DE2361806C3

DE2361806C3 - Linearer Verstärker mit großer Bandbreite und hohem Verstärkungsfaktor auf der Basis von Josephson-Elementen

Info

Publication number: DE2361806C3
Application number: DE2361806A
Authority: DE
Inventors: Hans Helmut Granite Springs N.Y. Zappe
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1972-12-29
Filing date: 1973-12-12
Publication date: 1981-11-12
Also published as: DE2361806A1; US3913027A; JPS4998956A; FR2212694B1; FR2212694A1; DE2361806B2; GB1416600A; JPS5751289B2

Description

/„

Ri

genügen, wobei K die Steigung eines Teils der Verstärkungskurve des zweiten Josephson-Elements ist.

3. Linearer Breitbandverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Josephson-Element der Gleichung

genügen, wobei

C die Kapazität des Elements,
R den gesamten Dämpfungswiderstand des Elements,

Im den Josephson-Schwellwertstrom und
Φο das magnetische Flußquant

bedeuten.

4. Linearer Breitbandverstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Supraleitungen (50) vorgesehen sind, die einen Steuervorstrom für das zweite Josephson-Element führen und über dem zweiten Josephson-Element parallel zu dessen Stromrichtung angeordnet sind.

5. Linearer Breitbandempfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Supraleitern, (25, 30, 46, 48) die parallel zum ersten und zum zweiten Josephson-Element angeschlossen sind und die Lastwiderstände (Rl_x) und Rl₂) enthalten, Vorrichtungen zum Ausfiltern der hochfrequenten Josephson-Schwingungen aus den in den Lastwiderständen (Ri und Rl₂) fließenden Lastströmen vorhanden sind.

6. Linearer Breitbandempfänger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtervorrichtungen für die hochfrequenten Josephson-Schwingungen durch teilweise mäanderförmige Ausgestaltung der supraleitenden Leiterzüge (28,30,46,48) parallel zum ersten und zum zweiten Josephson-Element realisiert werden.

Die Erfindung betrifft einen linearen Verstärker mit großer Bandbreite und hohem Verstärkungsfaktor auf der Basis von Josephson-Elementen.

In der Tieftemperaturphysik sind Josephson-EIemente gut bekannt, bei denen der Spannungsabfall über einem Element für Ströme bis zu einem kritischen Wert I_n, Null ist und bei Überschreiten dieses maximalen Stromwertes auf einen endlichen Wert springt Der kritische Strom I_n, ist außerdem eine Funktion des an das Element angelegten Magnetfeldes. In vielen Anwendungen erzeugt man das Magnetfeld gewöhnlich durch Anlegen eines Steuerstromes /_c in einem Supraleiter, der über dem Josephson-Element liegt und davon elektrisch isoliert ist Der Kurvenverlauf des kritischen Stromes I_m als Funktion des Steuerstromes I_c wird als Verstärkungskurve des Elementes bezeichnet Derartige Elemente werden als Schaltelemente in logischen Schaltkreisen verwendet. Bei einem vorgegebenen Speisestrom Ig, der in einem Josephson-Element fließt, wird der Steuerstrom I_c erhöht, um damit den kritischen Strom I_n, kleiner als den Speisestrom zu machen. Dadurch wird das Josephson-Element aus seinem Zustand mit V=O in seinen Zustand V#0 umgeschaltet

In dem Artikel von D.E. McCumber in »Journal of Applied Physics«, Vol. 39, Seite 3113, Februar 1968 wird gezeigt, daß in Josephson-Elementen, welche der Bedingung

CR²1_m < Φ₀/2π

genügen, zwischen der über der Zeit gemittelten Spannung V und dem durch das Element fließenden . Strom Ig folgende Beziehung besteht:

Im
Φο

dabei bedeuten:

C = Kapazität des Elements;

R = der gesamte Dämpfungswiderstand des Elements;

Schwellwertstrom des Josephson-Elements; und magnetisches Flußquant

Josephson-EIemente, welche der Gleichung (1) genügen, sind stark gedämpft und besitzen eine eindeutige /- V-Charakteristik (d. h., in der /- V-Kurve ritt keine Hysterese auf). Typische Beispiele für Josephson-EIemente entsprechend Gleichung (1) bilden Tunnelgrenzschichten, Einschnürungen in Leiterzügen

und punktförmige Kontakte. Es ist leicht zu sehen, daß Josephson-EIemente durch Hinzufügen eines Widerstandes parallel zur Tunnelgrenzschicht so modifiziert werden können, da3 sie Gleichung (1) genügen.

