JP5414031B2 - AC voltage generating circuit using Josephson element and AC voltage standard circuit - Google Patents

AC voltage generating circuit using Josephson element and AC voltage standard circuit Download PDF

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Description

本発明は、高い振幅を持つ理想的な滑らかな交流波形を発生することができるジョセフソン素子を用いた交流電圧発生回路、交流電圧標準回路及び交流電圧標準装置に関する。   The present invention relates to an AC voltage generation circuit, an AC voltage standard circuit, and an AC voltage standard device using a Josephson element capable of generating an ideal smooth AC waveform having a high amplitude.

現在、交流電圧等の計測器の校正の基準として交流電圧標準が用いられている。近年、電子機器の製造や通信計測などの産業において使用される計測器の測定精度の向上に伴い、高性能な交流電圧標準が望まれている。交流電圧標準とは、理想的な正弦波電圧を発生させる装置であり、より高い振幅及び周波数の電圧を、より高い精度で出力することが望まれている。   Currently, the AC voltage standard is used as a reference for calibration of measuring instruments such as AC voltage. In recent years, with the improvement of measurement accuracy of measuring instruments used in industries such as manufacture of electronic equipment and communication measurement, a high-performance AC voltage standard is desired. The AC voltage standard is an apparatus that generates an ideal sine wave voltage, and it is desired to output a voltage having a higher amplitude and frequency with higher accuracy.

超伝導技術分野において、ジョセフソン素子を用いた高性能な回路が開発されている。図4は、ジョセフソン素子の模式図である。ジョセフソン素子は、薄い障壁層2(絶縁体Insulatorまたは常伝導体Normal conductor)を2つの超伝導体(Superconductor)1で挟んだサンドイッチ構造を有したトンネル効果を利用する素子である。ジョセフソン素子はジョセフソン接合(SIS又はSNS接合)を備えている。ジョセフソン素子に対してある周波数fのマイクロ波を照射しておき、さらに電流を流すと、素子の両端にはマイクロ波の周波数fのみで決まる一定の電圧(V=hf/2e)が発生する。ここで、eは電気素量、hはプランク定数である。また電流を流さなければ、発生電圧は完全にゼロとなる。ここで流す電流をバイアス電流と呼ぶ。図5は、ジョセフソン素子におけるバイアス電流Iと電圧Vの関係を示す図である。図5に示すように、バイアス電流の値を制御することで、素子の両端にはマイクロ波の周波数fによってのみ決まる高精度定電圧ステップ(hf/2e)が発生する。また、マイクロ波の周波数は非常に高精度で制御可能であるため、ジョセフソン素子の両端で得られる電圧値も非常に高精度に制御できる。しかし一般に、ジョセフソン素子1個あたりの電圧は数十μV程度と非常に小さい。そこで、必要な電圧(1V以上)を得るためには、ジョセフソン素子を数万個以上直列に接続したアレーを構成して、全体として1Vが得られるようにして用いている。   In the superconducting technology field, high-performance circuits using Josephson elements have been developed. FIG. 4 is a schematic diagram of a Josephson element. The Josephson element is an element utilizing a tunnel effect having a sandwich structure in which a thin barrier layer 2 (insulator insulator or normal conductor normal conductor) is sandwiched between two superconductors (superconductors) 1. The Josephson element has a Josephson junction (SIS or SNS junction). When a Josephson element is irradiated with a microwave of a certain frequency f and a current is further passed, a constant voltage (V = hf / 2e) determined only by the microwave frequency f is generated at both ends of the element. . Here, e is the elementary electric charge, and h is the Planck constant. If no current is passed, the generated voltage is completely zero. The current flowing here is called a bias current. FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the bias current I and the voltage V in the Josephson element. As shown in FIG. 5, by controlling the value of the bias current, a highly accurate constant voltage step (hf / 2e) determined only by the microwave frequency f is generated at both ends of the element. Further, since the frequency of the microwave can be controlled with very high accuracy, the voltage value obtained at both ends of the Josephson element can also be controlled with very high accuracy. However, in general, the voltage per Josephson element is as small as several tens of μV. Therefore, in order to obtain a necessary voltage (1 V or more), an array in which several tens of thousands of Josephson elements are connected in series is configured so that 1 V can be obtained as a whole.

現在、ジョセフソン素子を直列に接続したアレーを利用したプログラマブルジョセフソン電圧標準(programmable Josephson voltage standard: PJVS)方式が、知られている(特許文献1〜3参照)。プログラマブルジョセフソン電圧標準(PJVS)方式では、任意の直流電圧を発生させることができ、直流電圧標準(直流PJVS)として実用化されている。プログラマブルジョセフソン電圧標準(PJVS)アレーから任意の電圧を得るために、デジタル−アナログ変換器として動作させるための工夫がなされている。   Currently, a programmable Josephson voltage standard (PJVS) system using an array in which Josephson elements are connected in series is known (see Patent Documents 1 to 3). In the programmable Josephson voltage standard (PJVS) system, an arbitrary DC voltage can be generated, which is put into practical use as a DC voltage standard (DC PJVS). In order to obtain an arbitrary voltage from a programmable Josephson voltage standard (PJVS) array, a device for operating as a digital-to-analog converter has been devised.

直流電圧標準として実用化されているプログラマブルジョセフソン電圧標準(PJVS)を発展させて、交流電圧標準として、交流電圧を合成するための交流プログラマブルジョセフソン電圧標準(交流PJVS)の研究が進められている(非特許文献1参照)。   The Programmable Josephson Voltage Standard (PJVS), which has been put to practical use as a DC voltage standard, has been developed, and research on the AC Programmable Josephson Voltage Standard (AC PJVS) for synthesizing AC voltage has been promoted as an AC voltage standard. (See Non-Patent Document 1).

プログラマブルジョセフソン電圧標準(PJVS)は、任意振幅の電圧を発生させるために、デジタル−アナログ変換器として構成される。多数個のジョセフソン素子が直列接続されたアレーを、例えば2のべき乗に比例する素子数を持つようなセグメントに分割し、各セグメントに対してバイアス電流源を接続する構造からなる。バイアス電流が供給されたセグメントからは一定の高精度電圧が出力され、逆にバイアス電流をゼロにするとそのセグメントの電圧は完全にゼロとなる。このようにして各セグメントのバイアス電流のON/OFFを制御することによって、アレーから任意の値の電圧をプログラマブルに発生させることができる。   The programmable Josephson voltage standard (PJVS) is configured as a digital-to-analog converter to generate a voltage of arbitrary amplitude. An array in which a large number of Josephson elements are connected in series is divided into segments having the number of elements proportional to a power of 2, for example, and a bias current source is connected to each segment. A constant high-accuracy voltage is output from the segment supplied with the bias current. Conversely, when the bias current is set to zero, the voltage of the segment becomes completely zero. By controlling ON / OFF of the bias current of each segment in this manner, a voltage having an arbitrary value can be generated from the array in a programmable manner.

交流プログラマブルジョセフソン電圧標準(交流PJVS)の原理を以下に説明する。交流PJVSは、直流PJVSと基本的には同じ回路構成である。直流PJVSが直流のバイアス電流を供給し直流の高精度電圧を出力するのに対して、交流PJVSは、各セグメントに供給するバイアス電流(I0、I1、I2、・・・、In)のON/OFFを時間的に制御してアレーからの高精度電圧値VPJVSを時々刻々と変化させて正弦波電圧を合成する。 The principle of the AC programmable Josephson voltage standard (AC PJVS) will be described below. AC PJVS has basically the same circuit configuration as DC PJVS. The DC PJVS supplies a DC bias current and outputs a DC high-accuracy voltage, whereas the AC PJVS does not turn on / off the bias current (I0, I1, I2,..., In) supplied to each segment. The high-accuracy voltage value V PJVS from the array is changed momentarily to synthesize a sine wave voltage by controlling OFF in time.

図6は、交流電圧波形の例として正弦波電圧波形を発生するためのプログラマブルジョセフソン電圧標準(PJVS)の回路図である。図6の回路図は、プログラマブルジョセフソン電圧標準(PJVS)素子部61と、バイアス電流源を制御するための手段である、正弦波電圧波形入力装置64、パルスパターン変換装置65及びパルスパターン生成装置66を備えている。   FIG. 6 is a circuit diagram of a programmable Josephson voltage standard (PJVS) for generating a sinusoidal voltage waveform as an example of an alternating voltage waveform. The circuit diagram of FIG. 6 shows a programmable Josephson voltage standard (PJVS) element unit 61 and a sine wave voltage waveform input device 64, a pulse pattern conversion device 65, and a pulse pattern generation device, which are means for controlling a bias current source. 66.

