JP2009188779A - Superconductive output circuit - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain an output interface circuit which can output data at highspeed, and can output data having a broad pulse width concerning a superconductive output circuit. <P>SOLUTION: In the superconductive output circuit provided with an output driver of a superconductive single flux quantum circuit which generates a level logic, the superconductive output circuit comprises two output drivers and an output compositing circuit for compositing output waveforms from the two output drivers, and has a pair of series circuits which comprises a Josephson junction having a hysteresis in which the output compositing circuit separates the two output drivers, and a resistance. Also, a bias current source for supplying a DC offset current is provided in the series circuit. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は超電導出力回路に関し、特に、超電導SFQ(単一磁束量子)回路を用いた超電導ADコンバータや超電導ディジタル回路全般に用いられる出力インターフェイス回路における出力の高速化或いは広パルス幅化のための構成に関するものである。   The present invention relates to a superconducting output circuit, and in particular, a configuration for increasing the output speed or widening the pulse width in an output interface circuit used in a superconducting AD converter using a superconducting SFQ (single magnetic flux quantum) circuit or a superconducting digital circuit in general. It is about.

単一磁束量子(SFQ)を用いた超電導アナログ/ディジタル回路は半導体回路に比べて高速かつ低消費電力で動作するという特長を有する。その応用として超高速のプロセッサ、ネットワーク用のルータースイッチ、ADコンバータなどへの応用をめざして研究開発が精力的に行われている。   A superconducting analog / digital circuit using a single flux quantum (SFQ) has a feature that it operates at a higher speed and with lower power consumption than a semiconductor circuit. As its application, research and development has been energetically aimed at application to ultra-high-speed processors, network router switches, AD converters, and the like.

SFQ論理回路ではSFQパルスを用いた論理演算・信号処理が高速に行われるが、超高速な信号処理後のデータは最終的には室温環境の半導体回路・素子に受け渡す必要がある。
そのためには、パルス論理から電圧出力となるレベル論理に変換する必要があり、そのために、室温半導体回路・素子とのインターフェイスが必要になる。
In the SFQ logic circuit, logic operation and signal processing using SFQ pulses are performed at high speed, but it is necessary to finally transfer data after ultra-high speed signal processing to a semiconductor circuit / element in a room temperature environment.
For this purpose, it is necessary to convert from pulse logic to level logic which is a voltage output, and for this purpose, an interface with a room temperature semiconductor circuit / element is required.

このように、SFQ回路を用いたシステムを構築するためには、SFQ回路本体の性能もさることながら室温半導体とのインターフェイス、特に出力インターフェイスの開発は重要な技術の一つである。   As described above, in order to construct a system using an SFQ circuit, development of an interface with a room temperature semiconductor, in particular, an output interface is one of important technologies in addition to the performance of the SFQ circuit main body.

そこで、これまで出力インターフェイス回路(出力ドライバまたは出力ゲート)としてDC駆動、AC駆動を含めさまざまな回路が研究開発されている。
例えば、
(a)磁界結合入力でヒステリシスのないSQUIDを直列接続したDC駆動のSQUID型(例えば、非特許文献1或いは非特許文献2参照)、
(b)ヒステリシスのある接合を直並列に接続したAC駆動のスタック型(例えば、非特許文献3参照)、或いは、
(c)セルフリセット回路を設けたDC駆動のDCラッチ型(例えば、特許文献1参照)が提案されている。
Thus, various circuits including DC drive and AC drive have been researched and developed as output interface circuits (output drivers or output gates).
For example,
(A) DC-driven SQUID type in which SQUIDs with hysteresis are connected in series with magnetic coupling input (for example, see Non-Patent Document 1 or Non-Patent Document 2),
(B) AC-driven stack type in which junctions with hysteresis are connected in series and parallel (for example, see Non-Patent Document 3), or
(C) A DC-driven DC latch type (see, for example, Patent Document 1) provided with a self-reset circuit has been proposed.

図15は、従来のSQUID型ドライバの回路構成図であり、磁界結合入力でヒステリシスのないSQUIDを直列接続することで出力電圧を大きくしている。この構成方法ではSQUID型ドライバへの入力はその前段で順次分配してSQUIDに入力していくものであり、現在、10GHzの繰り返し周波数で、エラーレートの少ない出力ドライバとなっている。
なお、この場合、SQUIDを構成するジョセフソン接合に小さな抵抗値のダンピング抵抗を並列接続して、マッカンバー係数を1にして、ヒステリシスが無いようにしている。
FIG. 15 is a circuit configuration diagram of a conventional SQUID type driver, in which an output voltage is increased by serially connecting SQUIDs having a magnetic field coupling input and no hysteresis. In this configuration method, the input to the SQUID type driver is sequentially distributed and input to the SQUID at the previous stage, and is currently an output driver with a repetition rate of 10 GHz and a low error rate.
In this case, a damping resistor having a small resistance value is connected in parallel to the Josephson junction constituting the SQUID so that the McCamber coefficient is 1 so that there is no hysteresis.

このSQUID型ドライバは、現在10kA/cm2 の臨界電流密度で動作させており、プロセス技術を改良することにより、40kA/cm2 の臨界電流密度で動作させることが充分可能であり、それによって、2倍の速度で、即ち、20GHzの繰り返し周波数での動作が見込まれている。 This SQUID type driver is currently operating at a critical current density of 10 kA / cm 2 and can be sufficiently operated at a critical current density of 40 kA / cm 2 by improving the process technology, thereby Operation at twice the speed, ie 20 GHz repetition frequency, is expected.

図16は、従来のAC駆動のスタック型ドライバの回路構成図であり、n+1個のヒステリシスを有するジョセフソン接合と抵抗の直列接続回路とn個のヒステリシスを有するジョセフソン接合と抵抗の直列接続回路との並列接続回路に交流バイアスACBias を印加したものである。   FIG. 16 is a circuit configuration diagram of a conventional AC-driven stacked driver, in which a Josephson junction and resistor series connection circuit having n + 1 hysteresis and a series connection circuit of n Josephson junction and resistance having hysteresis are shown. An AC bias ACBias is applied to a parallel connection circuit.

