JP2005300317A - Voltage generator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電圧発生装置に係り、特に、定電圧電源として国家標準にも用いられている９桁の精度の電圧を発生するジョセフソン素子で発生する標準電圧と同程度の精度と安定度を有する電圧を発生させることのできる電圧発生装置に関する。 The present invention relates to a voltage generator, and in particular, has the same level of accuracy and stability as a standard voltage generated by a Josephson element that generates a voltage with a precision of 9 digits, which is also used as a national standard as a constant voltage power supply. The present invention relates to a voltage generator capable of generating a voltage having the same.
ツェナーダイオードのような半導体を用いた定電圧発生器及びこれに電力増幅器を組み合わせた定電圧電源は、家電から産業界のいたるところで使用されている。特に、電気計測器では、精密で安定した電圧を発生する定電圧発生装置や定電圧電源が必要とされている。 A constant voltage generator using a semiconductor such as a Zener diode and a constant voltage power source combined with a power amplifier are used everywhere from home appliances to the industry. In particular, electrical measuring instruments require a constant voltage generator and a constant voltage power source that generate a precise and stable voltage.
しかしながら、半導体を利用した定電圧発生装置は温度、湿度等で特性が変わり易く、また経時変化も大きい。計測器の校正に使う定電圧発生装置でも１℃当たり数ｐｐｍＶの電圧変動があり、たとえ温度等の環境を一定にしても１年間に数ｐｐｍＶ程度電圧が変動するものは珍しくない。一般の定電圧発生器や定電圧電源では変動はさらに大きい。
なお、ジョセフソン電圧標準素子を用いた標準電圧発生装置としては、例えば、特開平７−１５９４４２号公報に開示されたものが知られている。
However, a constant voltage generator using a semiconductor easily changes its characteristics depending on temperature, humidity, etc., and changes with time are large. Even in a constant voltage generator used for calibration of measuring instruments, there is a voltage fluctuation of several ppmV per 1 ° C. Even if the environment such as temperature is constant, it is not uncommon for the voltage to fluctuate by several ppmV per year. In general constant voltage generators and constant voltage power supplies, the fluctuation is even greater.
As a standard voltage generator using a Josephson voltage standard element, for example, one disclosed in JP-A-7-159442 is known.
現在、国家標準には、ジョセフソン素子を用いた標準電圧が用いられているが、現在のジョセフソン素子は極めて微弱な電流しか取り出せず、また、雑音の多い被校正器に繋ぐと雑音の影響や磁束トラップの発生により定電圧を発生できなくなるおそれがある。 Currently, the standard voltage using Josephson elements is used as the national standard, but current Josephson elements can only extract very weak currents, and when connected to a noisy device under test, the effects of noise There is a possibility that a constant voltage cannot be generated due to generation of magnetic flux traps.
本発明の目的は、上記の問題点に鑑み、環境が多少変化しても、大きな電流を取り出しても、また比較的雑音の多い負荷に接続しても、ジョセフソン素子を利用した標準電圧発生装置と同程度の精密で安定した電圧を発生させることのできる電圧発生装置を提供することにある。 In view of the above problems, the object of the present invention is to generate a standard voltage using a Josephson element even if the environment changes somewhat, even if a large current is taken out or connected to a relatively noisy load. An object of the present invention is to provide a voltage generator capable of generating a precise and stable voltage equivalent to that of the apparatus.
本発明は、上記の課題を解決するために下記の手段を採用した。
第１の手段は、半導体を用いた定電圧発生部と、ジョセフソン素子によって標準電圧を発生させるジョセフソン電圧発生部とから構成され、前記定電圧発生部からのフィードバック電圧と前記ジョセフソン電圧発生部からの出力電圧とを比較し、検出された差電圧を前記定電圧発生部に帰還して制御することにより、前記定電圧発生部から前記標準電圧と同程度の精密な電圧を出力させることを特徴とする電圧発生装置である。
The present invention employs the following means in order to solve the above problems.
The first means includes a constant voltage generation unit using a semiconductor and a Josephson voltage generation unit that generates a standard voltage by a Josephson element, and a feedback voltage from the constant voltage generation unit and the Josephson voltage generation. The output voltage from the unit is compared, and the detected differential voltage is fed back to the constant voltage generation unit and controlled to output a precise voltage equivalent to the standard voltage from the constant voltage generation unit. The voltage generator characterized by the above.