Beim Hinzufügen einer externen ohmschen Last Rl parallel zum Element wird der über die Zeit gemittelte Strom Il durch diese Last durch folgende Beziehung dargestellt:

1, =

R²

Da der kritische Strom I_n, eine Funktion des Steuerstroms /^ ist, d. h. Im=f (Ic), wird der Laststrom bei angelegtem Steuei strom /_c beschrieben durch

l = ir ν ι¹-

In vielen Josephson-Elementen ändert sich I_n, sehr stark bei nur kleinen Änderungen von I₀. Die tatsächliche funktioneile Abhängigkeit zwischen I_n, und Ic hängt von der Konfiguration und der Geometrie des Elements ab, sowie außerdem von den Effekten des Eigenfeldes, das entweder vom Element selbst oder durch magnetische Rückkopplung erzeugt wird. Außerdem kann die Verstärkungskurve, d. h. die funktionell Beziehung zwischen /_c und I_m willkürlich verändert und für verschiedene Bedingungen angepaßt werden. Für endliche Änderungen in I_c kann diese sogar linearisiert werden, d. h., für endlich große Änderungen von /_c kann folgender Funktionsverlauf erreicht werden:

Im=Mc- (5)

Für einige Josephson-EIemente mit großen Stromdichten ist Gleichung (5) automatisch und ohne zusätzliche Eingriffe erfüllt

Aus den Gleichungen (4) und (5) ist ersichtlich, daß ein Josephson-Element mit einem Eingangsstrom I_c und einem Ausgangsstrom //.mit

Rl

als Verstärker mit im wesentlichen unbeschränktem Verstärkungsfaktor wirkt. Jedoch bleibt dieser Schaltkreis trotz der linearen Beziehung zwischen /_c und I_n, nichtlinear.

Die vorliegende Erfindung geht nun von den oben beschriebenen Überlegungen aus und stellt sich die Aufgabe, eine lineare Verstärkungsschaltung unter Verwendung von Josephson-Elementen mit sehr hohem Verstärkungsgrad und sehr großer Bandbreite anzugeben.

Diese Aufgabe wird nach den im Hauptanspruch angegebenen Merkmalen gelöst. Weitere Merkmale, vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die vorgeschlagene Lösung besteht im wesentlichen aus einem (oSfephson-Schaltkreis mit zwei Stufen. Das Eingangssignal für den Verstärker wird als Steuerstrom an ein ersles Josephson-Element angelegt, das stark gedämpft ist Und für endlich große Änderungen des Steuerstromes eine linerare Verstärkungskurve besitzt. Der Laststrom durch einen Widerstand, welcher parallel zum ersten Josephson-Element angeordnet ist, wird als Steuerstrom an ein zweites Josephson-Element angelegt, welches ebenfalls stark gedämpft ist und in seiner Verstärkungskurve einen linearen Teil aufweist Der sich dann ergebende Laststrom durch eine ohmsche Last parallel zum zweiten Josephson-Element steht dann in linearer Beziehung zum Eingangsstrom /_t, vorausgesetzt, daß das Verhältnis der Speiseströme, die an das erste und an das zweite Josephson-Element angelegt wird, ungefähr gleich A?i_ist, wobei k die

"Z.

ίο Steigung der Verstärkungskurve des zweiten Josephson-Elements im Arbeitsbereich bedeutet, R der Dämpfungswiderstand des ersten Elements und Rl der Lastwiederstand parallel zum ersten Josephson-Element ist.