SFQ信号が入力されると、n+1個のジョセフソン接合と抵抗からなる左側の直列接続回路の入力端子に隣接するジョセフソン接合J1 がスイッチして電圧状態となり、右側の直列接続回路に電流が流れる。 When the SFQ signal is input, the Josephson junction J 1 adjacent to the input terminal of the left series connection circuit consisting of n + 1 Josephson junctions and resistors switches to a voltage state, and current flows in the right series connection circuit. Flowing.

この時、右側の直列接続回路のすべてのジョセフソン接合がスイッチして電圧状態になるとともに、リセットされて超電導状態になっている左側の直列接続回路に再び電流が流れて、左側の直列接続回路でまだ超電導状態であったジョセフソン接合が電圧状態となる。その結果、負荷回路に電流が流れ、負荷回路に出力電圧が発生する。
この回路では、ヒステリシスのあるジョセフソン接合を用いるために、一度発生した電圧は維持されるので、電圧状態を停止するために、交流バイアスACBias を一旦ゼロにする必要がある。
At this time, all the Josephson junctions in the right series connection circuit are switched to a voltage state, and the current flows again in the left series connection circuit that is reset to the superconducting state, so that the left series connection circuit The Josephson junction, which was still in the superconducting state, becomes a voltage state. As a result, a current flows through the load circuit, and an output voltage is generated in the load circuit.
In this circuit, since the Josephson junction having hysteresis is used, the voltage once generated is maintained. Therefore, in order to stop the voltage state, the AC bias ACBias needs to be once reduced to zero.

このAC駆動のスタック型ドライバにおいては、2.5kA/cm2 の臨界電流密度で動作させて、5GHzの繰り返し周波数での動作が確認されている。
また、ジョセフソン接合をNb系で構成した場合には、1個のジョセフソン接合で理想的には約2.8mVの出力が得られるが、出力ロスがあるので約2mVの出力が得られる。
This AC-driven stack type driver has been confirmed to operate at a repetition frequency of 5 GHz by operating at a critical current density of 2.5 kA / cm 2 .
Further, when the Josephson junction is composed of an Nb system, an output of about 2.8 mV is ideally obtained with one Josephson junction, but an output of about 2 mV is obtained because of an output loss.

図17は、従来のDC駆動のラッチ型ドライバの回路構成図であり、2個のヒステリシスを有するジョセフソン接合と抵抗の直列接続回路と1個のヒステリシスを有するジョセフソン接合と抵抗の直列接続回路との並列接続回路に直流バイアスDCBias を印加するとともに、出力側にインダクタLと抵抗Rとの直列接続回路からなるセルフリセット回路を設けたものである。   FIG. 17 is a circuit configuration diagram of a conventional DC-driven latch-type driver, which is a series connection circuit of a Josephson junction and a resistor having two hysteresis, and a series connection circuit of a Josephson junction and a resistor having one hysteresis. A DC bias DCBias is applied to the parallel connection circuit, and a self-reset circuit including a series connection circuit of an inductor L and a resistor R is provided on the output side.

SFQ信号が入力されると、左側の直列接続回路の入力端子に隣接するジョセフソン接合J1 がスイッチして電圧状態となり、右側の直列接続回路に電流が流れてジョセフソン接合が電圧状態にスイッチする。その後、リセットされて超電導状態になっている左側の直列接続回路に再び電流が流れて、左側の直列接続回路でまだ超電導状態であったジョセフソン接合が電圧状態となる。その結果、負荷回路に電流が流れ、負荷回路に出力電圧が発生する。 When SFQ signal is inputted, becomes a voltage state Josephson junction J 1 adjacent to the input terminal of the series connection circuit of left and switch, the Josephson junction current flows on the right side of the series circuit is a voltage state To do. Thereafter, a current flows again through the left series connection circuit that has been reset and is in the superconducting state, and the Josephson junction that was still in the superconducting state in the left series connection circuit becomes a voltage state. As a result, a current flows through the load circuit, and an output voltage is generated in the load circuit.

この時、左右のジョセフソン接合共スイッチして電圧状態になるが、セルフリセット回路の時定数LRに応じてリセット回路に電流が流れて電圧状態が解除されて初期状態に復帰する。   At this time, the left and right Josephson junctions are switched to be in a voltage state, but a current flows through the reset circuit according to the time constant LR of the self-reset circuit, the voltage state is released, and the initial state is restored.

この場合も、2.5kA/cm2 の臨界電流密度で動作させて、〜5GHzの繰り返し周波数での動作が確認されている。 このDC駆動のラッチ型ドライバの場合には、バイアス電流を一旦ゼロにする必要がないので、動作が簡単になる。
なお、このDC駆動のラッチ型ドライバにおいては、回路動作の安定性の観点から、現在のところは、右側、即ち、出力側のジョセフソン接合は1個にしている。
O.A.Mukhanov et al.,IEEE Trans.on Appl.Superconductivity,Vol.7,No.2,pp.2826〜2831 橋本 他,電子情報通信学会2006年春季総合大会予稿 H.Suzuki et al.,IEEE Trans. on Electron Devices,Vol.37,No.11,pp.2399〜2405,1990 特開2005−260364号公報
Also in this case, operation at a critical current density of 2.5 kA / cm 2 and operation at a repetition frequency of ˜5 GHz has been confirmed. In the case of this DC-driven latch type driver, it is not necessary to once make the bias current zero, so that the operation becomes simple.
In this DC-driven latch type driver, from the viewpoint of stability of circuit operation, at present, there is only one Josephson junction on the right side, that is, the output side.
O. A. Mukhanov et al. , IEEE Trans. on Appl. Superconductivity, Vol. 7, no. 2, pp. 2826-2831 Hashimoto et al., Proceedings of the 2006 IEICE General Conference H. Suzuki et al. , IEEE Trans. on Electron Devices, Vol. 37, no. 11, pp. 2399-2405, 1990 JP 2005-260364 A

しかし、上述の各出力インターフェイス回路の性能は十分とは言い難がった。例えば、SFQ回路は現在標準的な2μmのプロセスルールを用いても40GHzで動作可能であるが、出力ドライバとしては上述のように、5〜10GHzの動作に止まっており、SFQパルスを用いた論理回路に比べてその動作速度が遅いという課題があった。   However, it was difficult to say that the performance of each of the output interface circuits described above was sufficient. For example, the SFQ circuit can be operated at 40 GHz even if the standard 2 μm process rule is used at present, but as described above, the output driver is limited to the operation of 5 to 10 GHz, and the logic using the SFQ pulse is used. There was a problem that the operation speed was slower than that of the circuit.