第２の手段は、半導体を用いた定電圧発生部と、ジョセフソン素子によって標準電圧を発生させるジョセフソン電圧発生部とから構成され、前記定電圧発生部からのフィードバック電圧と前記ジョセフソン電圧発生部の出力電圧との差電圧と、前記定電圧発生部のフィードバック電圧の正負を反転させた電圧と前記ジョセフソン素子のバイアス電流の正負を反転させたときの前記ジョセフソン電圧発生部の出力電圧との差電圧とが一致するように制御することにより、前記定電圧発生部から前記標準電圧と同程度の精密な電圧を出力させることを特徴とする電圧発生装置である。 The second means is composed of a constant voltage generation unit using a semiconductor and a Josephson voltage generation unit that generates a standard voltage by a Josephson element, and a feedback voltage from the constant voltage generation unit and the Josephson voltage generation. Output voltage of the Josephson voltage generation unit when the voltage difference between the output voltage of the unit, the voltage obtained by inverting the sign of the feedback voltage of the constant voltage generation unit, and the polarity of the bias current of the Josephson element The voltage generator is configured to output a precise voltage equivalent to the standard voltage from the constant voltage generator by controlling so that a difference voltage between the constant voltage and the reference voltage coincides with the standard voltage.
第３の手段は、第１の手段又は第２の手段において、前記定電圧発生部は、制御信号により制御されて電圧制御ユニットから出力されるフィードバック電圧の正負を反転して出力することが可能な極性切替器と、該極性切替器から出力されるフィードバック電圧と前記ジョセフソン電圧発生部の出力電圧との差電圧を検出する手段、前記ジョセフソン電圧発生部のバイアス回路及び前記極性切替器へ前記制御信号を出力する手段、及び前記フィードバック電圧並びに前記標準電圧と同程度の精密な電圧を出力する手段からなる前記電圧制御ユニットとから構成されることを特徴とする電圧発生装置である。 The third means may be the first means or the second means, wherein the constant voltage generating unit is controlled by a control signal and can output the feedback voltage output from the voltage control unit by inverting the sign. A polarity switch, means for detecting a difference voltage between the feedback voltage output from the polarity switch and the output voltage of the Josephson voltage generator, the bias circuit of the Josephson voltage generator, and the polarity switch A voltage generator comprising: means for outputting the control signal; and the voltage control unit comprising means for outputting a precise voltage comparable to the feedback voltage and the standard voltage.
第４の手段は、第３の手段において、前記電圧制御ユニットは、前記差電圧を入力するＡ／Ｄ変換器と、該Ａ／Ｄ変換器から出力される差電圧を測定して帰還信号を出力するとともに、前記ジョセフソン電圧発生部のバイアス回路及び前記極性切替器へ前記制御信号を出力する計測制御部と、前記帰還信号を入力するＤ／Ａ変換器と、該Ｄ／Ａ変換器から出力される帰還信号を入力して前記フィードバック電圧と前記標準電圧と同程度の精密な電圧を出力する電圧発生部とからなることを特徴とする電圧発生装置である。 According to a fourth means, in the third means, the voltage control unit measures the difference voltage output from the A / D converter that inputs the difference voltage and the A / D converter, and outputs a feedback signal. A measurement control unit that outputs the control signal to the bias circuit of the Josephson voltage generation unit and the polarity switch, a D / A converter that inputs the feedback signal, and a D / A converter The voltage generator includes a voltage generator that inputs an output feedback signal and outputs a voltage that is as precise as the feedback voltage and the standard voltage.
第５の手段は、第４の手段において、前記電圧発生部は、ツェナーダイオードの入力端に接続された定電流源と前記帰還信号によって制御される電圧制御電流源と、前記ツェナーダイオードの出力端に接続された前記フィードバック電圧と前記標準電圧と同程度の精密な電圧を出力する変圧器とから構成されることを特徴とする電圧発生装置である。 A fifth means is the fourth means, wherein the voltage generator includes a constant current source connected to an input terminal of a Zener diode, a voltage control current source controlled by the feedback signal, and an output terminal of the Zener diode. The voltage generator is composed of a transformer that outputs a precise voltage comparable to the feedback voltage and the standard voltage.
本発明の電圧発生装置によれば、環境が多少変化しても、大きな出力電流を取り出しても、また比較的雑音の多い被測定物に接続しても、ジョセフソン素子を利用した標準電圧発生装置と同程度の精密で安定した電圧を発生させることのできる。 According to the voltage generator of the present invention, even if the environment changes somewhat, even if a large output current is taken out or connected to a relatively noisy object to be measured, standard voltage generation using a Josephson element is possible. It is possible to generate a precise and stable voltage equivalent to the device.
本発明の一実施形態を図１乃至図７を用いて説明する。
図１は、本実施形態の発明に係る電圧発生装置の概要を示す図である。
同図において、１０はジョセフソン電圧発生部であり、マイクロ波発振器１２、バイアス回路１３、導波路１４、ジョセフソン素子１５、液体ヘリウム容器１６から構成される。１１は定電圧発生部であり、フィルタ１７、電圧制御ユニット１８、極性切替器１９から構成される。２０は被測定物である。
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is a diagram showing an outline of a voltage generator according to the present invention.