Im folgenden werden die Einzelheiten der Erfindung anhand eines durch Zeichnungen erläuterten Beispiels beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine lineare Verstärkerschaltung mit großer Bandbreite, entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig.2 und 2a Diagramme der Verstärkungskurven für die Josephson-EIemente nach F i g. 1.

In F i g. 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die aus zwei Schaltkreisen mit Josephson-Elementen besteht Der erste Schaltkreis enthält das Josephson-Element 20, das aus den Supraleitern 24, 26 und einem Tunneloxyd 36 besteht Weitere Bestandteile dieses Schaltkreises sind die Supraleiter 24, 26, 28, 32 und 30, die ohmsche Last 34 und ein Supraleiter 38 für Steuerströme. Im zweiten Schaltkreis ist das Josephson-Element 22 mit seinen beiden Supraleitern 40 und 44 sowie dem Tunneloxyd 40 enthalten, außerdem die Supraleiter 42, 44, 46 und 48 und die ohmsche Last 60. Der Strom im Supraleiter 32 wirkt als Steuerstrom für das Josephson-Element 22. Ein weiterer Supraleiter 50 für Steuerströme ist ebenfalls vorgesehen, um einen Steuervorstrom aufzunehmen; Einzelheiten hierzu werden später genauer erläutert

Die Supraleiter 38, 32 und 50 liegen über den zugeordneten Josephson-Elementen und sind von diesen nach der im Stand der Technik wohlbekannten Methode isoliert. Außerdem liegt die gesamte in F i g. 1 dargestellte Schaltungsanordnung isoliert über einer nicht eingezeichneten Grundfläche; auch diese Anordnung ist aus dem Stand der Technik gut bekannt. Die Josephson-EIemente 20 und 22 sind stark gedämpft, d. h., sie erfüllen die obige Gleichung (1) und weisen in einem endlichen Bereich von I_c zwischen /_c und I_n, eine lineare Beziehung auf, d. h_n sie erfüllen auch die obige

so Gleichung (5).

Im folgenden wird nun die Erklärung der breitbandigen linearen Verstärkung des angegebenen Schaltkreises erklärt, wobei die Indices 1 und 2 jeweils die erste und die zweite Stufe der Schaltung bezeichnen.

In der ersten Stufe der Josephoson-Schaltanordnung ist der kritische Strom /_m] gegeben durch

U₁ = kl_c{, (7)

wobei Ic\ der Eingangssteuerstrom ist und k eine Konstante darstellt.

Aus den Gleichungen (3) und (7) ergibt sich der Laststrom //, durch den Widerstand 34 zu

wobei Ri der gesamte Dämpfungswiderstand des Josephson-Elements 20 ist, Rl\ den Lastwiderstand 34

darstellt und I_g] den an die Schaltung angelegten Speisestrom bedeutet.

Im zweiten Josephson-Element 22 ist der kritische Strom Im₂ gegeben durch:

(9)

wobei K eine Konstante und Ic₂ der Steuerstrom ist. Der Laststrom Il₂ durch den Widerstand 60 erfüllt somit die Gleichung

1I = S-Il₂-S-K²Il, (ίο)

wobei Ri der Dämpfungswiderstand des Josephson-Elements 22, Rl₂ der Lastwiderstand 60 und Ig₂ der an die zweite Stufe angelegte Speisestrom ist.

Wird entsprechend Gleichung (8) /£, eingesetzt, so erhält man

r2 ^Λ2 l^2 ¹M »2

— * I² _

>~ p2 'j2

^KL₂ '

(H)

Wählt man nun das Verhältnis der Speiseströme zu

so wird der Ausgangsstrom /_ti zu

R₁R₁KI^ ^" R_lRl "·

(Ha)

(Hb)

25

30

35

Somit hängt also der Ausgangsstrom Il₇ linear vom Strom I_n ab. Da die Beziehung (K) ■ (k) > > 1 erfüllt werden kann, ist es auch möglich, das Verhältnis des gesamten Dämpfungswiderstandes ^Ri zum gesamten Lastwiderstand Rl₂F- klein gegen 1 zu machen und trotzdem eine hohe Verstärkung zu erhalten. Jedoch ist die Verstärkung umso höher, je größer das angegebene Verhältnis ist

Die Bandbreite dieses Verstärkers ist sehr groß, da Stromänderungen mit einer typischen Zeitkonstante von

(lic)

2.-TJU₁₁₁-

erfolgen.