したがって、40GHzのレートのデータを出力するためには直列−並列変換を行ってデータレートを下げて出力する必要があり、例えば、5GHz×8本で出力する。
しかし、この場合、出力インターフェイス回路の規模が大きくなるとともに出力信号線の数が増え低温環境への熱流入が増大するという問題がある。
Therefore, in order to output data at a rate of 40 GHz, it is necessary to perform serial-parallel conversion to lower the data rate and output, for example, 5 GHz × 8.
However, in this case, there is a problem that the scale of the output interface circuit is increased, the number of output signal lines is increased, and heat inflow to the low temperature environment is increased.

なお、上述のように、回路を構成する臨界電流密度を上げると、動作速度を上げることは可能であり、臨界電流密度を4倍にすると、動作速度は約2倍になる。
但し、臨界電流密度を上げるためには、微細加工技術の開発が必要になり、上述のAC駆動のスタック型ドライバ或いはDC駆動のDCラッチ型ドライバの場合には、現在の5GHzの動作速度を臨界電流密度を上げることにより、40GHzにすることは非常に困難である。
なお、AC駆動の出力ドライバではジョセフソン接合の特性に付随したパンチスルーなどの問題もある。
As described above, if the critical current density constituting the circuit is increased, the operation speed can be increased. If the critical current density is quadrupled, the operation speed is approximately doubled.
However, in order to increase the critical current density, it is necessary to develop a microfabrication technique. In the case of the above-described AC-driven stack driver or DC-driven DC latch driver, the current operating speed of 5 GHz is critical. It is very difficult to achieve 40 GHz by increasing the current density.
Note that the AC-driven output driver also has problems such as punch through associated with the characteristics of the Josephson junction.

また、上記のSQUID型ドライバの場合には、動作速度を40GHzにすることはAC駆動のスタック型ドライバ或いはDC駆動のDCラッチ型ドライバより容易であるが、1つのパルスを出力するためには数100個のジョセフソン接合が必要になるため、回路構成が大型化するという問題があり、現実的ではない。   In the case of the above SQUID type driver, it is easier to set the operation speed to 40 GHz than the AC driven stack type driver or the DC driven DC latch type driver. Since 100 Josephson junctions are required, there is a problem that the circuit configuration becomes large, which is not realistic.

さらに、動作速度以外にも、超電導の出力ドライバの出力電圧振幅やパルス幅も半導体回路を駆動するには十分とは言い難い。
例えば、GaAsMESFETで構成される半導体回路を駆動するためには、最低でも2mVの電圧と、40psecのホールドタイムを考慮するならば60psecのパルス幅が必要である。
しかし、現在の超電導SFQ回路からのパルス出力は、矩形波ではなくノコギリ波状であるので、充分なパルス幅が得られていないのが現状である。
In addition to the operating speed, the output voltage amplitude and pulse width of the superconducting output driver are not sufficient to drive the semiconductor circuit.
For example, in order to drive a semiconductor circuit composed of GaAs MESFETs, a pulse width of 60 psec is necessary if a voltage of 2 mV and a hold time of 40 psec are taken into consideration.
However, since the current pulse output from the superconducting SFQ circuit is not a rectangular wave but a sawtooth wave, the current situation is that a sufficient pulse width is not obtained.

このように、従来の出力インターフェイス回路において課題となっている高速動作に関しては、電圧出力を得るためにSFQ回路に比べて動作速度が遅くならざるを得ないという本質的な問題があり、出力のデータレート(出力周波数)が制限されていた。   As described above, the high-speed operation which is a problem in the conventional output interface circuit has an essential problem that the operation speed has to be slower than that of the SFQ circuit in order to obtain a voltage output. Data rate (output frequency) was limited.

したがって、本発明は、高速にデータを出力できる或いはパルス幅の広いデータを出力できる出力インターフェイス回路を実現することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to realize an output interface circuit that can output data at a high speed or can output data having a wide pulse width.

本発明の一観点によれば、レベル論理を発生する超電導単一磁束量子回路の出力ドライバを備えた超電導出力回路であって、二つの出力ドライバと、前記二つの出力ドライバからの出力波形を合成する出力合成回路とを備え、前記出力合成回路が前記二つの出力ドライバを分離するヒステリシスを有するジョセフソン接合と抵抗とからなる一対の直列回路を有するとともに、前記直列回路に直流オフセット電流を供給するバイアス電流源を有する超電導出力回路が提供される。   According to one aspect of the present invention, there is provided a superconducting output circuit including an output driver of a superconducting single flux quantum circuit that generates level logic, and combines two output drivers and output waveforms from the two output drivers. An output synthesizing circuit, and the output synthesizing circuit has a pair of series circuits composed of a Josephson junction and a resistor having hysteresis for separating the two output drivers, and supplies a DC offset current to the series circuit. A superconducting output circuit having a bias current source is provided.