In the figure, reference numeral 10 denotes a Josephson voltage generator, which includes a microwave oscillator 12, a bias circuit 13, a waveguide 14, a Josephson element 15, and a liquid helium vessel 16. Reference numeral 11 denotes a constant voltage generator, which includes a filter 17, a voltage control unit 18, and a polarity switch 19. Reference numeral 20 denotes an object to be measured.
ジョセフソン電圧発生部１０において、マイクロ波発振器１２はジョセフソン素子１５に照射する周波数ｆのマイクロ波を発生させるものであり、周波数ｆは、電圧制御ユニット１８から出力される周波数設定用制御信号２１により制御され、例えば、ジョセフソン素子１５としてＳＮＳタイプの素子を用いる場合、市販の発振器を用いることにより、２０ＧＨｚ程度までの周波数を発生させることができる。
また、ジョセフソン素子１５は、ジョセフソン接合を直列に接続した接合列で構成され、液体ヘリウム容器１６の液体ヘリウム中に設置される。マイクロ波は導波路１４によってマイクロ波発振器１２からジョセフソン素子１５近傍まで導入され、ジョセフソン素子１５にマイクロ波を照射することにより、ジョセフソン電圧を発生させることができる。
In the Josephson voltage generator 10, the microwave oscillator 12 generates a microwave having a frequency f to be irradiated to the Josephson element 15. The frequency f is a frequency setting control signal 21 output from the voltage control unit 18. For example, when an SNS type element is used as the Josephson element 15, a frequency of up to about 20 GHz can be generated by using a commercially available oscillator.
The Josephson element 15 is formed of a junction row in which Josephson junctions are connected in series, and is installed in the liquid helium in the liquid helium container 16. The microwave is introduced from the microwave oscillator 12 to the vicinity of the Josephson element 15 by the waveguide 14, and the Josephson voltage can be generated by irradiating the Josephson element 15 with the microwave.
また、バイアス回路１３は、ジョセフソン素子１５にバイアス電流を流すためのものであり、一種の電流源で構成される。バイアス回路１３から流れるバイアス電流の向きは電圧制御ユニット１８から出力されるバイアス回路制御用信号２２によって制御される。 The bias circuit 13 is for flowing a bias current through the Josephson element 15 and is constituted by a kind of current source. The direction of the bias current flowing from the bias circuit 13 is controlled by a bias circuit control signal 22 output from the voltage control unit 18.
図２は、ＳＮＳタイプのジョセフソン素子１５の電流−電圧特性を示す図である。
同図に示すように、ジョセフソン素子１５に流れるバイアス電流Ｉｂが電圧ステップの現れる範囲に入るように設定すると、その電流範囲では、標準電圧ＶJは１接合当り（ｈ／２ｅ）×ｆで表される。ここで、ｈはプランク定数、ｅは電荷素量、ｆは照射するマイクロ波の周波数である。ジョセフソン素子１５の接合数をＮとすると、標準電圧ＶJは（ｈ／２ｅ）×ｆ×Ｎとなる。バイアス電流Ｉｂの向きを反転すると標準電圧ＶJの符号も反転する。
FIG. 2 is a diagram showing current-voltage characteristics of the SNS type Josephson element 15.
As shown in the figure, when the bias current I b flowing through the Josephson device 15 is set to be within the range of appearance of voltage steps, in its current range, the standard voltage V J is 1 junction per (h / 2e) × f It is represented by Here, h is the Planck constant, e is the elementary charge, and f is the frequency of the irradiated microwave. When the number of junctions of the Josephson element 15 is N, the standard voltage V J is (h / 2e) × f × N. When the direction of the bias current Ib is reversed, the sign of the standard voltage V J is also reversed.
また、図１に示すように、定電圧発生部１１は、大きく分けて電圧制御ユニット１８、極性切替器１９、フィルタ１７から構成されるが、そのうち電圧制御ユニット１８の機能には、（１）入力端子２３における差電圧Ｖ３の検出、（２）ジョセフソン電圧発生部１０のバイアス回路１３及び極性切替器１９への制御信号の出力、（３）フィードバック端子２５におけるフィードバック電圧Ｖｆｂの出力、（４）出力端子２４における被測定物２０への出力電圧Ｖoutの出力がある。
電圧制御ユニット１８の出力電圧Ｖoutは定電圧発生部１１の出力となり、被測定物２０に印加される。また、電圧制御ユニット１８のフィードバック端子２５から出力されるフィードバック電圧Ｖｆｂは極性切替器１９とフィルタ１７を通って電圧Ｖ２として出力され、ジョセフソン電圧発生部１０から出力される出力電圧Ｖ１と直列に印加され、電圧制御ユニット１８の入力端子２３に差電圧Ｖ３として入力される。
As shown in FIG. 1, the constant voltage generator 11 is roughly divided into a voltage control unit 18, a polarity switch 19, and a filter 17, and the function of the voltage control unit 18 includes (1) Detection of the differential voltage V 3 at the input terminal 23, (2) output of a control signal to the bias circuit 13 and the polarity switch 19 of the Josephson voltage generator 10, (3) output of the feedback voltage V fb at the feedback terminal 25, (4) There is an output of the output voltage V out to the device under test 20 at the output terminal 24.