プログラマブルジョセフソン電圧標準(PJVS)素子61は、ジョセフソン素子(×印)が直列に所定数個(例えば2のべき乗個)接続された区間(S0、S1、S2・・・、Sn。「セグメント」と呼ぶ。)に対してバイアス電流源(I0、I1、I2、・・・、In)を接続し、これらの区間(セグメントS0、S1、S2・・・、Sn)を直列に所定数接続する構造を備える。例えば、セグメントS0は2の0乗である1個の素子数、セグメントS1は、2の1乗である2個の素子数、セグメントS2は2の2乗である4個の素子数、セグメントS3は2の3乗である8個の素子数、そしてセグメントSnは2のn乗である2n 個の素子数からなる。 The programmable Josephson voltage standard (PJVS) element 61 includes sections (S0, S1, S2,..., Sn) in which a predetermined number (for example, powers of 2) of Josephson elements (x) are connected in series. Is connected to a bias current source (I0, I1, I2,..., In), and a predetermined number of these sections (segments S0, S1, S2,..., Sn) are connected in series. It has a structure to do. For example, segment S0 is the number of one element that is 2 to the power of 0, segment S1 is the number of 2 elements that is the power of 2, segment S2 is the number of 4 elements that is the square of 2, segment S3 Is the number of 8 elements, which is the cube of 2, and the segment Sn is composed of 2 n elements, which is the power of 2 n .

図7は、2のべき乗(2)の素子数のジョセフソン素子を直列に接続したセグメントSiにおけるバイアス電流Iと発生電圧V の電流電圧特性を示す図である。図7に示すように、バイアス電流を制御することで、各セグメントSiの両端には素子数とマイクロ波の周波数fによってのみ決まる高精度定電圧ステップV が発生する。各バイアス電流源をスィッチングして制御すると、対応するセグメントからは3値の電圧値V を得ることができる。各バイアス電流源を例えばゼロ/プラス/マイナスの3値で制御するとよい。
=(hf/2e)×a×2
ただし、a=0,+1,−1
FIG. 7 is a diagram showing current-voltage characteristics of the bias current I i and the generated voltage V i in the segment Si in which Josephson elements having the number of powers of 2 (2 i ) are connected in series. As shown in FIG. 7, by controlling the bias current, high-precision constant voltage step V i occurs which is determined only by the frequency f of the number of elements at both ends and a microwave of each segment Si. When each bias current source is switched and controlled, a ternary voltage value V i can be obtained from the corresponding segment. Each bias current source may be controlled by, for example, three values of zero / plus / minus.
V i = (hf / 2e) × a i × 2 i
However, a i = 0, +1, −1

そして、図6に示すように、パルスパターン生成装置66からの信号によりこれらのバイアス電流源を制御することによって、プログラマブルジョセフソン電圧標準(PJVS)素子のアレーから以下の式で表される任意の高精度で高振幅である電圧 Vout を得ることができる。プログラマブルジョセフソン電圧標準(PJVS)素子の電圧出力をVPJVSと表す。
Vout =(hf/2e)(a0×20+a1×21+・・・an×2n
ただし、a=0,+1,−1
Then, as shown in FIG. 6, by controlling these bias current sources by a signal from the pulse pattern generation device 66, an arbitrary expression represented by the following equation can be obtained from an array of programmable Josephson voltage standard (PJVS) elements. The voltage Vout having high accuracy and high amplitude can be obtained. The voltage output of the programmable Josephson voltage standard (PJVS) element is denoted as VPJVS .
Vout = (hf / 2e) (a 0 × 2 0 + a 1 × 2 1 +... A n × 2 n )
However, a i = 0, +1, −1

次に交流電圧標準の目的とするところの所望の交流周波数の正弦波電圧を合成した例を説明する。図8は、プログラマブルジョセフソン電圧標準方式により発生させた合成正弦波電圧波形の図である。任意の所望の交流周波数をfとおくとき、正弦波1周期T=1/fをN分割でサンプリングし、各サンプリング周期Ts=1/Nf毎にバイアス電流を切り替えて、その間プログラマブルジョセフソン電圧標準(PJVS)素子のアレーからの電圧が一定となるように動作させている。交流PJVSは、ジョセフソン素子を多段に接続することによって、1V以上もの高い電圧値を稼ぐことが容易であるという利点がある。各サンプリング時間は電圧を一定値に保持する必要性から、合成された電圧波形は真の正弦波形とはならず、階段状の波形により近似された擬似正弦波形になっている。   Next, an example in which a sine wave voltage having a desired AC frequency, which is the purpose of the AC voltage standard, is synthesized will be described. FIG. 8 is a diagram of a composite sine wave voltage waveform generated by the programmable Josephson voltage standard method. When an arbitrary desired AC frequency is set to f, a sine wave 1 period T = 1 / f is sampled by N division, and a bias current is switched every sampling period Ts = 1 / Nf, during which a programmable Josephson voltage standard (PJVS) The device is operated so that the voltage from the array of elements is constant. The AC PJVS has an advantage that it is easy to obtain a voltage value as high as 1 V or more by connecting Josephson elements in multiple stages. Since each sampling time needs to hold the voltage at a constant value, the synthesized voltage waveform is not a true sine waveform but a pseudo sine waveform approximated by a stepped waveform.

プログラマブルジョセフソン電圧標準(PJVS)方式以外の交流電圧標準方式として、高速単一磁束量子(Rapid Single Flux Quantum: RSFQ)回路に基づく方式(以下、「高速単一磁束量子方式交流電圧標準」または「RSFQ方式」)という。)がある(非特許文献2参照)。RSFQ方式は、PJVS方式同様ジョセフソン素子を用いているが、PJVS方式とは異なった原理で高精度電圧を発生する。   As an AC voltage standard method other than the programmable Josephson voltage standard (PJVS) method, a method based on a high-speed single flux quantum (RSFQ) circuit (hereinafter referred to as “high-speed single flux quantum method AC voltage standard” or “ RSFQ system ”). (See Non-Patent Document 2). The RSFQ method uses a Josephson element as in the PJVS method, but generates a high-accuracy voltage based on a principle different from that of the PJVS method.