Setzt man R = 0,02 und I_n, = 30 mA, so wird RC = 10-ⁱ²sec.

Es ist bekannt daß Josephson-Elemente sogenannte Josephson-Schwingungen von ungefähr 500 ΜΗζ/μν erzeugen. Da die vorliegende Schaltung im Millivoltbereich betrieben wird, liegen die auftretenden Josephoson-Schwingungen bei ungefähr 500GHz. Es ist hier nicht unbedingt notwendig, diese Schwingungen auszufiltern, bei Bedarf können jedoch normale Hochfrequenztechniken angewendet werden, um die Josephson-Schwingungen zu dämpfen. Eine bekannte derartige Technik für das Ausfiltern besteht darin, dis supraleitenden Leitungen 30, 28, 46 und 48 in Form von Wellenlinien entsprechend der Darsteüung in Fig. 1 auszubilden. Unter der Annahme, daß das Abklingen der Josephson-Anteile eine maximale Zeitkonstante von 10-'² see benötigt, erhält man eine Bandbreite, die von der Frequenz " bis zu ungefähr 30 GHz i«icht

Ein ausführlicheres Beispiel eines Linearverstärkers mit Josephoson-Elementen wird nun anhand der Fi g. 1, 2a und 2b beschrieben. Für diese Erklärung wird angenommen, daß die beiden Josephson-Elemente im wesentlichen gleich sind und ihre Verstärkungskurven den in den F i g. 2a bzw. 2b gezeigten Verlauf haben. In jeder der F i g. 2a und 2b bestimmt die Polarität von Ig, ob der Teil der Verstärkungskurve über der Abszisse oder unter der Abszisse als Arbeitsbereich dient. In F i g. 2a, die das Element 20 darstellt, gibt der Kurventeil 10 den Arbeitsbereich an, während in Fig.2b, die sich auf das Element 22 bezieht, der Kurvenabschnitt 12 den Arbeitsbereich der Verstärkungskurve an. Die Kurvenzüge 10 und 12 sind identisch außer der Tatsache, daß die jeweiligen Speiseströme als positiv bzw. negativ angenommen werden. In F i g. 1 wird die Richtung von Igt als positive Stromrichtung angenommen, während die Richtung von I_n als negative Stromrichtung angenommen wird. Diese Übereinkunft dient sowohl für die Steuerströme als auch für die Speiseströme. Aus den Fig. 2a und 2b ist ersichtlich, daß über beschränkte Bereiche von I_c die Verstärkungskurven linear sind. Die Steigung der flacheren Abschnitte in den Kurven 10 und 12 beträgt jeweils ungefähr 1; die Steigung der steileren Kurvenabschnitte beträgt K.

In dem besprochenen Beispiel werden die Speiseströme so gewählt, daß sie der Gleichung

genügen; d. h., Rl₁ wird ungefähr R^ gesetzt, I_m und Ig₂ haben denselben Betrag und Ar ist — 1.

Da der Speisestrom Ig₁ in der positiven Richtung fließt, gibt der Kurvenzug 10 die Verstärkungskurve für I_m an. Ein Vorspeisestrom 4, wird so gewählt, daß der Arbeitspunkt des Elements ohne Eingangsstrom //„ bei I_m = I₀ = Hegt. Der Vorstrom, welcher einen negativen Steuerstrom der Stärke 4, darstellt, kann entweder mit Hilfe der Steuerstromsupraleiter 38 oder über einen getrennten Vorstromsupraleiter angelegt werden, der über dem Josephson-Elemenl 20 liegt und davon isoliert ist Der Eingangsstrom //„ bewirkt damit eine Änderung von Im\ längs der steilen positiven Flanke; damit wird