開示の超電導出力回路によれば、課題とされていた高速のデータレートなどの課題を二つの出力ドライバの出力波形を合成することで解決でき、より高速のデーターレート(周波数)や広いパルス幅を有した出力信号を発生する超電導出力インターフェイス回路を実現でき、ひいては、システムの簡素化や安定化を図ることができる。   According to the disclosed superconducting output circuit, problems such as high-speed data rate, which were regarded as problems, can be solved by synthesizing the output waveforms of the two output drivers, and a higher data rate (frequency) and wider pulse width can be achieved. A superconducting output interface circuit that generates the output signal can be realized, and as a result, the system can be simplified and stabilized.

ここで、図1乃至図5を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
図1は、本発明の実施の形態の超電導出力回路の原理的構成図であり、一対の出力ドライバ111 ,112 と、この一対の出力ドライバ111 ,112 からの出力波形を合成する合成回路12と、負荷回路15から構成される。
Here, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is a principle configuration diagram of a superconducting output circuit according to an embodiment of the present invention, in which a pair of output drivers 11 1 and 11 2 and output waveforms from the pair of output drivers 11 1 and 11 2 are synthesized. It is composed of a synthesis circuit 12 and a load circuit 15.

この合成回路12は、一対の分離用直列回路131 ,132 と直流バイアス源14とからなり、各直列回路131 ,132 は、それぞれ抵抗r1 ,r2 とジョセフソン接合J1 ,J2 とで構成され、各ジョセフソン接合J1 ,J2 には、それぞれヒステリシスを調整するためのダンピング抵抗R1 ,R2 が接続されている。 The synthesizing circuit 12 includes a pair of separating series circuits 13 1 and 13 2 and a DC bias source 14, and each of the series circuits 13 1 and 13 2 includes resistors r 1 and r 2 and Josephson junction J 1 , is composed of a J 2, each Josephson junction J 1, J 2, damping resistors R 1, R 2 for adjusting the hysteresis, respectively are connected.

なお、抵抗r1 ,r2 は5Ω程度の小さな抵抗であり、超電導ループの形成を抑制するためには接続されるものであり、この抵抗r1 ,r2 には直流バイアス源14から各ジョセフソン接合J1 ,J2 の臨界電流より小さなDCのオフセット電流IBiasが、一対の分離用直列回路131 ,132 の接続点を介して供給される。 The resistors r 1 and r 2 are small resistors of about 5Ω and are connected to suppress the formation of the superconducting loop. The resistors r 1 and r 2 are connected to each Josephson from the DC bias source 14. A DC offset current I Bias smaller than the critical current of the Son junctions J 1 and J 2 is supplied through the connection point of the pair of series circuits for separation 13 1 and 13 2 .

また、ダンピング抵抗R1 ,R2 は、各ジョセフソン接合J1 ,J2 のヒステリシス特性を調整するために接続するものであり、マッカンバー係数が1に比べて十分大きな値、例えば、5〜100にする。
なお、マッカンバー係数が5未満になると、電圧状態になった際の抵抗が小さく、また、ヒステリシスが小さくなるので望ましくない。
The damping resistors R 1 and R 2 are connected to adjust the hysteresis characteristics of the Josephson junctions J 1 and J 2 , and the McCamber coefficient is sufficiently larger than 1, for example, 5 to 100 To.
When the McCamber coefficient is less than 5, it is not desirable because the resistance when the voltage state is reached is small and the hysteresis is small.

また、合成回路12の出力は、室温環境あるいは低温環境にある半導体アンプのような半導体回路、またはLN変調器や半導体レーザ、あるいは超電導のフォトセンサなどに入力する。
なお、負荷回路15のインピーダンスは伝送線路(ケーブル)のインピーダンスを含め50Ωで終端することが多い。
The output of the synthesis circuit 12 is input to a semiconductor circuit such as a semiconductor amplifier in a room temperature environment or a low temperature environment, an LN modulator, a semiconductor laser, or a superconducting photosensor.
The impedance of the load circuit 15 is often terminated at 50Ω including the impedance of the transmission line (cable).

次に、超電導出力回路の動作原理を説明する。
図2(a)に示すように、例えば、出力ドライバ111 にSFQパルスからなる信号Aが入力されると、出力ドライバ111 がスイッチし出力電流I1 が流れると、負荷回路15は抵抗があるためI1 は最初、他方のドライバ112 に流れようとする。
しかし、図2(b)に示すように、分離用直列回路132 を構成するジョセフソン接合J2 にI1 +IBias/2の電流が流れてスイッチして電圧状態になることによって逆流を防止し、電流はIout として負荷回路15に供給される。
Next, the operating principle of the superconducting output circuit will be described.
As shown in FIG. 2 (a), for example, when the signal A consisting of SFQ pulses to the output driver 11 1 is input, the output driver 11 1 is switched output current I 1 flows, the load circuit 15 resistance Therefore, I 1 tries to flow to the other driver 11 2 at first.
However, as shown in FIG. 2 (b), the current of I 1 + I Bias / 2 flows through the Josephson junction J 2 constituting the separating series circuit 13 2 and switches to a voltage state to prevent backflow. and the current is supplied to the load circuit 15 as I out.

次に、図3(c)に示すように、出力ドライバ112 にπだけ遅延したSFQパルスからなる信号Bが入力すると、出力ドライバ112 がスイッチしてジョセフソン接合J2 が、図3(d)に示すようにリセットし超電導状態となる。 Next, as shown in FIG. 3 (c), when the signal B is inputted consisting SFQ pulses delayed by π to output driver 11 2, output driver 11 2 to switch the Josephson junction J 2, FIG. 3 ( As shown in d), the state is reset and becomes a superconducting state.

図4(e)に示すように、ジョセフソン接合J2 がリセットして電流I2 が流れると、今度は、分離用直列回路131 を構成するジョセフソン接合J1 にI2 +IBias/2の電流が流れてスイッチして電圧状態になることによって逆流を防止し、電流はIout として負荷回路15に供給される。 As shown in FIG. 4E, when the Josephson junction J 2 is reset and the current I 2 flows, this time, I 2 + I Bias / 2 is added to the Josephson junction J 1 constituting the separating series circuit 13 1. and current flows to prevent backflow by becoming voltage state by the switch, current is supplied to the load circuit 15 as I out.