高速単一磁束量子(RSFQ)方式交流電圧標準の原理を説明する。超伝導現象に関する基本性質の一つとして、磁束の量子化が挙げられる。超伝導体で構成されたリング内では磁束は量子化され、Φの整数倍の値のみを取りうる。Φとは量子化された磁束の最小単位であり、単一磁束量子(Single Flux Quantum、以下「SFQ」という)という。このSFQを情報担体とする高速単一磁束量子回路(Rapid SFQ:RSFQ回路)とは、数10ギガヘルツ以上の超高速動作と、低消費電力特性を特徴とする超伝導回路であり、次世代高性能集積回路として研究がなされている。この高速単一磁束量子回路を交流電圧波形生成に応用したものが高速単一磁束量子方式交流電圧標準である。図9は、高速単一磁束量子方式交流電圧標準の回路図である。高速単一磁束量子方式交流電圧標準は、主として、高精度電圧を出力するための超伝導量子干渉素子(Superconducting QUantum Interference Device: SQUID)アレー92と、それを超高速で駆動するための高速単一磁束量子回路(以後SQUIDアレー駆動回路とよぶ)93から構成される。超伝導量子干渉素子(SQUID)アレー92は、図9のように、2個のジョセフソン素子と2個のインダクタンスから構成されるSQUIDセル(SCi)がアレー状にN個(SC1、SC2、・・・・SCN)接続されたものである。SQUIDアレー駆動回路も同様にN個のセルに分割され(C1、C2、・・・CN:駆動セルとよぶ)、各SQUIDセル(SC1、SC2、・・・・SCN)とそれぞれ相互インダクタンスにより結合している。所望の電圧波形を電圧波形入力装置94に入力すると、パルスパターン変換装置95とパルスパターン生成装置96とを経由して、電圧波形はパルス密度変調されて0/1ビット系列へと変換される。パルス生成装置97からパルス系列Vinとして高速に出力される(i)。後段のSQUIDアレー駆動回路93とSQUIDアレー92は、パルス系列Vinを高精度量子化電圧パルスの系列に変換後、パルス密度復調を行うための回路である。以下その動作について述べる。生成された高速パルス系列VinがSQUIDアレー駆動回路93へ入力されると、同回路内にて量子化された電圧パルス(SFQパルス)の系列へと変換される(ii)。変換されたSFQパルスは、駆動セルC1から駆動セルCNへと上から下に伝搬していく。一方で各駆動セルは対応する各SQUIDセルと相互インダクタンスにより結合しており、駆動セルを通過したSFQパルスはこの結合を通してSQUIDセルに伝搬する。SQUIDセルにSFQパルスが入ると、SQUIDセルから直ちにSFQパルスが出力され、N段のSQUIDセルによってN倍の振幅を持つ高精度量子化パルスに増幅されて出力される(iii)。SQUIDアレーの後段には、実際には出力電圧を取り出すためにケーブル等が接続される。ケーブルの帯域は実際には有限であることから低域通過フィルタすなわち積分回路が接続されているのと等価であり、それによって高精度量子化電圧パルスの系列はパルス密度復調がかけられて、最終的には高精度な電圧波形出力VRSFQとして取り出すことができる(iv)。 The principle of the high-speed single flux quantum (RSFQ) AC voltage standard will be described. One of the basic properties related to the superconducting phenomenon is the quantization of magnetic flux. Flux in the ring constituted by superconductor is quantized, it can take on only integer multiple of the [Phi 0. Φ 0 is a minimum unit of quantized magnetic flux, and is called a single flux quantum (hereinafter referred to as “SFQ”). The high-speed single flux quantum circuit (Rapid SFQ: RSFQ circuit) using SFQ as an information carrier is a superconducting circuit characterized by ultra-high-speed operation of several tens of gigahertz and low power consumption characteristics. Research has been conducted on performance integrated circuits. The high-speed single flux quantum circuit AC voltage standard is an application of this high-speed single flux quantum circuit to AC voltage waveform generation. FIG. 9 is a circuit diagram of a high-speed single flux quantum AC voltage standard. The high-speed single-flux-quantum AC voltage standard is mainly composed of a superconducting quantum interference device (SQUID) array 92 for outputting a high-precision voltage and a high-speed single unit for driving it at an ultra-high speed. A magnetic flux quantum circuit (hereinafter referred to as a SQUID array driving circuit) 93 is formed. As shown in FIG. 9, the superconducting quantum interference element (SQUID) array 92 includes N SQUID cells (SCi) each composed of two Josephson elements and two inductances (SC1, SC2,. ... SCN) are connected. Similarly, the SQUID array driving circuit is divided into N cells (C1, C2,... CN: called driving cells) and coupled to each SQUID cell (SC1, SC2,... SCN) by mutual inductance. doing. When a desired voltage waveform is input to the voltage waveform input device 94, the voltage waveform is subjected to pulse density modulation and converted into a 0/1 bit sequence via a pulse pattern conversion device 95 and a pulse pattern generation device 96. The pulse generator 97 outputs the pulse series Vin at high speed (i). The SQUID array driving circuit 93 and the SQUID array 92 in the subsequent stage are circuits for performing pulse density demodulation after the pulse sequence Vin is converted into a high-precision quantized voltage pulse sequence. The operation will be described below. When the generated high-speed pulse series Vin is input to the SQUID array driving circuit 93, it is converted into a series of voltage pulses (SFQ pulses) quantized in the same circuit (ii). The converted SFQ pulse propagates from the top to the bottom from the drive cell C1 to the drive cell CN. On the other hand, each driving cell is coupled to each corresponding SQUID cell by mutual inductance, and the SFQ pulse that has passed through the driving cell propagates to the SQUID cell through this coupling. When the SFQ pulse is input to the SQUID cell, the SFQ pulse is immediately output from the SQUID cell, and is amplified to a high-precision quantized pulse having N times the amplitude by the N-stage SQUID cell (iii). A cable or the like is actually connected after the SQUID array to extract the output voltage. Since the cable bandwidth is actually finite, it is equivalent to a low-pass filter or integrating circuit connected, so that the sequence of high-precision quantized voltage pulses is subjected to pulse density demodulation and finally Specifically , it can be taken out as a highly accurate voltage waveform output V RSFQ (iv).

このRSFQ方式交流電圧標準では、このSFQパルスを担体として用いることで所望の電圧波形を合成する。SFQパルスとは、量子化されたピコ秒時間幅の電圧パルスであるため、これを必要な個数分発生させて制御することによって非常に高精度な任意電圧を得ることができるという利点がある。またRSFQ回路の持つ高速パルス密度変復調機能により、任意の高精度・広帯域な電圧波形を生成可能であるという利点がある。   In this RSFQ system AC voltage standard, a desired voltage waveform is synthesized by using this SFQ pulse as a carrier. Since the SFQ pulse is a quantized voltage pulse having a picosecond time width, there is an advantage that a highly accurate arbitrary voltage can be obtained by generating and controlling a necessary number of pulses. In addition, there is an advantage that an arbitrary high-precision and wide-band voltage waveform can be generated by the high-speed pulse density modulation / demodulation function of the RSFQ circuit.

さらに、プログラマブルジョセフソン電圧標準(PJVS)方式以外の交流電圧標準方式として、パルス駆動(Pulse Driven:PD)型交流電圧標準方式がある(特許文献4参照)。図10は、パルス駆動方式交流電圧標準の回路図である。パルス駆動方式交流電圧標準素子101は、約10000のジョセフソン素子を直列に接続したジョセフソン素子アレーの回路から構成され、両端から電圧VPDを出力する。所望の電圧波形情報を電圧波形入力装置134へ入力する。電圧波形入力装置134から出力された電圧波形情報は、パルスパターン変換装置138によりパルス密度変調が行われ、所定の電圧振幅情報をパルス密度情報へと変換する。この密度情報は、パルスパターン生成装置139によって0/1ビット系列に変換され、パルス生成装置140から高速パルス系列Vinとして出力される(i)。高速パルス系列Vinは、パルス駆動方式電圧標準素子101に入力されると、アレー内のジョセフソン素子によって量子化された高精度電圧パルスの系列に変換され、素子数に比例した振幅のパルス系列として出力される(ii)。ジョセフソン素子アレーには実際には出力電圧を取り出すためにケーブル等に接続される。ケーブルの帯域は実際には有限であることから低域通過フィルタすなわち積分回路が接続されているのと等価であり、それによって高精度量子化電圧パルスの系列はパルス密度復調がかけられて、最終的には高精度な電圧波形出力VPDとして取り出すことができる(iii)。 Further, as an AC voltage standard system other than the programmable Josephson voltage standard (PJVS) system, there is a pulse drive (PD) type AC voltage standard system (see Patent Document 4). FIG. 10 is a circuit diagram of a pulse drive AC voltage standard. The pulse drive type AC voltage standard element 101 is composed of a circuit of a Josephson element array in which about 10,000 Josephson elements are connected in series, and outputs a voltage V PD from both ends. Desired voltage waveform information is input to the voltage waveform input device 134. The voltage waveform information output from the voltage waveform input device 134 is subjected to pulse density modulation by the pulse pattern conversion device 138 to convert predetermined voltage amplitude information into pulse density information. This density information is converted into a 0/1 bit sequence by the pulse pattern generation device 139 and output as a high-speed pulse sequence Vin from the pulse generation device 140 (i). When the high-speed pulse series Vin is input to the pulse drive system voltage standard element 101, it is converted into a series of high-accuracy voltage pulses quantized by the Josephson elements in the array, and as a pulse series having an amplitude proportional to the number of elements. Is output (ii). The Josephson element array is actually connected to a cable or the like to extract the output voltage. Since the cable bandwidth is actually finite, it is equivalent to a low-pass filter or integrating circuit connected, so that the sequence of high-precision quantized voltage pulses is subjected to pulse density demodulation and finally Specifically, it can be taken out as a highly accurate voltage waveform output VPD (iii).

特開2004−172692号公報JP 2004-172692 A 特開2005−300317号公報JP 2005-300317 A 特表2000−514957号公報JP 2000-514957 A 特開2006−148271号公報JP 2006-148271 A

C.A.Hamilton,C.J.Burroughs,and R.L.Kautz, “Josephson D/A Converter with Fundamental Accuracy” IEEE Transactions on instrumentation and measuerement,vol.44,no.2,pp.223−225,April 1995.C. A. Hamilton, C.I. J. et al. Burroughs, and R.A. L. Kautz, “Josephson D / A Converter with Fundamental Accuracy”, IEEE Transactions on instrumentation and measurement, vol. 44, no. 2, pp. 223-225, April 1995. C.A.Hamilton, “Josephson Voltage Standard Based on Single−Flux−Quantum Voltage Multipliers” IEEE Transactions on applied superconductivity,vol.2,no.3,pp.139−142,Sep.1992.C. A. Hamilton, “Josephson Voltage Standard on Single-Flux-Quantum Voltage Multipliers” IEEE Transactions on applied superconductivity, vol. 2, no. 3, pp. 139-142, Sep. 1992.

プログラマブルジョセフソン電圧標準(PJVS)に基づく交流PJVSは、ジョセフソン素子を多段に接続することによって、1V以上もの高い電圧値を稼ぐことが容易であるという利点がある一方で、その原理上、合成された電圧波形は真の正弦波形とはならず、階段状の波形により近似された擬似正弦形になってしまう。また、バイアス電流の切り替え時刻において電圧波形は急峻に立ち上がる(または立ち下がる)ため、これに起因する高調波成分が含まれてしまう欠点がある。その高調波成分は出力ケーブルを通して伝送する際に減衰しやすく、電圧誤差の要因になるという問題がある。   The AC PJVS based on the programmable Josephson voltage standard (PJVS) has the advantage that it is easy to earn a voltage value as high as 1 V or more by connecting Josephson elements in multiple stages, but in principle it is synthesized. The voltage waveform thus made does not become a true sine waveform, but becomes a pseudo sine shape approximated by a stepped waveform. In addition, since the voltage waveform rises sharply (or falls) at the switching time of the bias current, there is a drawback that harmonic components resulting from this are included. The harmonic components tend to attenuate when transmitted through the output cable, causing a voltage error.