The output voltage V out of the voltage control unit 18 becomes the output of the constant voltage generator 11 and is applied to the device under test 20. The feedback voltage V fb output from the feedback terminal 25 of the voltage control unit 18 is output as the voltage V 2 through the polarity switch 19 and the filter 17, and the output voltage V 1 output from the Josephson voltage generator 10. and it is applied to the series, are input to the input terminal 23 of the voltage control unit 18 as a differential voltage V 3.
図３は、極性切替器１９の構成を示す図である。
同図に示すように、極性切替器１９は、４つのリレー２９で構成され、電圧制御ユニット１８からの極性切替信号２８に従って電圧制御ユニット１８のフィードバック出力端子２５から出力されるフィードバック電圧Ｖｆｂの符号を切り替える機能を持つ。この極性切替機能により、後述する、ジョセフソン素子１５の出力において発生する熱起電力ＶTとＡ／Ｄ変換器３０の入力オフセット電圧Ｖoffsetを除去することができる。
FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the polarity switch 19.
As shown in the figure, the polarity switch 19 is composed of four relays 29, and the feedback voltage V fb output from the feedback output terminal 25 of the voltage control unit 18 according to the polarity switching signal 28 from the voltage control unit 18. Has the function of switching the sign. With this polarity switching function, a thermoelectromotive force V T generated at the output of the Josephson element 15 and an input offset voltage V offset of the A / D converter 30 described later can be removed.
図１において、２つのフィルタ１７は、それぞれ電圧制御ユニット１８の入力電圧Ｖ３とフィードバック電圧Ｖｆｂ及び被測定物２０からフィードバック電圧Ｖｆｂを介して入力される雑音がジョセフソン電圧発生部１０に混入するのを防止する機能を有する。なお、これらのフィルタ１７は、コイルとコンデンサから構成される。これはフィルタで電圧降下が起こることを防止するためである。 In FIG. 1, two filters 17 respectively receive the input voltage V 3 and the feedback voltage V fb of the voltage control unit 18 and noise input from the DUT 20 via the feedback voltage V fb to the Josephson voltage generator 10. It has a function to prevent mixing. In addition, these filters 17 are comprised from a coil and a capacitor | condenser. This is to prevent a voltage drop from occurring in the filter.
図４は、図１に示した電圧制御ユニット１８のより詳細な構成の一例を示す図である。
同図に示すように、この電圧制御ユニット１８は、Ａ／Ｄ変換器３０、計測制御部３１、Ｄ／Ａ変換器３２、及び電圧発生部３３から構成される。
Ａ／Ｄ変換器３０は、ジョセフソン電圧発生部１０から出力される出力電圧Ｖ１と電圧制御ユニット１８のフィードバック出力端子２５から出力されるフィードバック電圧Ｖｆｂである出力電圧Ｖ２との差電圧Ｖ３をデジタルデータに変換する。
計測制御部３１は、フィードバック電圧fbをジョセフソン素子１５によって発生される標準電圧ＶＪと等しくするのに中心的な役割を果たし、大きく分けて３つの機能を有する。第１にジョセフソン電圧発生部１０の出力電圧Ｖ１とフィードバック電圧Ｖfbである出力電圧Ｖ２との差電圧Ｖ３の測定、第２に電圧発生部３３へ帰還信号を送る機能、第３にジョセフソン電圧発生部１０及び極性切替器１９の制御する機能である。
FIG. 4 is a diagram showing an example of a more detailed configuration of the voltage control unit 18 shown in FIG.
As shown in the figure, the voltage control unit 18 includes an A / D converter 30, a measurement control unit 31, a D / A converter 32, and a voltage generation unit 33.
The A / D converter 30 is a voltage difference between the output voltage V 1 output from the Josephson voltage generator 10 and the output voltage V 2 that is the feedback voltage V fb output from the feedback output terminal 25 of the voltage control unit 18. converting the V 3 into digital data.
Measurement control unit 31 plays a central role in equal standard voltage V J that generates a feedback voltage fb by Josephson element 15 has three functions roughly. Measurements of differential voltage V 3 between the output voltage V 2 is the output voltage V 1 and the feedback voltage V fb of the Josephson voltage generator 10 to the first, function of sending a feedback signal to the second voltage generating unit 33, the third This is a function controlled by the Josephson voltage generator 10 and the polarity switch 19.