次に、図4(f)に示すように、再び、図2(a)からの動作を繰り返すことによって、出力ドライバ111 と出力ドライバ112 はそれぞれが本来の動作をすることが可能になる。 Next, as shown in FIG. 4 (f), by repeating the operation from FIG. 2 (a) again, each of the output driver 11 1 and the output driver 11 2 can perform the original operation. .

図5は、周波数合成の結果の説明図であり、合成信号Cとして、信号A或いは信号Bの2倍の周波数(出力のデータレート)の出力が得られることになる。
このように、信号Aと信号Bの出力タイミングをπずらすためには、一つのSFQパルス信号をDEMUX(デマルチプレクサ)或いはシフトレジスタを用いて直並列変換して2つの並列出力に変換すれば良い。
FIG. 5 is an explanatory diagram of the result of frequency synthesis. As the synthesized signal C, an output having a frequency (output data rate) twice that of the signal A or the signal B is obtained.
As described above, in order to shift the output timing of the signals A and B by π, one SFQ pulse signal may be converted into two parallel outputs by serial-parallel conversion using a DEMUX (demultiplexer) or shift register. .

この本発明の実施の形態の超電導出力回路は、位相をπずらした場合には2倍の周波数(出力のデータレート)の出力が得られるが、信号Aと信号Bの出力タイミングを出力信号のパルス幅程度ずらすことによって、パルス幅を広くすることができる。   The superconducting output circuit according to the embodiment of the present invention can obtain an output of double frequency (output data rate) when the phase is shifted by π. By shifting about the pulse width, the pulse width can be widened.

図6は、パルス幅合成の結果の説明図であり、合成信号Cとして、信号A及び信号Bのパルス波形の重なり部分が略平坦出力となる広パルス幅信号が得られる。
このような、信号Aと信号Bの出力タイミングを出力信号のパルス幅程度ずらすためには、一つのSFQパルス信号をスプリッタ回路で2つの同じ信号に分割し、一方の信号を遅延回路を用いて、他方の信号との出力タイミング差が出力信号のパルス幅程度となるようにする。
FIG. 6 is an explanatory diagram of the result of the pulse width synthesis. As the synthesized signal C, a wide pulse width signal is obtained in which the overlapping portions of the pulse waveforms of the signal A and the signal B have a substantially flat output.
In order to shift the output timings of the signal A and the signal B by about the pulse width of the output signal, one SFQ pulse signal is divided into two identical signals by a splitter circuit, and one signal is delayed using a delay circuit. The output timing difference with the other signal is set to be about the pulse width of the output signal.

また、分離用直列回路131 ,132 を構成するジョセフソン接合J1 ,J2 は、電圧状態になっても多少のリーク電流は流れるので、電流遮断を確実にするために、複数のジョセフソン接合を直列接続しても良い。
図7は、各分離用直列回路131 ,132 を、2個のジョセフソン接合J11,J21及びジョセフソン接合J12,J22と一個の抵抗r1 ,r2 とで構成したものである。
In addition, since some leakage current flows through the Josephson junctions J 1 and J 2 constituting the separating series circuits 13 1 and 13 2 even when they are in a voltage state, a plurality of Josephson junctions J 1 and J 2 are used. Song junctions may be connected in series.
FIG. 7 shows that each series circuit for separation 13 1 , 13 2 is composed of two Josephson junctions J 11 , J 21, Josephson junctions J 12 , J 22 and one resistor r 1 , r 2. It is.

以上を前提として、次に、図8乃至図10を参照して本発明の実施例1の超電導出力回路を説明する。
図8は、本発明の実施例1の超電導出力回路の概念的構成図であり、入力信号を直並列変換して2つの並列出力に変換するDEMUX21、変換された各並列出力を各出力ドライバ231 ,232 へ伝送するジョセフソン伝送線(JTL)221 ,222 、各出力ドライバ231 ,232 の出力波形を合成する合成回路24とからなる。
なお、図においては、遅延回路25を設けているが、DEMUX21による分配タイミングが正確であれば、遅延回路25は必要ではない。
Based on the above, the superconducting output circuit according to the first embodiment of the present invention will now be described with reference to FIGS.
FIG. 8 is a conceptual configuration diagram of the superconducting output circuit according to the first embodiment of the present invention. The DEMUX 21 converts the input signal into series-parallel conversion into two parallel outputs, and the converted parallel outputs are output drivers 23. 1, 23 Josephson transmission line for transmitting the 2 (JTL) 22 1, 22 2, made of the output driver 23 1, 23 2 of the output waveform to the synthesis circuit 24.
Although the delay circuit 25 is provided in the drawing, the delay circuit 25 is not necessary if the distribution timing by the DEMUX 21 is accurate.

図9は、本発明の実施例1の超電導出力回路のインターフェイス部の具体的回路構成図であり、上述の図1の超電導出力回路における出力ドライバとして、図17に示したDC駆動のラッチ型ドライバを用いたものであり、ここでは、バッファ回路は省略している。
なお、ここでは、一対の出力ドライバは対称構造にする必要があるので、r1 =r2 とし、ジョセフソン接合J1 とジョセフソン接合J2 の臨界電流密度は同じに、且つ、R1 =R2 に設定している。
FIG. 9 is a specific circuit configuration diagram of the interface unit of the superconducting output circuit according to the first embodiment of the present invention. As an output driver in the superconducting output circuit of FIG. 1, the DC-driven latch driver shown in FIG. Here, the buffer circuit is omitted.
Here, since the pair of output drivers need to have a symmetrical structure, r 1 = r 2 , the critical current densities of the Josephson junction J 1 and the Josephson junction J 2 are the same, and R 1 = R 2 is set.

図10は、本発明の実施例1の超電導出力回路の動作のシミュレーション結果の説明図であり、ここでは、入力信号A,Bとして5GHzの入力信号を用いることによって、10GHzの出力信号が得られることが確認された。   FIG. 10 is an explanatory diagram of a simulation result of the operation of the superconducting output circuit according to the first embodiment of the present invention. Here, by using an input signal of 5 GHz as the input signals A and B, an output signal of 10 GHz is obtained. It was confirmed.

