum shift register 6 a and a second circular single-flow quantum shift register 6 b. The shift registers 6 a, 6 b each have a register length of, for example, 1024 bits and serve as a memory for the generated signal information.
In dem Schreibzyklus können die binären Codes in die Einzelflussquanten- Schieberegister 6a, 6b bei einer niedrigen Frequenz im Bereich von einigen kHz abgespeichert werden. Später werden in einem Betriebszyklus die Einzelflussquanten- Schieberegister 6a, 6b bei einer höheren Frequenz von bis zu 20 GHz zyklisch ausgelesen. Die Taktung der Einzelflussquanten-Schieberegister 6a, 6b erfolgt mit einem beispielsweise auf dem Chip realisierten Taktgenerator 7. Der Taktgenerator 7 wandelt hochstabilisierte Mikrowellenfrequenzen und ist durch eine definierte Einstellung von Gleichspannungs-Biasströmen betrieben. Vorzugsweise wird der Taktgenerator 7 auf einer Referenzfrequenz stabilisiert, die beispielsweise von einem Rubidium-Normal oder einem GPS-Empfänger geliefert wird. In the write cycle, the binary codes can be stored in the single-flow quantum shift registers 6 a, 6 b at a low frequency in the range of a few kHz. The single-flow quantum shift registers 6 a, 6 b are read out cyclically at a higher frequency of up to 20 GHz later in an operating cycle. The individual flow quantum shift registers 6 a, 6 b are clocked with a clock generator 7, for example implemented on the chip. The clock generator 7 converts highly stabilized microwave frequencies and is operated by a defined setting of DC bias currents. The clock generator 7 is preferably stabilized at a reference frequency, which is supplied, for example, by a Rubidium standard or a GPS receiver.
Die Ausgänge der zirkularen Einzelflußquanten-Schieberegister 6a, 6b sind jeweils über eine Einzelflußquanten-Pulsmultiplikationseinheit 8a, 8b, beispielsweise eines Pulsverdopplers, mit einem nachfolgenden Einzelflußquanten-Pulssplitter 9a, 9b zur Einzelflußquanten-Pulsverteilung auf mehrere Leitungszweige verbunden. Die Einzelflußquanten-Pulssequenzen propagieren über Josephson-Transmissionsleitungen zu einer Konvertereinheit 10 mit einem T-Flipflop TFF mit integriertem SFQ/dc-Konverter, der die den Einzelflußquanten-Pulsen inhärente Signalinformation in Spannungspulse wandelt und sehr nahe an eine Spannungstreibereinheit 11 plaziert ist. Hierdurch wird, zusammen mit der Synchronisierung der Konvertereinheit 10, eine Reduzierung der Unsicherheit in der Verzögerung der Pulsverteilung im Vergleich mit der Verteilung von Spannungspulsen, die durch synchronisierte digitale Code-Generatoren bei Raumtemperatur erzeugt werden, erreicht. Die durch die Spannungstreibereinheit 11 erzeugten und verstärkten Spannungspulse sind in ihrer Polarität durch die jeweils vorgegebene Polarität der Biasströme der Spannungstreiber definiert. Die Einzelflußquanten- Pulsmultiplikationseinheiten 8a, 8b am Ausgang der Einzelflußquanten-Schieberegister 6a, 6b bewirken die eindeutige Zuordnung der in den binären Sequenzen enthaltenen einzelnen Einzelflußquanten-Pulse zu einzelnen Spannungspulsen. Als Spannungstreiber für die Spannungstreibereinheiten 11 können sogenannte "stacked DC-SQUID's" verwendet werden, deren Spannungsausgänge durch Halbleiterverstärker 12 mit hoher Bandbreite und niedrigem Signal-Rauschverhältnis sowie geringer Betriebstemperatur bei etwa 4,2 K nachverstärkt werden. Die Halbleiterverstärker 12 können die Spannungstreibereinheiten 11 auch vollständig ersetzen. In diesem Fall kann eine Erhöhung der Bandbreite des Systems erreicht werden, wodurch eine Erhöhung der Amplitude und Frequenz der synthetisierten Wechselspannungssignale ermöglicht wird. Die verstärkten Spannungspulse werden über Gleichspannungsblöcke den Josephson- Schaltungen zugeführt. Die über den einzelnen Josephson-Schaltungen 1 erzeugten Spannungen werden über ein Tiefpaßfilter 13 gemessen. The outputs of the circular single-flow quantum shift registers 6 a, 6 b are each connected via a single-flow quantum pulse multiplication unit 8 a, 8 b, for example a pulse doubler, to a subsequent single-flow quantum pulse splitter 9 a, 9 b for single-flow quantum pulse distribution on several line branches. The single flow quantum pulse sequences propagate via Josephson transmission lines to a