一方、高速単一磁束量子方式交流電圧標準は、RSFQ回路の持つ電圧パルスの量子性と高速パルス密度変復調機能により、任意の高精度・広帯域電圧波形を高速に合成可能であるという利点があるものの、回路構成が複雑で回路パラメータのばらつきの影響を受けやすい等の理由により、素子数を増やして電圧を稼ぐことが難しく、10mV以下程度の低い電圧しか得られない。よって、高速単一磁束量子方式交流電圧標準では、10mVを超える所望の電圧の振幅のものが得られないという問題がある。   On the other hand, the high-speed single flux quantum AC voltage standard has the advantage that any high-precision and wide-band voltage waveform can be synthesized at high speed due to the voltage pulse quantum nature and high-speed pulse density modulation / demodulation function of the RSFQ circuit. For example, it is difficult to increase the number of elements and increase the voltage because the circuit configuration is complicated and susceptible to variations in circuit parameters, and only a low voltage of about 10 mV or less can be obtained. Therefore, the high-speed single magnetic flux quantum AC voltage standard has a problem that a desired voltage amplitude exceeding 10 mV cannot be obtained.

また、パルス駆動方式交流電圧標準は、電圧パルスの量子性と高速パルス密度変復調機能により、任意の高精度・広帯域電圧波形を高速に合成可能であるという利点があるものの、終端抵抗において発生するコモンモードノイズによる不安定性により、素子段数を増やすことが難しく、100mV以下程度の低い電圧振幅しか得られないという欠点がある。   The pulse-driven AC voltage standard has the advantage of being able to synthesize any high-accuracy and wide-band voltage waveform at high speed due to the quantum nature of the voltage pulse and the high-speed pulse density modulation / demodulation function. Due to instability due to mode noise, it is difficult to increase the number of element stages, and there is a disadvantage that only a low voltage amplitude of about 100 mV or less can be obtained.

本発明は、これらの問題を解決しようとするものであり、高い振幅を持つ電圧波形を高精度に出力する交流電圧発生回路、交流電圧標準回路及び交流電圧標準装置を実現することを目的とするものである。さらに、本発明は、ジョセフソン素子を用いた回路において、交流PJVSの発生する階段状の疑似波形ではなく、より真の正弦波形に近い正弦波形を出力することを目的とし、1V以上の高い振幅を持つ正弦波電圧を出力することを目的とするものである。   The present invention is intended to solve these problems, and an object thereof is to realize an AC voltage generation circuit, an AC voltage standard circuit, and an AC voltage standard device that output a voltage waveform having a high amplitude with high accuracy. Is. Furthermore, the present invention aims to output a sine waveform closer to a true sine waveform, not a stepped pseudo waveform generated by AC PJVS, in a circuit using a Josephson element, and has a high amplitude of 1 V or more. It is intended to output a sine wave voltage having

そして、本発明は、上記目的を達成するために、以下の特徴を有するものである。   And this invention has the following characteristics, in order to achieve the said objective.

本発明のジョセフソン素子を用いた交流電圧発生回路は、ジョセフソン素子を所定数個直列接続してなるセグメントを複数個備え、各セグメントに印加するバイアス電流を制御することにより、階段状の交流電圧を発生する第1の回路と、量子化された電圧パルスを発生するジョセフソン素子からなる第2の回路とからなることを特徴とするものである。また、前記第1の回路として、プログラマブルジョセフソン電圧標準を用いることを特徴とする。   The AC voltage generation circuit using the Josephson element according to the present invention includes a plurality of segments each including a predetermined number of Josephson elements connected in series, and controls the bias current applied to each segment, thereby controlling a stepped AC current. It is characterized by comprising a first circuit for generating a voltage and a second circuit made of a Josephson element for generating a quantized voltage pulse. Further, a programmable Josephson voltage standard is used as the first circuit.

本発明の第2の回路は、所望の交流電圧波形と階段状の交流電圧波形との差分波形を出力することを特徴とするものである。本発明の交流電圧発生回路は、第1の回路と第2の回路を直列に接続して出力電圧の和を出力電圧とすることを特徴とするものである。本発明の交流電圧発生回路において、所望の交流電圧波形は、代表的には、正弦波波形であり、第2の回路は、正弦波の交流電圧波形と階段状の疑似正弦波波形との差分波形を出力することを特徴とするものである。   The second circuit of the present invention is characterized by outputting a differential waveform between a desired AC voltage waveform and a stepped AC voltage waveform. The AC voltage generation circuit of the present invention is characterized in that a first circuit and a second circuit are connected in series and the sum of the output voltages is used as the output voltage. In the AC voltage generation circuit of the present invention, the desired AC voltage waveform is typically a sine wave waveform, and the second circuit is the difference between the sine AC voltage waveform and the stepped pseudo sine waveform. A waveform is output.

本発明の第2の回路は、量子化された電圧パルスを用いてパルス密度変復調を行うことにより差分波形を合成して出力することを特徴とするものである。本発明の交流電圧発生回路は、第2の回路として、高速単一磁束量子方式の回路又はパルス駆動方式の回路を用いることを特徴とするものである。本発明の交流電圧発生回路は、1V以上の高い振幅を持つ理想的な滑らかな正弦波を合成することができる。   The second circuit of the present invention is characterized in that a differential waveform is synthesized and output by performing pulse density modulation / demodulation using a quantized voltage pulse. The AC voltage generation circuit of the present invention is characterized in that a high-speed single magnetic flux quantum circuit or a pulse drive circuit is used as the second circuit. The AC voltage generation circuit of the present invention can synthesize an ideal smooth sine wave having a high amplitude of 1 V or more.

本発明の交流電圧発生回路は、交流電圧標準に用いる回路であることを特徴とする。   The AC voltage generation circuit of the present invention is a circuit used for an AC voltage standard.

本発明の交流電圧標準装置は、本発明の交流電圧発生回路を備え、正弦波波形と疑似正弦波波形の差分波形を計算する手段を備えることを特徴とするものである。交流電圧標準装置において、少なくともジョセフソン素子を含む回路部分は超伝導のための低温状態に置かれている。   An AC voltage standard apparatus according to the present invention includes the AC voltage generation circuit according to the present invention, and includes means for calculating a differential waveform between a sine wave waveform and a pseudo sine wave waveform. In the AC voltage standard apparatus, at least a circuit portion including the Josephson element is placed in a low temperature state for superconductivity.

本発明によれば、ジョセフソン素子を用いた回路において、高い振幅を持つ電圧波形を高精度に出力する交流電圧を発生することができる。また、本発明の交流電圧標準回路や交流電圧標準装置によれば、交流PJVSの発生する階段状の疑似波形ではなく、より真の正弦波形に近似されているので、1V以上の高い振幅を持つ電圧波形を高精度に出力させることができ、滑らかで完全正確な正弦波電圧を合成することができる。また、交流電圧発生回路において、バイアス電流の切り替え時刻において電圧波形に起因する高調波成分が実質的に解消するので、電圧誤差がなくすことができる。また、第1の回路(例えばPJVS方式)と第2の回路(例えば、高速単一磁束量子方式の回路又はパルス駆動方式の回路)を組み合わせる形態としては、マルチチップ実装技術を用いてそれぞれの回路のチップを直列に接続することで作成すれば、簡単に作成できまた低コストで作成できる。また、これらのチップを1つのチップ内に集積すれば、より低コスト化が達成できる。   According to the present invention, it is possible to generate an alternating voltage that outputs a voltage waveform having a high amplitude with high accuracy in a circuit using a Josephson element. In addition, according to the AC voltage standard circuit and AC voltage standard device of the present invention, it is approximated to a more true sine waveform rather than a staircase-like pseudo waveform generated by AC PJVS, and thus has a high amplitude of 1 V or more. The voltage waveform can be output with high accuracy, and a smooth and completely accurate sine wave voltage can be synthesized. Further, in the AC voltage generation circuit, the harmonic component due to the voltage waveform is substantially eliminated at the switching time of the bias current, so that a voltage error can be eliminated. In addition, as a mode of combining the first circuit (for example, PJVS system) and the second circuit (for example, a high-speed single magnetic flux quantum circuit or a pulse drive circuit), each circuit using a multichip mounting technique is used. Can be created easily and at low cost. Further, if these chips are integrated in one chip, further cost reduction can be achieved.