このように、本発明の実施例1においては、各回路の動作速度自体は5GHzのままで、回路構成を工夫することによって、2倍のデータレートの10GHzの出力が得られる。   Thus, in the first embodiment of the present invention, the operation speed itself of each circuit remains 5 GHz, and by devising the circuit configuration, an output of 10 GHz with a double data rate can be obtained.

したがって、プロセス技術を改良して各ジョセフソン接合の臨界電流密度を上げることによって、各出力ドライバの繰り返し周波数を20GHzにした場合には、40GHzのSFQパルス信号をDEMUXで互いの周期のずれがπの20GHzの2つの並列出力に変換して各出力ドライバに入力することにより、合成回路からは、SFQ出力回路と同じ40GHzの出力が得られる。   Therefore, when the repetition frequency of each output driver is set to 20 GHz by improving the process technology to increase the critical current density of each Josephson junction, the 40 GHz SFQ pulse signal is deviated from each other by DEMUX. The output is converted into two parallel outputs of 20 GHz and input to each output driver, whereby the same 40 GHz output as that of the SFQ output circuit can be obtained from the synthesis circuit.

次に、図11を参照して本発明の実施例2の超電導出力回路を説明するが、超電導出力回路の概念的構成は上記の実施例1と同様であり、出力ドライバの構成が異なるだけであるので、インターフェイス部の具体的回路構成図のみを示す。
図11は、本発明の実施例2の超電導出力回路のインターフェイス部の具体的回路構成図であり、上述の図1の超電導出力回路における出力ドライバとして、図16に示したAC駆動のスタック型ドライバを用いたものである。
なお、ここでも、バッファ回路は省略している。
Next, the superconducting output circuit according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 11. The conceptual configuration of the superconducting output circuit is the same as that of the first embodiment, except that the configuration of the output driver is different. Therefore, only a specific circuit configuration diagram of the interface unit is shown.
FIG. 11 is a specific circuit configuration diagram of the interface unit of the superconducting output circuit according to the second embodiment of the present invention. As an output driver in the superconducting output circuit of FIG. 1 described above, the AC-driven stacked driver shown in FIG. Is used.
Also here, the buffer circuit is omitted.

この第2の実施例においては、出力側に複数個のジョセフソン接合を接続したAC駆動のスタック型ドライバを用いているので、接続したジョセフソン接合の数に比例して出力電圧を大きくすることができ、例えば、2個のNb系のジョセフソン接合を接続した場合には、出力ロス分を差し引いても4mV程度の出力が得られ、GaAsMESFETで構成された半導体回路を駆動するのに充分である。   In the second embodiment, an AC-driven stack type driver in which a plurality of Josephson junctions are connected on the output side is used, so that the output voltage is increased in proportion to the number of connected Josephson junctions. For example, when two Nb Josephson junctions are connected, an output of about 4 mV can be obtained even if the output loss is subtracted, which is sufficient to drive a semiconductor circuit composed of GaAs MESFETs. is there.

次に、図12乃至図14を参照して本発明の実施例3の超電導出力回路を説明する。
図12は、本発明の実施例3の超電導出力回路の概念的構成図であり、演算等信号処理後のSFQパルス出力を同じ信号に分割するスプリッタ回路26、分割された各並列出力を各出力ドライバ231 ,232 へ伝送するジョセフソン伝送線(JTL)221 ,222 、一方の出力の入力タイミングをパルス幅程度ずらすための遅延回路25、各出力ドライバ231 ,232 の出力波形を合成する合成回路24とからなる。
Next, a superconducting output circuit according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 12 is a conceptual configuration diagram of the superconducting output circuit according to the third embodiment of the present invention. The splitter circuit 26 divides the SFQ pulse output after signal processing such as computation into the same signal, and outputs each of the divided parallel outputs. driver 23 1, 23 2 Josephson transmission line for transmitting the (JTL) 22 1, 22 2, one delay circuit for shifting the order of the pulse width input timing of the output 25, the output driver 23 1, 23 2 of the output waveform And a synthesis circuit 24 for synthesizing the signals.

図13は、本発明の実施例3の超電導出力回路のインターフェイス部の具体的回路構成図であり、基本的回路構成は図9に示した回路構成と同じであるが、ここでは、ジョセフソン接合J1 の臨界電流をジョセフソン接合J2 の臨界電流より小さくしている。
それに伴って、バイアス電流源からジョセフソン接合J1 に印加されるオフセット電流をジョセフソン接合J2 に印加される電流より小さくするために、r1 >r2 に設定してる。
なお、ここでも、バッファ回路は省略している。
FIG. 13 is a specific circuit configuration diagram of the interface unit of the superconducting output circuit according to the third embodiment of the present invention. The basic circuit configuration is the same as the circuit configuration shown in FIG. The critical current of J 1 is made smaller than the critical current of Josephson junction J 2 .
Accordingly, in order to make the offset current applied to the Josephson junction J 1 from the bias current source smaller than the current applied to the Josephson junction J 2 , r 1 > r 2 is set.
Also here, the buffer circuit is omitted.

図14は、本発明の実施例3の超電導出力回路の動作のシミュレーション結果の説明図であり、ここでは、入力信号A,Bとして半値幅が60psecで5GHzの入力信号を用いるとともに、遅延時間を30psecとした結果を示している。
図に示すように、パルス幅の広がった 出力信号Cが得られることが確認された。
FIG. 14 is an explanatory diagram of the simulation result of the operation of the superconducting output circuit according to the third embodiment of the present invention. Here, as the input signals A and B, an input signal having a half width of 60 psec and 5 GHz is used, and the delay time is set. The result is 30 psec.
As shown in the figure, it was confirmed that an output signal C having a wide pulse width was obtained.