ジョセフソン電圧発生部１０の出力電圧Ｖ１とフィードバック電圧Ｖfbとの差電圧Ｖ３の測定においては熱起電力ＶTの影響が大きな問題となる。熱起電力ＶTの発生はジョセフソン素子１５が液体ヘリウム（４．２Ｋ、約２６９℃）に設置されていることから避けられず、熱起電力ＶTの値を精密に理論的に予測することは事実上不可能である。しかし、熱起電力ＶTはジョセフソン素子１５の標準電圧ＶJと電圧制御ユニット１８からのフィードバック電圧Ｖfbの極性を周期的に切り替え、極性を切り替える前後の電圧の差を取り平均をとることによって除去することが原理的に可能である。 Effect of thermal electromotive force V T is a major problem in the measurement of the differential voltage V 3 between the output voltage V 1 and the feedback voltage V fb of the Josephson voltage generator 10. The generation of the thermoelectromotive force V T is inevitable because the Josephson element 15 is installed in liquid helium (4.2 K, approximately 269 ° C.), and the value of the thermoelectromotive force V T is predicted theoretically precisely. It is virtually impossible. However, the thermoelectromotive force V T periodically switches the polarity of the standard voltage V J of the Josephson element 15 and the feedback voltage V fb from the voltage control unit 18 and takes an average of the difference between the voltages before and after switching the polarity. It is possible in principle to remove it.
図５は、図４に示したＡ／Ｄ変換器３０に入力される差電圧Ｖ３の動作を説明するための図である。
ここで、ジョセフソン電圧発生部１０の出力電圧をＶ１、極性切替器１９の出力電圧をＶ２、電圧制御ユニット１８の入力電圧をＶ３とし、ジョセフソン素子１５の標準電圧をＶJ、熱起電力をＶT、Ａ／Ｄ変換器３０のオフセット電圧をＶoffsetとすると、同図に示すように、ジョセフソン電圧発生部１０の出力電圧Ｖ１の値は＋ＶJ＋ＶT、又は計測制御部３１によってバイアス回路１３のバイアス電流Ｉｂの向きが変えられたときの出力電圧Ｖ１は−ＶJ＋ＶTである。
Figure 5 is a diagram for explaining the operation of the differential voltage V 3 which is input to the A / D converter 30 shown in FIG.
Here, the output voltage of the Josephson voltage generator 10 is V 1 , the output voltage of the polarity switch 19 is V 2 , the input voltage of the voltage control unit 18 is V 3, and the standard voltage of the Josephson element 15 is V J , Assuming that the thermoelectromotive force is V T and the offset voltage of the A / D converter 30 is V offset , the value of the output voltage V 1 of the Josephson voltage generator 10 is + V J + V T or measured as shown in FIG. The output voltage V 1 when the direction of the bias current Ib of the bias circuit 13 is changed by the control unit 31 is −V J + V T.
また、計測制御部３１に入力される電圧の値は、＋ＶJ＋ＶT＋Ｖoffsetまたは計測制御部３１によってバイアス回路１３のバイアス電流Ｉｂの向きを変えられたときは−ＶJ＋ＶT＋Ｖoffsetである。
そこで、計測制御部３１において、（I）の段階として、計測制御部３１に入力される入力電圧Ｖ３は、ジョセフソン電圧発生部１０の出力電圧Ｖ１（＝−ＶJ＋ＶT）にＡ／Ｄ変換器３０で発生したオフセット電圧Ｖoffsetを加算した電圧（−ＶJ＋ＶT＋Ｖoffset）と極性切替器１９の出力電圧Ｖ２（＝＋Ｖfb）との差電圧Ｖ３（＝＋ＶJ＋ＶT＋Ｖoffset−Ｖfb）となり、これを一定時間記録し、平均をとって差電圧Ｖ３＋をとる。
次に（II）の段階として、計測制御部３１からのバイアス回路制御用信号２２によってジョセフソン電圧発生部１０のバイアス回路１３を制御することにより、ジョセフソン素子１５に流れるバイアス電流Ｉｂを反転させる。
次に、（III）の段階として、計測制御部３１に入力される入力電圧Ｖ３は、ジョセフソン電圧発生部１０の出力電圧Ｖ１（＝−ＶJ＋ＶT）にＡ／Ｄ変換器３０で発生したオフセット電圧Ｖoffsetを加算した電圧（−ＶJ＋ＶT＋Ｖoffset）と極性切替器１９の出力電圧Ｖ２（＝−Ｖfb）の差電圧Ｖ３（＝−ＶJ＋ＶT＋Ｖoffset−（−Ｖfb））となり、これを一定時間記録し、平均をとって差電圧Ｖ３−をとる。
次に、（IV）の段階として、計測制御部３１からのバイアス回路制御用信号２２によってジョセフソン電圧発生部１０のバイアス回路１３を制御することにより、ジョセフソン素子１５に流れるバイアス電流Ｉｂを反転させる。
再び、（I）の段階の処理を行う。
以上のごとく、計測制御部３１において、（I）〜（IV）の段階の処理を繰り返す。
The voltage value input to the measurement control unit 31 is + V J + V T + V offset or −V J + V T + V offset when the direction of the bias current Ib of the bias circuit 13 is changed by the measurement control unit 31. is there.