本発明のジョセフソン素子を用いた交流電圧発生回路の第1の実施の形態の回路図。The circuit diagram of 1st Embodiment of the alternating voltage generation circuit using the Josephson element of this invention. 本発明を説明するための交流電圧波形を示す図。The figure which shows the alternating voltage waveform for demonstrating this invention. 本発明のジョセフソン素子を用いた交流電圧発生回路の第2の実施の形態の回路図。The circuit diagram of 2nd Embodiment of the alternating voltage generation circuit using the Josephson element of this invention. ジョセフソン素子の模式図。The schematic diagram of a Josephson element. ジョセフソン素子におけるバイアス電流Iと電圧Vの関係を示す図。The figure which shows the relationship between the bias current I and the voltage V in a Josephson element. 正弦波電圧波形を発生するためのプログラマブルジョセフソン電圧標準(PJVS)の回路図。FIG. 2 is a circuit diagram of a programmable Josephson voltage standard (PJVS) for generating a sinusoidal voltage waveform. セグメントにおけるバイアス電流と発生電圧の電流電圧特性を示す図。The figure which shows the current-voltage characteristic of the bias current and generated voltage in a segment. プログラマブルジョセフソン電圧標準方式により発生させた合成正弦波電圧波形の図。The figure of the synthetic | combination sine wave voltage waveform produced | generated by the programmable Josephson voltage standard system. 高速単一磁束量子方式交流電圧標準の回路図。The circuit diagram of a high-speed single flux quantum system AC voltage standard. パルス駆動方式交流電圧標準の回路図。The circuit diagram of a pulse drive system alternating voltage standard.

本願発明は、プログラマブルジョセフソン電圧標準方式(PJVS方式)と他の方式とを融合させてなるハイブリッド方式の交流波形出力回路である。   The present invention is a hybrid AC waveform output circuit obtained by fusing a programmable Josephson voltage standard system (PJVS system) and other systems.

(第1の実施の形態)
本発明のジョセフソン素子を用いた交流電圧波形出力回路の第1の実施の形態について、図1及び図2を参照して以下説明する。図1は、プログラマブルジョセフソン電圧標準(PJVS)方式とRSFQ方式交流電圧標準とを直列に接続して、両者のハイブリッド方式を実現した回路図である。図2は、本発明を説明するための交流電圧波形を示す図である。
(First embodiment)
A first embodiment of an AC voltage waveform output circuit using the Josephson element of the present invention will be described below with reference to FIGS. FIG. 1 is a circuit diagram in which a programmable Josephson voltage standard (PJVS) system and an RSFQ system AC voltage standard are connected in series to realize a hybrid system of both. FIG. 2 is a diagram showing an AC voltage waveform for explaining the present invention.

PJVS方式とRSFQ方式とを直列に接続し、両者の和電圧として理想的な正弦波電圧波形出力を得る。PJVS方式は、1V以上の高い振幅を持つ階段状の擬似正弦波形を生成する。そこで、真の正弦波形とその擬似正弦波形との間の差電圧を、連続的・広帯域な任意電圧波形を発生可能なRSFQ方式により生成する。これによって、PJVS方式とRSFQ方式の和電圧として、1V以上の振幅を持つ理想的な滑らかな正弦波を合成することが可能となる。   The PJVS system and the RSFQ system are connected in series, and an ideal sine wave voltage waveform output is obtained as the sum voltage of both. The PJVS method generates a step-like pseudo sine waveform having a high amplitude of 1 V or more. Therefore, the difference voltage between the true sine waveform and the pseudo sine waveform is generated by the RSFQ method capable of generating a continuous / broadband arbitrary voltage waveform. As a result, an ideal smooth sine wave having an amplitude of 1 V or more can be synthesized as the sum voltage of the PJVS method and the RSFQ method.

図1の回路は、プログラマブルジョセフソン電圧標準素子11と高速単一磁束量子方式交流電圧標準のSQUIDアレー12を直列に接続して構成されている。さらに、図1の回路は、正弦波−疑似正弦波差分波形計算装置17を備えていることを特徴とする。   The circuit of FIG. 1 is configured by connecting a programmable Josephson voltage standard element 11 and a SQUID array 12 of a high-speed single magnetic flux quantum system AC voltage standard in series. Further, the circuit of FIG. 1 includes a sine wave-pseudo sine wave difference waveform calculation device 17.

プログラマブルジョセフソン電圧標準素子11は、多数個のジョセフソン素子(×印)が直列接続されたアレーを、2のべき乗に比例する素子数を持つようなセグメント(S0、S1、S2、・・・Sn)に分割し、それらの各セグメントに対してバイアス電流源(I0、I1、I2・・・In)を接続する構造からなる。さらに、バイアス電流源を制御するために、正弦波電圧波形入力装置14、疑似正弦波波形用パルスパターン変換装置15及びパルスパターン生成装置16を備えている。正弦波電圧波形入力装置14は、所望の理想正弦波の電圧振幅・周波数情報を入力するための装置である。疑似正弦波波形用パルスパターン変換装置15は、従来例で説明した図8で図示した階段状となってしまう従来の正弦波波形を出力するためのパルスパターン変換装置65(図6)と同じでよい。これは、正弦波電圧波形入力装置14から得られた理想正弦波情報をもとに、これを階段状の擬似正弦波形に近似・変換する装置である。パルスパターン生成装置16は、擬似正弦波形を得るためのバイアス電流供給パターン(ゼロ/マイナス/プラス)を決定し、後段のバイアス電流源へ制御信号を送信するための装置である。この構成は、従来のプログラマブルジョセフソン電圧標準素子回路と同様である。プログラマブルジョセフソン電圧標準素子11は、高い振幅を持つ階段状の擬似正弦波形VPJVS (図2(a)参照)を出力する。 The programmable Josephson voltage standard element 11 is a segment (S 0, S 1, S 2,...) Of an array in which a large number of Josephson elements (×) are connected in series and having an element number proportional to a power of 2. Sn) and a bias current source (I0, I1, I2... In) is connected to each of these segments. Furthermore, in order to control the bias current source, a sine wave voltage waveform input device 14, a pseudo sine wave waveform pulse pattern conversion device 15 and a pulse pattern generation device 16 are provided. The sine wave voltage waveform input device 14 is a device for inputting voltage amplitude / frequency information of a desired ideal sine wave. The pseudo sine wave waveform pulse pattern conversion device 15 is the same as the conventional pulse pattern conversion device 65 (FIG. 6) for outputting the conventional sine wave waveform shown in FIG. Good. This is a device that approximates and converts this into a step-like pseudo sine waveform based on the ideal sine wave information obtained from the sine wave voltage waveform input device 14. The pulse pattern generation device 16 is a device for determining a bias current supply pattern (zero / minus / plus) for obtaining a pseudo sine waveform and transmitting a control signal to a subsequent bias current source. This configuration is the same as the conventional programmable Josephson voltage standard element circuit. The programmable Josephson voltage standard element 11 outputs a step-like pseudo sine waveform V PJVS (see FIG. 2A) having a high amplitude.

本発明の正弦波−疑似正弦波差分波形計算装置17は、正弦波電圧波形入力装置14の出力信号に基づく理想的な正弦波波形と、正弦波電圧波形入力装置14からの出力信号に基づきプログラマブルジョセフソン電圧標準素子11が出力する疑似正弦波波形との差分の波形を計算する。具体的には、正弦波電圧波形入力装置14から得られる理想正弦波情報と、擬似正弦波形用パルスパターン変換装置15から得られる擬似正弦波情報をもとに、それら両者の差分波形を計算する。正弦波−疑似正弦波差分波形計算装置17からの差分電圧波形情報に基づき、パルスパターン変換装置18は差分波形に対してパルス密度変調を行い、波形の振幅情報をパルス列の密度情報へと変換する。パルスパターン生成装置19は、パルス密度情報を0/1ビット系列へ変換・生成し出力する。パルス生成装置20は、0/1ビット系列をパルス信号系列へと変換し、Vinとして出力する。   The sine wave-pseudo sine wave differential waveform calculation device 17 of the present invention is programmable based on an ideal sine wave waveform based on the output signal of the sine wave voltage waveform input device 14 and an output signal from the sine wave voltage waveform input device 14. The difference waveform from the pseudo sine wave waveform output from the Josephson voltage standard element 11 is calculated. Specifically, based on the ideal sine wave information obtained from the sine wave voltage waveform input device 14 and the pseudo sine wave information obtained from the pseudo sine waveform pulse pattern conversion device 15, the difference waveform between them is calculated. . Based on the differential voltage waveform information from the sine wave-pseudo sine wave differential waveform calculation device 17, the pulse pattern conversion device 18 performs pulse density modulation on the differential waveform, and converts the waveform amplitude information into pulse train density information. . The pulse pattern generation device 19 converts and generates pulse density information into a 0/1 bit sequence and outputs it. The pulse generator 20 converts the 0/1 bit sequence into a pulse signal sequence and outputs it as Vin.