この場合の動作としては、まず、出力ドライバ111 にSFQパルスからなる信号Aが入力されると、出力ドライバ111 がスイッチし出力電流I1 が流れると、負荷回路15は抵抗があるためI1 は最初、他方のドライバ112 に流れようとする。
しかし、分離用直列回路132 を構成するジョセフソン接合J2 にI1 +IBiasの電流が流れることによってスイッチして電圧状態になることによって逆流を防止し、電流はIout として負荷回路15に供給される。
The operation in this case, first, the output driver 11 signal A consisting of SFQ pulses 1 is input, the output driver 11 1 is switched output current I 1 flows, because the load circuit 15 have a resistance I 1 initially tries to flow to the other driver 11 two.
However, when a current of I 1 + I Bias flows through the Josephson junction J 2 constituting the separating series circuit 13 2 and switches to a voltage state to prevent a backflow, the current flows to the load circuit 15 as I out. Supplied.

次に、出力ドライバ112 に30psecだけ遅延したSFQパルスからなる信号Bが入力すると、出力ドライバ112 がスイッチしてジョセフソン接合J2 がリセットし超電導状態となる。
この時、出力ドライバ112 からの電流I2 が、電流I1 が流れているジョセフソン接合J1 にIBiasとともに逆方向に流れるが、ジョセフソン接合J1 の臨界電流密度が相対的に小さいので、電流I1 が流れている状態で徐々にスイッチして電圧状態になり、電流I2 の逆流を防止し、電流はパルス幅の広がった電流Iout として負荷回路15に供給される。
Next, when the signal B is inputted consisting SFQ pulses delayed 30psec to the output driver 11 2, the Josephson junction J 2 is reset to the superconducting state output driver 11 2 is switched.
At this time, the current I 2 from the output driver 11 2, flows into the Josephson junction J 1, which current I 1 is flowing in the opposite direction together with I Bias, the critical current density of Josephson junctions J 1 is relatively small Therefore, the current I 1 is gradually switched in a state where the current I 1 is flowing, so that a voltage state is obtained, the back flow of the current I 2 is prevented, and the current is supplied to the load circuit 15 as a current I out having a wide pulse width.

このように、本発明の実施例3においては、回路構成を工夫することによって、従来技術のままでパルス幅を拡大した出力を得ることができる。
したがって、プロセス技術を改良して各ジョセフソン接合の臨界電流密度を上げることによって、各出力ドライバの繰り返し周波数を20GHzにした場合には、20GHzのSFQパルス信号をスプリッタ回路で分割し、一方の出力をパルス波形の半値幅の半分程度遅延させて入力すると、合成回路からは、パルス幅が広がった20GHzの出力が得られる。
Thus, in the third embodiment of the present invention, by devising the circuit configuration, it is possible to obtain an output in which the pulse width is expanded with the conventional technique.
Therefore, when the repetition frequency of each output driver is set to 20 GHz by improving the critical current density of each Josephson junction by improving the process technology, the SFQ pulse signal of 20 GHz is divided by the splitter circuit, and one output Is input with a delay of about half the half width of the pulse waveform, an output of 20 GHz with a wide pulse width is obtained from the synthesis circuit.

以上、本発明の実施の形態及び各実施例を説明してきたが、本発明は実施の形態及び各実施例に記載された構成・条件等に限られるものではなく各種の変更が可能である。例えば、上記の実施例3においては、出力ドライバとして、DC駆動のラッチ型ドライバを用いているが、実施例2と同様に、AC駆動のスタック型ドライバを用いても良いものである。   Although the embodiments and examples of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the configurations and conditions described in the embodiments and examples, and various modifications can be made. For example, in the above-described third embodiment, a DC-driven latch-type driver is used as an output driver. However, similarly to the second embodiment, an AC-driven stack-type driver may be used.

また、上記の実施例1及び実施例3においては、確実な動作を得るために、出力側のジョセフソン接合を1個にしているが、プロセス技術が改善され、素子のバラツキが少なくなれば、複数個のジョセフソン接合を直列することができ、その場合には、接続個数に比例した出力電圧が得られる。   Further, in the above-described Example 1 and Example 3, in order to obtain a reliable operation, the output side Josephson junction is made one, but if the process technology is improved and the variation of the elements is reduced, A plurality of Josephson junctions can be connected in series, and in this case, an output voltage proportional to the number of connections can be obtained.

また、上記の各実施例においてはSFQ出力回路と半導体回路とを接続するインターフェイス回路として説明しているが、このような出力ドライバ構成のインターフェイス回路を用いることによって、高速で安定した動作が可能な超電導A/Dコンバータや超電導ディシタル回路を構成することができる。   In each of the above embodiments, the SFQ output circuit and the semiconductor circuit are described as interface circuits. However, by using the interface circuit having such an output driver configuration, high-speed and stable operation is possible. A superconducting A / D converter or a superconducting digital circuit can be configured.