Therefore, in the measurement control unit 31, as step (I), the input voltage V 3 input to the measurement control unit 31 is set to the output voltage V 1 (= −V J + V T ) of the Josephson voltage generation unit 10 as A. The difference voltage V 3 (= + V J ) between the voltage (−V J + V T + V offset ) obtained by adding the offset voltage V offset generated in the / D converter 30 and the output voltage V 2 (= + V fb ) of the polarity switch 19 + V T + V offset −V fb ), which is recorded for a certain period of time, and averaged to obtain the difference voltage V 3+ .
Next, as the stage (II), the bias circuit 13 of the Josephson voltage generator 10 is controlled by the bias circuit control signal 22 from the measurement controller 31 to invert the bias current Ib flowing through the Josephson element 15. .
Next, as step (III), the input voltage V 3 input to the measurement control unit 31 is converted into the output voltage V 1 (= −V J + V T ) of the Josephson voltage generation unit 10 by the A / D converter 30. The difference voltage V 3 (= −V J + V T + V offset ) between the voltage (−V J + V T + V offset ) obtained by adding the offset voltage V offset generated in step 1 and the output voltage V 2 (= −V fb ) of the polarity switch 19. − (− V fb )), which is recorded for a certain period of time, and averaged to obtain the differential voltage V 3− .
Next, as step (IV), the bias circuit 13 of the Josephson voltage generator 10 is controlled by the bias circuit control signal 22 from the measurement controller 31 to invert the bias current Ib flowing through the Josephson element 15. Let
Again, the processing of the stage (I) is performed.
As described above, the measurement control unit 31 repeats the processes of steps (I) to (IV).
（I）〜（IV）の段階の処理の過程において、（I）の段階と(III)の段階の測定結果から、Ｖ３＋≠Ｖ３−の場合は、Ｖ３＋＝Ｖ３−となるように、即ち、Ｖ３＋−Ｖ３−＝（＋ＶJ＋ＶT＋Ｖoffset−Ｖfb）−（−ＶJ＋ＶT＋Ｖoffset＋Ｖfb）＝２ＶJ−２Ｖfb＝０となるように、（I）の段階から(IV)の段階の処理を繰り返す。この処理を繰返す度に、計測制御部３１において、電圧発生部３３からのフィードバック電圧Ｖfbを制御するための電圧発生部３３への帰還信号を計算する。
計測制御部３１で計算された帰還信号はＤ／Ａ変換器３２を介して電圧発生部３３に送られると、電圧発生部３３から出力されるフィードバック電圧Ｖfb及び出力電圧Ｖoutは微調整されて出力される。微調整の結果、最終的にＶ３＋−Ｖ３−＝２ＶJ−２Ｖfb＝０とすることができる。その結果、定電圧発生部１１、即ち、電圧制御ユニット１８のフィードバック電圧Ｖfbをジョセフソン素子１５の標準電圧ＶJと等しくすることができる。
In the process of the steps (I) to (IV), from the measurement results of the steps (I) and (III), if V 3+ ≠ V 3− , V 3+ = V 3− (I) so that V 3+ −V 3 − = (+ V J + V T + V offset −V fb ) − (− V J + V T + V offset + V fb ) = 2V J −2V fb = 0 Repeat steps (IV) through (IV). Each time this process is repeated, the measurement control unit 31 calculates a feedback signal to the voltage generation unit 33 for controlling the feedback voltage V fb from the voltage generation unit 33.
When the feedback signal calculated by the measurement control unit 31 is sent to the voltage generation unit 33 via the D / A converter 32, the feedback voltage V fb and the output voltage V out output from the voltage generation unit 33 are finely adjusted. Is output. As a result of the fine adjustment, V 3+ −V 3 − = 2V J −2V fb = 0 can be finally set. As a result, the feedback voltage V fb of the constant voltage generator 11, that is, the voltage control unit 18 can be made equal to the standard voltage V J of the Josephson element 15.