SQUIDアレー駆動回路13は、N個の駆動セル(C1、C2、・・・CN)を備えている。パルス生成装置20からのパルス信号系列Vinが同回路内に入力されると、量子化された高精度電圧パルス(SFQパルス)の系列に変換され、駆動セルC1から駆動セルCNへと上から下に伝搬していく。一方で各駆動セル(C1、C2、・・・CN)は、対応する各SQUIDセル(SC1、SC2、・・・SCN)と相互インダクタンスにより結合しており、駆動セルを通過したSFQパルスはこの結合を通してSQUIDセルに伝搬する。SQUIDセルにSFQパルスが入ると、SQUIDセルから直ちにSFQパルスが出力される。SFQパルス系列は最終的にはN倍の振幅を持つ高精度量子化電圧パルスの系列に増幅され、SQUIDアレー12から出力される。実際にはその後段には電圧を取り出すためのケーブルが接続されるが、それの周波数帯域は有限であることから帯域制限がかかり、その積分作用によってパルス密度復調がかけられて振幅情報に戻されて、最終的には高精度な任意電圧波形VRSFQとして出力される。 The SQUID array driving circuit 13 includes N driving cells (C1, C2,... CN). When the pulse signal series Vin from the pulse generator 20 is input into the circuit, it is converted into a quantized high-accuracy voltage pulse (SFQ pulse) series, and from the top to the bottom from the driving cell C1 to the driving cell CN. Propagate to. On the other hand, each driving cell (C1, C2,... CN) is coupled to each corresponding SQUID cell (SC1, SC2,... SCN) by mutual inductance, and the SFQ pulse passing through the driving cell is this Propagates to the SQUID cell through the combination. When an SFQ pulse is input to the SQUID cell, the SFQ pulse is immediately output from the SQUID cell. The SFQ pulse series is finally amplified to a series of high-precision quantized voltage pulses having an N-fold amplitude and output from the SQUID array 12. Actually, a cable for taking out the voltage is connected to the subsequent stage, but the frequency band is limited, so the band is limited, and the pulse density demodulation is performed by the integral action to return to the amplitude information. Finally, it is output as a highly accurate arbitrary voltage waveform V RSFQ .

このように、PJVSにより、高い振幅を持つ階段状の擬似正弦波形VPJVS を生成する。一方、差分波形計算装置により求めた差分を、広帯域任意波形の生成可能なRSFQ方式電圧標準で生成する(VRSFQ)。そして、PJVS素子の出力VPJVS とRSFQ方式電圧標準素子の出力VRSFQ のトータルの電圧(VPJVS +VRSFQ )として、正確な真の正弦波形を合成することができる。 In this way, a step-like pseudo sine waveform V PJVS having a high amplitude is generated by PJVS . On the other hand, the difference obtained by the difference waveform calculation device is generated by an RSFQ voltage standard that can generate a wideband arbitrary waveform (V RSFQ ). Then, as the output V PJVS and RSFQ system voltage output V RSFQ the total voltage of the standard elements of PJVS element (V PJVS + V RSFQ), can be synthesized accurate true sine wave.

ここで、図2は、本願発明の原理を説明するための図である。図2(a)は、プログラマブルジョセフソン電圧標準回路からの電圧波形を示す。背景技術の説明において図8でも示したように、階段状の擬似的な正弦波の波形を生成する。例えば1V以上の大きい振幅の波形を生成する。図2(b)は、RSFQ方式からの電圧波形を示す。真の正弦波波形と、PJVS方式の生成する擬似正弦波形との間の差電圧を、RSFQ方式により生成するものである。RSFQ方式によれば、振幅は高くはないが、任意の波形を高速に合成することができる。図2(c)は、PJVS方式とRSFQ方式の回路を直列に接続することにより、両者の電圧波形の和として、真の正弦波形を合成することを示す図である。PJVS方式とRSFQ方式との組み合わせによって、滑らかで理想的な正弦波形を合成することができる。   Here, FIG. 2 is a diagram for explaining the principle of the present invention. FIG. 2A shows a voltage waveform from the programmable Josephson voltage standard circuit. As shown in FIG. 8 in the description of the background art, a step-like pseudo sine wave waveform is generated. For example, a large amplitude waveform of 1 V or more is generated. FIG. 2B shows a voltage waveform from the RSFQ method. The difference voltage between the true sine wave waveform and the pseudo sine waveform generated by the PJVS method is generated by the RSFQ method. According to the RSFQ method, an arbitrary waveform can be synthesized at a high speed although the amplitude is not high. FIG. 2C is a diagram showing that a true sine waveform is synthesized as the sum of the voltage waveforms of both by connecting PJVS and RSFQ circuits in series. By combining the PJVS method and the RSFQ method, a smooth and ideal sine waveform can be synthesized.

図2(b)の波形を生成するための、図1におけるRSFQ方式の動作について以下詳しく説明する。図1において、正弦波−擬似正弦波差分波形計算装置17、パルスパターン変換装置18、パルスパターン生成装置19、パルス生成装置20、SQUIDアレー駆動回路13及びSQUIDアレー12が、主に該動作を行う。パルスパターン変換装置18は、正弦波−擬似正弦波差分波形計算装置17から得られた差分電圧波形情報に基づき、その差分波形に対してパルス密度変調を行い、差分波形の振幅情報をパルス列の密度情報へと変換する装置である。パルスパターン生成装置19は、パルス密度情報を0/1ビット系列へ変換・生成し出力する装置である。パルス生成装置20は、0/1ビット系列をパルス信号へと変換し出力する装置である。SQUIDアレー駆動回路13へ入力されたパルス系列Vinは、同回路内において直ちに量子化された高精度電圧パルス(SFQパルス)系列に変換される。SFQパルスの振幅は微小のため、十分な振幅を得るために増幅する必要があり、SQUIDアレー12と、それを駆動するためのSQUIDアレー駆動回路13を用いて量子性を維持したまま増幅する。SFQパルスへ変換された入力信号Vinは、その後SQUIDアレー駆動回路13内の駆動セルC1から駆動セルCNへと順次伝搬していく。各駆動セルはSQUIDセルと相互インダクタンスにより結合しており、SFQパルスが駆動セルを通過した瞬間に対応するSQUIDセルに伝搬し、直ちにSQUIDセルからSFQパルスとして出力される。このとき、N段のSQUIDセルの直列接続であるSQUIDアレー12からは、SFQパルスの振幅をN倍に増幅した高精度量子化電圧パルスとして出力される。以上、パルス密度変調されたパルス信号系列(i)はVinとしてSQUIDアレー駆動回路13へ入力後、SFQパルスの系列(ii)に変換され、その後SQUIDアレー12の直後の出力からN倍に増幅された高精度量子化電圧パルスの系列として出力される(iii)。これの後段に接続される低域通過フィルタによってパルス密度復調がかけられ振幅情報に戻されて、高精度な任意電圧波形として出力され、図2(b)の波形が生成される(iv)。   The operation of the RSFQ method in FIG. 1 for generating the waveform in FIG. 2B will be described in detail below. In FIG. 1, a sine wave-pseudo sine wave difference waveform calculation device 17, a pulse pattern conversion device 18, a pulse pattern generation device 19, a pulse generation device 20, a SQUID array drive circuit 13 and a SQUID array 12 mainly perform the operation. . The pulse pattern conversion device 18 performs pulse density modulation on the difference waveform based on the difference voltage waveform information obtained from the sine wave-pseudo sine wave difference waveform calculation device 17, and converts the amplitude information of the difference waveform into the pulse train density. It is a device that converts information. The pulse pattern generation device 19 is a device that converts, generates, and outputs pulse density information into a 0/1 bit sequence. The pulse generator 20 is a device that converts a 0/1 bit sequence into a pulse signal and outputs the pulse signal. The pulse series Vin input to the SQUID array driving circuit 13 is immediately converted into a highly accurate voltage pulse (SFQ pulse) series quantized in the circuit. Since the amplitude of the SFQ pulse is very small, it is necessary to amplify it in order to obtain a sufficient amplitude. The SQUID array 12 and the SQUID array driving circuit 13 for driving the SFQ pulse are amplified while maintaining the quantum property. The input signal Vin converted into the SFQ pulse is then propagated sequentially from the drive cell C1 in the SQUID array drive circuit 13 to the drive cell CN. Each drive cell is coupled to the SQUID cell by mutual inductance, and the SFQ pulse propagates to the SQUID cell corresponding to the moment when it passes through the drive cell, and is immediately output as an SFQ pulse from the SQUID cell. At this time, the SQUID array 12, which is a serial connection of N stages of SQUID cells, outputs a high-precision quantized voltage pulse obtained by amplifying the amplitude of the SFQ pulse N times. As described above, the pulse density modulated pulse signal sequence (i) is input as Vin to the SQUID array driving circuit 13 and then converted to the SFQ pulse sequence (ii), and then amplified N times from the output immediately after the SQUID array 12. Are output as a series of high-precision quantized voltage pulses (iii). A pulse density demodulation is performed by a low-pass filter connected to the subsequent stage, and the amplitude information is returned to be output as a highly accurate arbitrary voltage waveform to generate the waveform of FIG. 2B (iv).