converter unit 10 with a T flip-flop TFF with an integrated SFQ / dc converter, which converts the signal information inherent in the single flow quantum pulses into voltage pulses and is placed very close to a voltage driver unit 11 . This, together with the synchronization of the converter unit 10 , results in a reduction in the uncertainty in the delay in the pulse distribution in comparison with the distribution of voltage pulses that are generated by synchronized digital code generators at room temperature. The polarity of the voltage pulses generated and amplified by the voltage driver unit 11 is defined by the respectively predetermined polarity of the bias currents of the voltage drivers. The single flow quantum pulse multiplication units 8 a, 8 b at the output of the single flow quantum shift registers 6 a, 6 b bring about the unique assignment of the individual single flow quantum pulses contained in the binary sequences to individual voltage pulses. As a voltage driver, the voltage driver units 11, so-called "stacked DC-SQUID" are used, the voltage outputs are further amplified by semiconductor optical amplifier 12, high-bandwidth and low signal to noise ratio as well as low operating temperature of about 4.2K. The semiconductor amplifiers 12 can also completely replace the voltage driver units 11 . In this case, an increase in the bandwidth of the system can be achieved, which enables an increase in the amplitude and frequency of the synthesized AC signals. The amplified voltage pulses are fed to the Josephson circuits via DC voltage blocks. The voltages generated across the individual Josephson circuits 1 are measured via a low-pass filter 13 .
Erfindungsgemäß sind mindestens zwei zirkulare Einzelflußquanten-Schieberegister 6a, 6b, vorzugsweise genau zwei Schieberegister 6, mit jeweils nachfolgenden Pulsmultiplikationseinheiten 8, Pulssplitteinheiten 9 und Spannungstreiberschaltungen 11 vorgesehen, die jeweils entsprechend zugeordnete Josephson-Schaltungen 1 ansteuern. Auf diese Weise können die Frequenzen der zu erzeugenden Wechselspannungen erheblich bis etwa 10 MHz erhöht werden. According to the invention, at least two circular single-flow quantum shift registers 6 a, 6 b, preferably exactly two shift registers 6 , each with subsequent pulse multiplication units 8 , pulse splitting units 9 and voltage driver circuits 11 are provided, each of which controls correspondingly assigned Josephson circuits 1 . In this way, the frequencies of the AC voltages to be generated can be increased considerably up to approximately 10 MHz.
Aufgrund der beiden zirkularen Einzelflußquanten-Schieberegister 6a, 6b ist zudem die Synthetisierung von Wechselspannungssignalen beiderlei Polarität möglich. Hierzu wird die binäre Signalinformation für ansteigende und abfallende Teile der Wellenformen alternativ in jeweils verschiedene zirkulare Einzelflußquanten-Schieberegister 6a, 6b geschrieben. Der Signalcode von ansteigenden Teilen der Wellenform wird zur definierten Erzeugung positiver Spannungspulse und der Signalcode von abfallenden Teilen der Wellenform zur definierten Erzeugung negativer Spannungspulse genutzt, um entsprechend ausgelegte Josephson-Schaltungszweige zu treiben. Das Einlesen der Codes in die Einzelflußquanten-Schieberegister 6a, 6b erfolgt dabei in synchronisierter Weise derart, dass die binären "1"-Informationen in gleichen Bits beider Schieberegister 6a, 6b nicht koinzidieren. Because of the two circular single-flux quantum shift registers 6 a, 6 b, it is also possible to synthesize AC signals of both polarities. For this purpose, the binary signal information for rising and falling parts of the waveforms is alternatively written in different circular single-flow quantum shift registers 6 a, 6 b. The signal code of rising parts of the waveform is used for the defined generation of positive voltage pulses and the signal code of falling parts of the waveform is used for the defined generation of negative voltage pulses in order to drive appropriately designed Josephson circuit branches. The codes are read into the single-flow quantum shift registers 6 a, 6 b in a synchronized manner in such a way that the binary "1" information in the same bits of both shift registers 6 a, 6 b does not coincide.