/„, = J₀ + */,„,

wobei K die Steigung der Verstärkungskurve und K > > ist
Der Laststrom durch Rl\ ist gegeben durch

/. = VIl -7_.:

Il₁= V'I₁-Vo +KU

Der Speisestrom durch das zweite Element wird entsprechend der obigen Beschreibung ebenfalls zu — Ig₁ gewählt

Der Vorstrom Ib₂ wird entsprechend dem in der Zeichnung dargestellten Wert gewählt Da die Steigung der Kurve 12 gleich — 1 ist, folgt

Es ist zu beachten, daß im Fall der Abwesenheit des Eingangsstroms I_m der Strom /_t) aufgrund des Vorstroms /&] zusammen mit dem negativen Vorstrom Ib₂

den Arbeitspunkt der Verstärkungskurve 12 auf den Ast mit negativer Steigung legt, beispielsweise an Punkt

Aus den früher besprochenen Gleichungen folgt für den Ausgangsstrom I,,_UJ:

wenn R_L^ ^ R₂ ist, / — \ ι¹ ι²

'aus — I 's, ¹L₁

I²L₁ = 1I₁-U₀ +Kl₁/ 'au, = I '1I₁-Pi₁+U₀+ κι,.?

I aus = /0 + XZ_1n

Das Eingangssignal wird also um den Faktor K verstärkt, es darf beide Polaritäten aufweisen, da das Ausgangssignal /_aui auf den Wert I₀ zentriert ist. Zur Unterdrückung von /„ stehen die im Stand der Technik bekannten Methoden zur Verfügung, da dieselben Probleme der Unterdrückung eines Gleichstromanteils im Ausgang bei fast allen Verstärkerschaltungen auftreten.

Da der in F i g. 1 gezeigte Schaltkreis sich im wesentlichen wie ein Transistor verhält, lassen sich mit ihm auch alle diejenigen Schaltfunktionen durchführen, die vom Transistor her bekannt sind. Mit dem besprochenen Schaltkreis können also nicht Verstärker, sondern auch Oszillatoren, Flipflops und ähnliche Schaltungen realisiert werden. Außerdem übertrifft dank der sehr tiefen Arbeitstemperatur (4° K) sein Signal-Rauschverhältnis die Werte aller Geräte mit vergleichbarer Bandbreite.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Linearer Verstärker mit großer Bandbreite und hohem Verstärkungsfaktor unter Verwendung von Josephson-Elementen, gekennzeichnet durch:

a) erste (20) und zweite (22) Josephson-EIemente, deren Verstärkungskurve über einen endlichen Bereich des Steuerstroms linear ist und die beide durch Dämpfungswiderstände (R\ bzw. A₂) stark gedämpft sind;

b) ein erster supraleitender Schaltkreis bestehend aus dem ersten Josephson-Element (20), einem dazu parallel angeschlossenen Supraleiter mit einem ersten Lastwiderstand (Rl\) und weiteren Supraleitern zur Zuführung eines Speisestroms Ai)

c) ein zweiter supraleitender Schaltkreis bestehend aus dem zweiten Josephson-Element und einem parallel dazu angeschlossenen Supraleiter mit einem zweiten Lastwiderstand (Rl₂) sowie weiteren Supraleitern zur Zuführung eines Speisestroms (Ig₂)

d) eine relative Anordnung des ersten und des zweiten supraleitenden Schaltkreises, derart, daß der Leiterpfad des ersten Schaltkreises mit dem Lastwiderstand (Rn) über dem zweiten Josephson-Element liegt und dabei parallel zur Stromrichtung im zweiten Josephson-Element ausgerichtet ist; und

e) einen Supraleiter zur Zuführung eines Eingangssteuerstroms, der über dem ersten Josephson-Element angeordnet ist und parallel zur Stromrichtung in dem ersten Josephson-Element verläuft.

2. Linearer Breitbandverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speiseströme
und (Ig₂) der Bedingung