図６（ａ）は、図４に示す電圧発生部３３の構成の一例を示す図である。
同図に示すように、電圧発生部３３は、電圧制御電流源３４、定電流源３５、ツェナーダイオード３６、及び変圧器３７から構成される。
ツェナーダイオード３６の出力電圧Ｖｚの値は、ツェナーダイオード３６を流れるバイアス電流で決まる。ツェナーダイオード３６のバイアス電流は定電流源３５と電圧制御電流源３４の２種類の電流源によって制御される。定電流源３５はツェナーダイオード３６の出力電圧を４乃至５桁程度の精度で決定する役割を果たす。一方、電圧制御電流源３４はＤ／Ａ変換器３２から出力される電圧帰還信号を電流に変換し、ツェナーダイオード３６の出力電圧を微調整する役割を果たす。定電流源３５からの電流は４乃至５桁程度の精度を持つことが期待され、電圧制御電流源３４からツェナーダイオード３６に流れ込む電流は、定電流源３５からツェナーダイオード３６に流れ込む電流より３乃至４桁程度小さくなるように調整されている。
定電流源３５としては、例えば定電圧源と抵抗から構成したり、定電圧源とＪＦＥＴで構成することが可能である。また電圧制御電流源３４としては、例えば、オペアンプをボルテージフォロアで接続したものに抵抗を接続して構成したり、電圧電流変換回路で構成することが可能である。
FIG. 6A is a diagram showing an example of the configuration of the voltage generator 33 shown in FIG.
As shown in the figure, the voltage generator 33 includes a voltage control current source 34, a constant current source 35, a Zener diode 36, and a transformer 37.
The value of the output voltage Vz of the Zener diode 36 is determined by the bias current flowing through the Zener diode 36. The bias current of the Zener diode 36 is controlled by two types of current sources, a constant current source 35 and a voltage control current source 34. The constant current source 35 serves to determine the output voltage of the Zener diode 36 with an accuracy of about 4 to 5 digits. On the other hand, the voltage control current source 34 functions to convert the voltage feedback signal output from the D / A converter 32 into a current and finely adjust the output voltage of the Zener diode 36. The current from the constant current source 35 is expected to have an accuracy of about 4 to 5 digits, and the current flowing from the voltage controlled current source 34 to the Zener diode 36 is 3 to 3 times higher than the current flowing from the constant current source 35 to the Zener diode 36. It is adjusted to be about 4 digits smaller.
The constant current source 35 can be composed of, for example, a constant voltage source and a resistor, or can be composed of a constant voltage source and a JFET. Further, the voltage control current source 34 can be configured by connecting a resistor to an operational amplifier connected by a voltage follower, or can be configured by a voltage-current conversion circuit.
ツェナーダイオード３６から出力されたツェナー電圧は、変圧器３７によって昇圧され定電圧発生部１１の出力電圧Ｖoutとして出力され、また変圧器３７の出力端子からは極性切替器１９にフィードバックされるフィードバック電圧Ｖfbも出力される。 The Zener voltage output from the Zener diode 36 is boosted by the transformer 37 and output as the output voltage V out of the constant voltage generator 11, and the feedback voltage fed back to the polarity switch 19 from the output terminal of the transformer 37. V fb is also output.
図６（ｂ）は、図４に示すＤ／Ａ変換器３２と電圧発生部３３の構成の一例を示す図である。
同図に示すように、電圧発生部３３としてツェナーダイオードを用いず、前段のＤ／Ａ変換器３２と電圧発生部３３を、２つのＤ／Ａ変換器３８及びＤ／Ａ変換器３９と反転加算器４０を用いて構成したものである。
Ｄ／Ａ変換器３８とＤ／Ａ変換器３９をそれぞれ精密電流制御用及び定電流発生用として用いる。Ｄ／Ａ変換器３９の出力は基本的に一定であり、定電流源として機能させる。電圧制御ユニット１８の出力電圧の微調整はＤ／Ａ変換器３８の出力電圧を制御することにより行う。Ｄ／Ａ変換器３８で反転増幅器４０の出力電圧を微調整するために、Ｒ２／Ｒ１の値は１０３から１０４程度に調整する必要がある。Ｒ３はＲ２と同程度でよい。
反転加算器４０から出力された電圧は、変圧器３７によって昇圧されて定電圧発生部１１の出力電圧Ｖoutとして出力されるとともに、変圧器３７からは極性切替器１９にフィードバックされるフィードバック電圧Ｖfbとして出力される。
FIG. 6B is a diagram showing an example of the configuration of the D / A converter 32 and the voltage generator 33 shown in FIG.
As shown in the figure, a Zener diode is not used as the voltage generation unit 33, and the preceding D / A converter 32 and the voltage generation unit 33 are inverted with the two D / A converters 38 and the D / A converter 39. This is configured using the adder 40.