Das Josephson-Modul 3 hat eine geradzahlige Anzahl K von Josephson-Schaltungs- Arrays, die für Gleichströme in Reihe miteinander verschaltet sind. Jede einzelne Josephson-Schaltung 1 ist kapazitiv an einen zugehörigen Spannungstreiber 11 gekoppelt, wobei eine Hälfte der Josephson-Schaltungen 1 von dem ersten zirkularen Einzelflußqaunten-Schieberegister 6a und die zweite Hälfte der Josephson-Schaltungen 1 von dem zweiten zirkularen Einzelflußquanten-Schieberegister 6b angesteuert werden, wobei die erste Hälfte der Josephson-Schaltungen 1 mit positiven und die andere Hälfte der Josephson-Schaltungen 1 mit negativen Spannungspulsen beaufschlagt werden. The Josephson module 3 has an even number K of Josephson circuit arrays which are connected to one another in series for direct currents. Each individual Josephson circuit 1 is capacitively coupled to an associated voltage driver 11, wherein one half of the Josephson circuits 1 of the first circular Einzelflußqaunten shift register 6a and the second half of the Josephson circuits 1 of the second circular Einzelflußquanten shift register 6 b can be driven, the first half of the Josephson circuits 1 being supplied with positive and the other half of the Josephson circuits 1 with negative voltage pulses.
Die Einzelflußquanten-Schieberegister 6a, 6b werden im Betriebszyklus mit einer Taktfrequenz fc von bis zu 20 GHz getaktet, so dass die Wiederholfrequenz der gespeicherten Sequenz der binären Signalinformation f = fc/m mit m als Registerlänge beträgt. Die Josephson-Schaltungen 1 werden mit einem DC-Biasstrom versorgt. Nach der fundamentalen Josephson-Beziehung wird die elektrische Spannung auf eine Frequenz f zurückgeführt, wobei die im Josephson-Modul 3 erzeugte Spannung V = nNΦ0f beträgt. Hierbei bedeuten n die Anzahl der Schaltvorgänge jedes Josephson-Elements, N die Anzahl der Josephson-Elemente in allen Josephson-Schaltungen 1, f die Taktfrequenz und Φ0 = h/2e das magnetische Flußquant. The single-flux quantum shift registers 6 a, 6 b are clocked in the operating cycle with a clock frequency fc of up to 20 GHz, so that the repetition frequency of the stored sequence of binary signal information is f = fc / m with m as the register length. The Josephson circuits 1 are supplied with a DC bias current. According to the fundamental Josephson relationship, the electrical voltage is reduced to a frequency f, the voltage generated in the Josephson module 3 being V = nNΦ 0 f. Here, n is the number of switching operations of each Josephson element, N is the number of Josephson elements in all Josephson circuits 1 , f is the clock frequency and Φ 0 = h / 2e is the magnetic flux quantum.
Ein Spannungssignal beiderlei Polarität wird durch Versorgung der Hälfte der Spannungstreiber 11 mit positivem und der anderen Hälfte mit negativem Biasstrom erhalten, wobei hierdurch die erste Hälfte der Josephson-Schaltungen 1 mit Spannungspulsen positiver und die andere Hälfte der Josephson-Schaltungen 1 mit Spannungspulsen negativer Polarität beaufschlagt werden. Falls die Josephson-Schaltungen 1 mit DC-Biasstrom versorgt werden, müssten die mit negativen Spannungspulsen beaufschlagten Josephson-Schaltungen 1 mit negativem Biasstrom versorgt werden. A voltage signal of both polarities is obtained by supplying half of the voltage drivers 11 with a positive and the other half with a negative bias current, whereby the first half of the Josephson circuits 1 is supplied with voltage pulses positive and the other half of the Josephson circuits 1 with voltage pulses of negative polarity become. If the Josephson circuits are supplied with DC bias power 1, applied with negative voltage pulses Josephson circuits 1 would have to be supplied with a negative bias current.