(第2の実施の形態)
本発明のジョセフソン素子を用いた交流電圧波形出力回路の第2の実施の形態について、図3及び図2を参照して以下説明する。図3は、プログラマブルジョセフソン電圧標準(PJVS方式)素子とパルス駆動方式交流電圧標準素子とを直列に接続して、両者のハイブリッド方式を実現した回路図である。
(Second Embodiment)
A second embodiment of an AC voltage waveform output circuit using the Josephson element of the present invention will be described below with reference to FIGS. FIG. 3 is a circuit diagram in which a programmable Josephson voltage standard (PJVS system) element and a pulse drive system AC voltage standard element are connected in series to realize a hybrid system of both.

プログラマブルジョセフソン電圧標準素子(PJVS方式)とパルス駆動方式交流電圧標準とを直列に接続し、両者の和電圧として理想的な正弦波電圧波形出力を得る。PJVS方式は、1V以上の高い振幅を持つ階段状の擬似正弦波形VPJVSを生成する。そこで、真の正弦波形と擬似正弦波形VPJVSとの間の差電圧を、連続的・広帯域な任意電圧波形を発生可能なパルス駆動方式電圧標準により生成する。これによって、PJVS方式とパルス駆動方式電圧標準の和電圧として、1V以上の振幅を持つ理想的な滑らかな正弦波を合成することが可能となる。 A programmable Josephson voltage standard element (PJVS system) and a pulse drive system AC voltage standard are connected in series, and an ideal sine wave voltage waveform output is obtained as the sum voltage of both. The PJVS method generates a step-like pseudo sine waveform V PJVS having a high amplitude of 1 V or more. Therefore, the differential voltage between the true sine waveform and the pseudo sine waveform VPJVS is generated by a pulse drive system voltage standard that can generate an arbitrary voltage waveform having a continuous and wide band. As a result, an ideal smooth sine wave having an amplitude of 1 V or more can be synthesized as the sum voltage of the PJVS method and the pulse drive method voltage standard.

図3の回路は、プログラマブルジョセフソン電圧標準素子31とパルス駆動方式交流電圧標準素子32を直列に接続して構成されている。さらに、図3の回路は、正弦波−疑似正弦波差分波形計算装置37を備えている。   The circuit of FIG. 3 is configured by connecting a programmable Josephson voltage standard element 31 and a pulse drive AC voltage standard element 32 in series. Further, the circuit of FIG. 3 includes a sine wave-pseudo sine wave differential waveform calculation device 37.

プログラマブルジョセフソン電圧標準素子31は、多数個のジョセフソン素子(×印)が直列接続されたアレーを、2のべき乗に比例する素子数を持つようなセグメントに分割し、それらの各セグメントに対してバイアス電流源を接続する構造からなる。さらに、バイアス電流源を制御するために、正弦波電圧波形入力装置34、疑似正弦波波形用パルスパターン変換装置35及びパルスパターン生成装置36を備えている。正弦波電圧波形入力装置34は、所望の理想的な正弦波の電圧振幅・周波数情報を入力するための装置である。疑似正弦波波形用パルスパターン変換装置35は、従来例で説明した図8で図示した階段状となってしまう従来の正弦波波形を出力するためのパルスパターン変換装置65(図6)と同じでよい。これは、正弦波電圧波形入力装置34から得られた理想正弦波情報をもとに、これを階段状の擬似正弦波形に近似・変換する装置である。パルスパターン生成装置36は、擬似正弦波形を得るためのバイアス電流供給パターン(ゼロ/マイナス/プラス)を決定し、後段のバイアス電流源へ制御信号を送信するための装置である。この構成は、従来のプログラマブルジョセフソン電圧標準素子回路と同様である。プログラマブルジョセフソン電圧標準素子31は、高い振幅を持つ階段状の擬似正弦波形VPJVS (図2(a)参照)を出力する。 The programmable Josephson voltage standard element 31 divides an array in which a large number of Josephson elements (×) are connected in series into segments having the number of elements proportional to the power of 2, and for each of these segments The bias current source is connected. Further, in order to control the bias current source, a sine wave voltage waveform input device 34, a pseudo sine wave waveform pulse pattern conversion device 35, and a pulse pattern generation device 36 are provided. The sine wave voltage waveform input device 34 is a device for inputting voltage amplitude / frequency information of a desired ideal sine wave. The pseudo sine wave waveform pulse pattern conversion device 35 is the same as the pulse pattern conversion device 65 (FIG. 6) for outputting a conventional sine wave waveform that is stepped as shown in FIG. Good. This is a device that approximates and converts this into a step-like pseudo sine waveform based on the ideal sine wave information obtained from the sine wave voltage waveform input device 34. The pulse pattern generation device 36 is a device for determining a bias current supply pattern (zero / minus / plus) for obtaining a pseudo sine waveform and transmitting a control signal to a subsequent bias current source. This configuration is the same as the conventional programmable Josephson voltage standard element circuit. The programmable Josephson voltage standard element 31 outputs a step-like pseudo sine waveform V PJVS (see FIG. 2A) having a high amplitude.

本発明の正弦波−疑似正弦波差分波形計算装置37は、正弦波電圧波形入力装置34の出力信号に基づく理想的な正弦波波形と、正弦波電圧波形入力装置34からの出力信号に基づきプログラマブルジョセフソン電圧標準素子31が出力する疑似正弦波波形との差分の波形を計算する。具体的には、正弦波電圧波形入力装置34から得られる理想正弦波情報と、擬似正弦波形用パルスパターン変換装置35から得られる擬似正弦波情報をもとに、それらの両者の差分波形を計算する。正弦波−疑似正弦波差分波形計算装置37からの差分電圧波形情報に基づき、パルスパターン変換装置38は差分波形に対してパルス密度変調を行い、波形の振幅情報をパルス列の密度情報へと変換する。パルスパターン生成装置39は、パルス密度情報を0/1ビット系列へ変換・生成し出力する。パルス生成装置40は、0/1ビット系列をパルス信号へと変換し、Vinとして出力する。   The sine wave-pseudo sine wave difference waveform calculation device 37 of the present invention is programmable based on an ideal sine wave waveform based on the output signal of the sine wave voltage waveform input device 34 and an output signal from the sine wave voltage waveform input device 34. The waveform of the difference from the pseudo sine wave waveform output from the Josephson voltage standard element 31 is calculated. Specifically, based on the ideal sine wave information obtained from the sine wave voltage waveform input device 34 and the pseudo sine wave information obtained from the pulse pattern conversion device 35 for pseudo sine waveform, the difference waveform between them is calculated. To do. Based on the difference voltage waveform information from the sine wave-pseudo sine wave difference waveform calculation device 37, the pulse pattern conversion device 38 performs pulse density modulation on the difference waveform, and converts the waveform amplitude information into pulse train density information. . The pulse pattern generation device 39 converts and generates pulse density information into a 0/1 bit sequence and outputs it. The pulse generator 40 converts the 0/1 bit sequence into a pulse signal and outputs it as Vin.

パルス生成装置40によって生成された高速パルス信号系列は、パルス駆動方式電圧標準素子32へ入力される。これは、多数個(約10000個)のジョセフソン素子(×印)を直列に接続したジョセフソン素子アレーの回路から構成される。高速パルス信号系列Vinが入力されると、ジョセフソン素子アレーの両端VPDから高精度電圧波形が出力される。以下、その動作の詳細を説明する。図3においてパルス信号系列(i)がジョセフソンアレー32へVinとして入力されると、アレー内のそれぞれのジョセフソン素子において量子化された高精度電圧パルス(SFQパルス)系列に変換される(ii)。アレーは素子が直列接続されているため、素子の両端からは素子の数だけ増幅された高精度量子化電圧パルスの系列として出力される。実際にはその後段には電圧を取り出すためのケーブルが接続されるが、それの周波数帯域は有限であることから帯域制限がかかり、その積分作用によってパルス密度復調がかけられて振幅情報に戻されて、高精度な任意電圧波形VPDとして出力され、図2(b)の波形が生成される(iii)。 The high-speed pulse signal sequence generated by the pulse generator 40 is input to the pulse drive system voltage standard element 32. This is composed of a circuit of a Josephson element array in which a large number (about 10,000) of Josephson elements (x) are connected in series. When high-speed pulse signal sequences Vin is input, precision voltage waveform is output from both ends V PD Josephson element array. Details of the operation will be described below. In FIG. 3, when a pulse signal sequence (i) is input as Vin to the Josephson array 32, it is converted into a high-accuracy voltage pulse (SFQ pulse) sequence quantized in each Josephson element in the array (ii). ). Since the elements are connected in series, the array is output from both ends of the element as a series of high-precision quantized voltage pulses amplified by the number of elements. Actually, a cable for taking out the voltage is connected to the subsequent stage, but the frequency band is limited, so the band is limited, and the pulse density demodulation is performed by the integral action to return to the amplitude information. Then, it is output as a highly accurate arbitrary voltage waveform VPD , and the waveform of FIG. 2B is generated (iii).