The D / A converter 38 and the D / A converter 39 are used for precision current control and constant current generation, respectively. The output of the D / A converter 39 is basically constant and functions as a constant current source. Fine adjustment of the output voltage of the voltage control unit 18 is performed by controlling the output voltage of the D / A converter 38. In order to finely adjust the output voltage of the inverting amplifier 40 by the D / A converter 38, the value of R 2 / R 1 needs to be adjusted from about 10 3 to about 10 4 . R 3 may be about the same as R 2 .
The voltage output from the inverting adder 40 is boosted by the transformer 37 and output as the output voltage Vout of the constant voltage generator 11, and the feedback voltage V fed back from the transformer 37 to the polarity switch 19. Output as fb .
図７は、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示した変圧器３７の構成を示す図である。
同図に示すように、変圧器３７は電圧増幅器４１と分圧抵抗Ｒ４，Ｒ５で構成され、出力電圧はＶout＝（（Ｒ４＋Ｒ５）／Ｒ５）×Ｖｆｂと計算される。その結果、変圧器３７の出力端２４からはジョセフソン電圧発生部１０の標準電圧ＶJ以上の任意の電圧を出力させることができる。出力電圧Ｖoutは抵抗比で決まるため、Ｒ４とＲ５の抵抗比を９桁の精度で求めておくことにより、フィードバック電圧Ｖｆｂをジョセフソン素子１５の標準電圧ＶJとほぼ同一、同精度とすることができるので、標準電圧ＶJと同精度の出力電圧Ｖoutを得ることができる。
ここで、Ｒ４＝０として、フィードバック電圧Ｖfb＝出力電圧Ｖoutとした場合は、電圧制御ユニット１８の出力電圧Ｖoutをジョセフソン素子１５の標準電圧ＶJと等しくすることができるので、電圧制御ユニット１８からは標準電圧ＶJと同一、同精度の出力電圧Ｖoutを出力させることができる。
FIG. 7 is a diagram showing a configuration of the transformer 37 shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b).
As shown in the figure, the transformer 37 includes a voltage amplifier 41 and voltage dividing resistors R 4 and R 5 , and the output voltage is calculated as V out = ((R 4 + R 5 ) / R 5 ) × V fb. The As a result, an arbitrary voltage equal to or higher than the standard voltage V J of the Josephson voltage generator 10 can be output from the output terminal 24 of the transformer 37. Since the output voltage V out is determined by the resistance ratio, the feedback voltage V fb is almost the same as the standard voltage V J of the Josephson element 15 by obtaining the resistance ratio of R 4 and R 5 with an accuracy of 9 digits. Since the accuracy can be obtained, the output voltage V out having the same accuracy as the standard voltage V J can be obtained.
Here, R 4 = 0, the case of the feedback voltage V fb = output voltage V out, it is possible to equalize the output voltage V out of the voltage control unit 18 and the standard voltage V J of the Josephson device 15, identical to the standard voltage V J is the voltage control unit 18, it is possible to output the output voltage V out of the same accuracy.
１０ ジョセフソン電圧発生部
１１ 定電圧発生部
１２ マイクロ波発振器
１３ バイアス回路
１４ 導波路
１５ ジョセフソン素子
１６ 液体ヘリウム容器
１７ フィルタ
１８ 電圧制御ユニット
１９ 極性切替器
２０ 被測定物
２１ 周波数設定用制御信号
２２ バイアス回路制御用信号
２３ 電圧制御ユニットの入力端子
２４ 電圧制御ユニットの出力端子
２５ 電圧制御ユニットのフィードバック電圧出力端子
２６ 極性切替器の入力端子
２７ 極性切替器の出力端子
２８ 極性切替信号
２９ リレー
３０ Ａ／Ｄ変換器
３１ 計測制御部
３２ Ｄ／Ａ変換器
３３ 電圧発生部
３４ 電圧制御電流源
３５ 定電流源
３６ ツェナーダイオード
３７ 変圧器
３８ Ｄ／Ａ変換器
３９ Ｄ／Ａ変換器
４０ 反転加算器
４１ 電圧増幅器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Josephson voltage generation part 11 Constant voltage generation part 12 Microwave oscillator 13 Bias circuit 14 Waveguide 15 Josephson element 16 Liquid helium container 17 Filter 18 Voltage control unit 19 Polarity switch 20 Measured object 21 Frequency setting control signal 22 Bias circuit control signal 23 Voltage control unit input terminal 24 Voltage control unit output terminal 25 Voltage control unit feedback voltage output terminal 26 Polarity switch input terminal 27 Polarity switch output terminal 28 Polarity switch signal 29 Relay 30 A / D converter 31 Measurement controller 32 D / A converter 33 Voltage generator 34 Voltage controlled current source 35 Constant current source 36 Zener diode 37 Transformer 38 D / A converter 39 D / A converter 40 Inverting adder 41 Voltage amplifier
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