Ein Spannungssignal beiderlei Polarität kann auch durch Verwendung eines Offset- Signals mit für metrologische Anwendungen hinreichend hoher Präzision erhalten werden. A voltage signal of either polarity can also be obtained using an offset Received signals with sufficiently high precision for metrological applications become.
Die in die Einzelflußquanten-Schieberegister 6a, 6b eingeschriebenen binären Signalinformationen können entsprechend der zu erzeugenden Wellenform variieren. The binary signal information written into the single-flow quantum shift registers 6 a, 6 b can vary according to the waveform to be generated.
Alternativ hierzu können als Signalinformation auch eine konstante Folge von binären "1"-Informationen abgespeichert werden. Die Wellenform kann dann durch Modulation der Taktfrequenz der Schieberegister erzeugt werden. Hierbei koinzidiert die Frequenz des synthetisierten Wechselspannungssignals mit der dem Taktsignal der zirkularen Einzelflußquanten-Schieberegister 6a, 6b aufgeprägten Modulationsfrequenz. Alternatively, a constant sequence of binary "1" information can also be stored as signal information. The waveform can then be generated by modulating the clock frequency of the shift registers. The frequency of the synthesized AC voltage signal coincides with the modulation frequency impressed on the clock signal of the circular single-flux quantum shift register 6 a, 6 b.
Alternativ kann auch an den Ausgang der Einzelflußquanten-Schieberegister 6a, 6b Schaltelemente zur Kontrolle der transferierten Einzelflußquanten-Pulsrate als Folge binärer 1-Informationen eingefügt werden. Hierzu kann beispielsweise eine Komparatorschaltung mit Josephson-Elementen zwischen jeweils ein zirkulares Einzelflußquanten-Schieberegister 6 und dem nachfolgenden Einzelflußquanten-Pulsmultiplizierer 8 bzw. Pulsverdoppler eingefügt werden. Diese Komparatorschaltungen werden dann mit einem separaten Biasstrom versorgt, dessen Modulationsfrequenz die zu den Spannungstreibern 11 transferierte Einzelflußquanten-Pulsrate bestimmt. Alternatively, switching elements for checking the transferred single-flow quantum pulse rate as a result of binary 1 information can also be inserted at the output of the single-flow quantum shift registers 6 a, 6 b. For this purpose, for example, a comparator circuit with Josephson elements can be inserted between a circular single-flow quantum shift register 6 and the subsequent single-flow quantum pulse multiplier 8 or pulse doubler. These comparator circuits are then supplied with a separate bias current, the modulation frequency of which determines the single-flux quantum pulse rate transferred to the voltage drivers 11 .