本発明の実施の形態の超電導出力回路の原理的構成図である。It is a principle block diagram of the superconducting output circuit of the embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態の超電導出力回路の動作原理の途中までの説明図である。It is explanatory drawing to the middle of the operation | movement principle of the superconducting output circuit of embodiment of this invention. 本発明の実施の形態の超電導出力回路の動作原理の図2以降の途中までの説明図である。It is explanatory drawing to the middle after FIG. 2 of the principle of operation of the superconducting output circuit of embodiment of this invention. 本発明の実施の形態の超電導出力回路の動作原理の図3以降の説明図である。It is explanatory drawing after FIG. 3 of the principle of operation of the superconducting output circuit of embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における周波数合成の結果の説明図である。It is explanatory drawing of the result of the frequency synthesis | combination in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態におけるパルス幅合成の結果の説明図である。It is explanatory drawing of the result of the pulse width synthesis | combination in embodiment of this invention. 分離用直列回路を、2個のジョセフソン接合で構成した場合の回路構成図である。It is a circuit block diagram at the time of comprising the series circuit for isolation | separation by two Josephson junctions. 本発明の実施例1の超電導出力回路の概念的構成図である。It is a notional block diagram of the superconducting output circuit of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1の超電導出力回路のインターフェイス部の具体的回路構成図である。It is a concrete circuit block diagram of the interface part of the superconducting output circuit of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1の超電導出力回路の動作のシミュレーション結果の説明図である。It is explanatory drawing of the simulation result of operation | movement of the superconducting output circuit of Example 1 of this invention. 本発明の実施例2の超電導出力回路のインターフェイス部の具体的回路構成図である。It is a concrete circuit block diagram of the interface part of the superconducting output circuit of Example 2 of this invention. 本発明の実施例3の超電導出力回路の概念的構成図である。It is a notional block diagram of the superconducting output circuit of Example 3 of the present invention. 本発明の実施例3の超電導出力回路のインターフェイス部の具体的回路構成図である。It is a concrete circuit block diagram of the interface part of the superconducting output circuit of Example 3 of this invention. 本発明の実施例3の超電導出力回路の動作のシミュレーション結果の説明図である。It is explanatory drawing of the simulation result of operation | movement of the superconducting output circuit of Example 3 of this invention. 従来のSQUID型ドライバの回路構成図である。It is a circuit block diagram of the conventional SQUID type driver. 従来のAC駆動のスタック型ドライバの回路構成図である。It is a circuit block diagram of the conventional AC drive stack type driver. 従来のDC駆動のラッチ型ドライバの回路構成図である。It is a circuit block diagram of the conventional DC drive latch type driver.

符号の説明Explanation of symbols

111 ,112 出力ドライバ
12 合成回路
131 ,132 分離用直列回路
14 直流バイアス源
15 負荷回路
21 DEMUX
221 ,222 ジョセフソン伝送線
231 ,232 出力ドライバ
24 合成回路
25 遅延回路
26 スプリッタ回路
11 1 , 11 2 output driver 12 synthesis circuit 13 1 , 13 2 separation series circuit 14 DC bias source 15 load circuit 21 DEMUX
22 1 , 22 2 Josephson transmission line 23 1 , 23 2 output driver 24 synthesis circuit 25 delay circuit 26 splitter circuit

Claims (10)

レベル論理を発生する超電導単一磁束量子回路の出力ドライバを備えた超電導出力回路であって、二つの出力ドライバと、前記二つの出力ドライバからの出力波形を合成する出力合成回路とを備え、前記出力合成回路が前記二つの出力ドライバを分離するヒステリシスを有するジョセフソン接合と抵抗とからなる一対の直列回路を有するとともに、前記直列回路に直流オフセット電流を供給するバイアス電流源を有する超電導出力回路。 A superconducting output circuit comprising an output driver of a superconducting single flux quantum circuit that generates level logic, comprising two output drivers and an output synthesizing circuit that synthesizes output waveforms from the two output drivers, A superconducting output circuit having a pair of series circuits composed of a Josephson junction having a hysteresis and a resistor for separating the two output drivers, and a bias current source for supplying a DC offset current to the series circuit. 前記二つの出力回路に位相がπ異なる信号を入力し、前記入力した信号の2倍のデータレートの信号を出力する信号入力手段を備えた請求項1記載の超電導出力回路。 2. The superconducting output circuit according to claim 1, further comprising signal input means for inputting a signal having a phase difference of .pi. To the two output circuits and outputting a signal having a data rate twice that of the input signal. 前記信号入力手段が、デマルチプレクサまたはシフトレジスタのいずれかを備えている請求項2記載の超電導出力回路。 3. A superconducting output circuit according to claim 2, wherein said signal input means comprises either a demultiplexer or a shift register. 前記超電導単一磁束量子回路の出力を2分配する分配手段と、前記分配後の各出力を前記各出力ドライバに入力する信号のタイミング差を前記入力信号のパルス幅以内のタイミングでずらして入力する信号入力手段を有する請求項1記載の超電導出力回路。 The distribution means for distributing the output of the superconducting single-flux quantum circuit in two and the timing difference between the signals input to the output drivers after shifting the divided outputs are shifted by a timing within the pulse width of the input signal. The superconducting output circuit according to claim 1, further comprising a signal input means. 前記信号入力手段が、スプリッタ回路と遅延回路とを備えている請求項4記載の超電導出力回路。 5. The superconducting output circuit according to claim 4, wherein the signal input means includes a splitter circuit and a delay circuit. 前記各出力ドライバが、抵抗とインダクタンスの直列接続によるセルフリセット機能を有した直流駆動ラッチ型ドライバである請求項1乃至5のいずれか1項に記載の超電導出力回路。 6. The superconducting output circuit according to claim 1, wherein each of the output drivers is a DC drive latch type driver having a self-reset function by connecting a resistor and an inductance in series. 前記各出力ドライバが、出力側のジョセフソン接合が2個以上の交流駆動スタック型ドライバである請求項1乃至5のいずれか1項に記載の超電導出力回路。 6. The superconducting output circuit according to claim 1, wherein each of the output drivers is an AC driven stack type driver having two or more output-side Josephson junctions. 前記直列回路に供給する直流オフセット電流を、前記一対の直流回路の接続点を介して供給する請求項1乃至7のいずれか1項に記載の超電導出力回路。 The superconducting output circuit according to any one of claims 1 to 7, wherein a DC offset current supplied to the series circuit is supplied via a connection point of the pair of DC circuits. 前記各直列回路を構成するジョセフソン接合のマッカンバー係数が、5以上である請求項1乃至8のいずれか1項に記載の超電導出力回路。 The superconducting output circuit according to any one of claims 1 to 8, wherein a Mcson bar coefficient of a Josephson junction constituting each series circuit is 5 or more. 前記各直列回路を構成するジョセフソン接合が、複数のジョセフソン接合の直列回路からなる請求項1乃至9のいずれか1項に記載の超電導出力回路。 The superconducting output circuit according to any one of claims 1 to 9, wherein the Josephson junction constituting each series circuit comprises a series circuit of a plurality of Josephson junctions.
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