プログラマブルジョセフソン電圧標準素子31の電圧波形出力VPJVS とパルス駆動方式電圧標準素子32の電圧波形出力VPDの和として、トータルの電圧(VPJVS +VPD )を得て出力することで、正確な真の正弦波形を合成する。1V以上の振幅を持つ理想的な滑らかな正弦波を合成することができる。 As the sum of the voltage waveform output V PD of the programmable Josephson voltage voltage waveform output V PJVS and pulse-voltage standard element 32 of the standard elements 31, by outputting to give a total voltage (V PJVS + V PD), exact Synthesize a true sine waveform. An ideal smooth sine wave having an amplitude of 1 V or more can be synthesized.

本発明を実施するにあたっては、第1の実施の形態の例であれば、PJVS方式とRSFQ方式とを組み合わせる形態としては、PJVSチップとRSFQチップとをマルチチップ実装技術を用いて直列に接続することで作成する。また、第2の実施の形態の例であれば、PJVS方式とパルス駆動方式電圧標準とを組み合わせる形態としては、PJVSチップとパルス駆動型電圧標準チップとをマルチチップ実装技術を用いて直列に接続することで作成する。また、これらのチップを1つのチップ内に集積することも考えられ、より低コスト化が達成できる。   In implementing the present invention, in the case of the example of the first embodiment, as a form of combining the PJVS system and the RSFQ system, the PJVS chip and the RSFQ chip are connected in series using a multichip mounting technique. Create it. In the example of the second embodiment, the PJVS chip and the pulse drive voltage standard chip are connected in series using a multichip mounting technique as a combination of the PJVS system and the pulse drive system voltage standard. To create. In addition, it is conceivable to integrate these chips in one chip, and further cost reduction can be achieved.

PJVS方式と、パルス駆動方式(あるいはRSFQ方式)とを直列に接続することによって理想的な正弦波電圧波形を合成する例を説明したが、パルス駆動方式の代わりにそれと類似の方式であるジョセフソン任意電圧波形合成方式を用いて差分波形を発生させて、PJVS方式と直列接続することによっても、理想的な交流正弦波波形を合成することができる。   Although an example in which an ideal sine wave voltage waveform is synthesized by connecting a PJVS system and a pulse driving system (or RSFQ system) in series has been described, Josephson, which is a similar system instead of the pulse driving system, is used. An ideal alternating current sine wave waveform can also be synthesized by generating a differential waveform using an arbitrary voltage waveform synthesis method and connecting it in series with the PJVS method.

また、本発明の交流電圧標準装置は、第1及び第2の実施の形態で記載したように、正弦波−疑似正弦波差分波形計算装置17や37のような、正弦波波形と疑似正弦波波形の差分波形を計算する手段を備える。ここで、本発明の交流電圧標準装置は、少なくともジョセフソン素子を含む回路部分は超伝導回路であるため低温状態に置かれている。   Further, the AC voltage standard apparatus of the present invention, as described in the first and second embodiments, has a sine wave waveform and a pseudo sine wave, such as the sine wave-pseudo sine wave difference waveform calculation devices 17 and 37. Means are provided for calculating a differential waveform. Here, the AC voltage standard apparatus of the present invention is placed in a low temperature state because at least the circuit portion including the Josephson element is a superconducting circuit.

本発明の交流電圧発生回路は、振幅の高い理想的な滑らかな正弦波波形が得られるので、交流電圧標準として、高精度である。一次標準や二次標準をはじめとし、企業現場の特に品質管理部門等においても有用である。   The AC voltage generation circuit of the present invention can obtain an ideal smooth sine wave waveform with high amplitude, and is therefore highly accurate as an AC voltage standard. It is useful not only for primary standards and secondary standards, but also for quality control departments in the workplace.

1、 超伝導体
2、 薄い障壁層
11、31、 プログラマブルジョセフソン電圧標準素子
12、 高速単一磁束量子方式交流電圧標準のSQUIDアレー
13、 SQUIDアレー駆動回路
14、34、 正弦波電圧波形入力装置
15、35、 疑似正弦波波形用パルスパターン変換装置
16、36、 パルスパターン生成装置
17、37、 正弦波−疑似正弦波差分波形計算装置
18、38、 パルスパターン変換装置
19、39、 パルスパターン生成装置
20、40、 パルス生成装置
32、 パルス駆動方式電圧標準
61、 プログラマブルジョセフソン電圧標準(PJVS)素子
64、 正弦波電圧波形入力装置
65、 パルスパターン変換装置
66、 パルスパターン生成装置
94、 電圧波形入力装置
95、 パルスパターン変換装置
96、 パルスパターン生成装置
97、 パルス生成装置
134、 電圧波形入力装置
138、 パルスパターン変換装置
139、 パルスパターン生成装置
140、 パルス生成装置
1, superconductor 2, thin barrier layer 11, 31, programmable Josephson voltage standard element 12, high-speed single-flux-quantum AC voltage standard SQUID array 13, SQUID array drive circuit 14, 34, sinusoidal voltage waveform input device 15, 35, Pulse pattern conversion device for pseudo sine wave waveform 16, 36, Pulse pattern generation device 17, 37, Sine wave-pseudo sine wave differential waveform calculation device 18, 38, Pulse pattern conversion device 19, 39, Pulse pattern generation Device 20, 40, Pulse generator 32, Pulse drive system voltage standard 61, Programmable Josephson voltage standard (PJVS) element 64, Sine wave voltage waveform input device 65, Pulse pattern converter 66, Pulse pattern generator 94, Voltage waveform Input device 95, Pulse pattern conversion device 9 The pulse pattern generator 97, a pulse generator 134, a voltage waveform input device 138, a pulse pattern converter 139, a pulse pattern generator 140, a pulse generator

Claims (6)

ジョセフソン素子を用いた交流電圧発生回路であって、
ジョセフソン素子を所定数個直列接続してなるセグメントを複数個備え、各セグメントに印加するバイアス電流を制御することにより、階段状の交流電圧を発生する第1の回路と、
量子化された電圧パルスを発生するジョセフソン素子からなる第2の回路とからなり、
前記第2の回路は、所望の交流電圧波形と前記階段状の交流電圧波形との差分波形を出力する回路であり、
前記第1の回路と前記第2の回路を直列に接続して各回路の出力電圧の和を出力電圧とすることを特徴とする交流電圧発生回路。
An AC voltage generation circuit using a Josephson element,
A first circuit that includes a plurality of segments each having a predetermined number of Josephson elements connected in series, and that generates a stepped AC voltage by controlling a bias current applied to each segment;
A second circuit comprising a Josephson element that generates a quantized voltage pulse,
The second circuit is a circuit that outputs a differential waveform between a desired AC voltage waveform and the stepped AC voltage waveform,
An AC voltage generating circuit, wherein the first circuit and the second circuit are connected in series and a sum of output voltages of the respective circuits is used as an output voltage.
前記所望の交流電圧波形は正弦波波形であり、前記階段状の交流電圧波形は階段状の疑似正弦波波形であり、前記第2の回路は、前記正弦波波形と前記階段状の疑似正弦波波形との差分波形を出力することを特徴とする、請求項1記載の交流電圧発生回路。 The desired AC voltage waveform is sinusoidal waveform, said stepped AC voltage waveform is a stepped pseudo sine waveform, the second circuit, the sine wave teeth shaped and the step-like pseudo 2. The AC voltage generation circuit according to claim 1, wherein a differential waveform from the sine wave waveform is output. 前記第2の回路は、量子化された電圧パルスを用いてパルス密度変復調を行うことにより前記差分波形を合成して出力することを特徴とする請求項1又は2記載の交流電圧発生回路。   3. The AC voltage generation circuit according to claim 1, wherein the second circuit synthesizes and outputs the differential waveform by performing pulse density modulation / demodulation using a quantized voltage pulse. 前記第2の回路は、高速単一磁束量子方式の回路を具備することを特徴とする請求項1又は2記載の交流電圧発生回路。   3. The AC voltage generation circuit according to claim 1, wherein the second circuit includes a high-speed single flux quantum circuit. 前記第2の回路は、パルス駆動方式の回路を具備することを特徴とする請求項1又は2記載の交流電圧発生回路。   The AC voltage generation circuit according to claim 1, wherein the second circuit includes a pulse driving circuit. 請求項1乃至5のいずれか1項記載の交流電圧発生回路を用いた交流電圧標準回路。   An AC voltage standard circuit using the AC voltage generation circuit according to claim 1.
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