Die Fig. 2 lässt ein Ausschnitt des Josephson-Moduls 3 mit mehreren Josephson- Schaltungen 1 erkennen, die über Filter 4 aneinander gekoppelt sind. Das Blockdiagramm verdeutlicht eine vorteilhafte Ausführungsform, bei der benachbarte Josephson-Schaltungen 1 alternativ mit positiven und negativen Spannungspulsen betrieben werden. Die einzelnen Josephson-Schaltungen 1 werden mit entsprechenden DC-Biasströmen gespeist, deren Stromstärken unterhalb der kritischen Stromstärke der Josephson-Elemente einzustellen sind. Beim Treiben der Josephson-Schaltungen 1 mit Spannungspulsen ansteigender Wellenformen sind positive Biasströme und beim Treiben mit Spannungspulsen abfallender Wellenformen negative Biasströme vorzusehen. Dies kann aufgrund der Schaltungsanordnung des Josephson-Moduls 3 durch die Einspeisung eines einzigen DC-Biasstroms erreicht werden. Demgegenüber müssten bei der Verwendung eines digitalen Code-Generators bei Raumtemperatur separate Biasstrom-Einstellungen vorgenommen werden. Durch die Verwendung von zwei voneinander unabhängigen, zirkularen Einzelflußquanten-Schieberegistern 6a, 6b ist eine Pulstreibung benachbarter Josephson-Schaltungen 1 mit abwechselnd positiven und negativen Spannungspulsen möglich. Hierbei wird eine drastische Reduzierung parasitärer Leitungsinduktivitäten zwischen den einzelnen Josephson-Schaltungen 1 erreicht, was zu einer höheren Genauigkeit der synthetisierten Wellenformen führt. The Fig. 2 reveals a section of the Josephson-module 3 having a plurality of Josephson circuits 1, which are coupled to each other via filter 4. The block diagram illustrates an advantageous embodiment in which neighboring Josephson circuits 1 are alternatively operated with positive and negative voltage pulses. The individual Josephson circuits 1 are fed with corresponding DC bias currents, the currents of which are to be set below the critical current of the Josephson elements. Positive bias currents are to be provided when driving the Josephson circuits 1 with voltage pulses of rising waveforms and negative bias currents are to be provided when driving with voltage pulses of falling waveforms. This can be achieved due to the circuit arrangement of the Josephson module 3 by feeding in a single DC bias current. In contrast, separate bias current settings would have to be made when using a digital code generator at room temperature. By using two mutually independent, circular single-flow quantum shift registers 6 a, 6 b, a pulse friction of adjacent Josephson circuits 1 with alternating positive and negative voltage pulses is possible. A drastic reduction in parasitic line inductances between the individual Josephson circuits 1 is achieved, which leads to a higher accuracy of the synthesized waveforms.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung der definierten Wechselspannung mit einzelflußquanten-pulsbetriebenen Josephson-Schaltungen 1 kann als Multichip- Modul auf zwei integrierten Schaltungen realisiert werden. Die Schaltungskomponenten sind in supraleitender Dünnschichttechnologie verifizierbar und können bei Temperaturen des flüssigen Heliums (4,2 K) betrieben werden. Die einzelnen Chipmodule können in verschiedenen Supraleitungstechnologien hergestellt werden, beispielsweise in Supraleiter/Isolator/Normalleiter/Isolator/Supraleiter (SINIS)-Technologie, in Supraleiter/Normalleiter/Supraleiter (SNS)-Technologie und in Supraleiter/Isolator/Supraleiter (SIS)-Technologie mit externen Shunts. Beispielsweise ist der Einzelflußquanten- Synthesizer 2 zur Erzeugung von schnellen Einzelflußquanten-Pulsen (RSFQ) in SINIS- oder SIS-Technologie realisierbar. Das Josephson-Modul 3 kann in SINIS oder SNS- Technologie aufgebaut werden. The device according to the invention for generating the defined alternating voltage with single-flux quantum pulse-operated Josephson circuits 1 can be implemented as a multichip module on two integrated circuits. The circuit components can be verified using superconducting thin-film technology and can be operated at temperatures of liquid helium (4.2 K). The individual chip modules can be manufactured in various superconducting technologies, for example in superconductor / insulator / normal conductor / insulator / superconductor (SINIS) technology, in superconductor / normal conductor / superconductor (SNS) technology and in superconductor / insulator / superconductor (SIS) technology with external shunts. For example, the single-flow quantum synthesizer 2 for generating fast single-flow quantum pulses (RSFQ) can be implemented in SINIS or SIS technology. The Josephson module 3 can be built in SINIS or SNS technology.
Die Vorrichtung kann zur Generierung von Wechselspannung bis zu Frequenzen von etwa 10 MHz im Bereich von 1 bis 10 Volt eingesetzt werden. Die entsprechenden Spannungswerte haben eine für Prüf- und Kalibrieraufgaben entsprechend hohe Präzision. The device can be used to generate AC voltage up to frequencies about 10 MHz can be used in the range of 1 to 10 volts. The corresponding Voltage values have a correspondingly high level for testing and calibration tasks Precision.
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