JPH0222921A - 超伝導デジタル論理増幅器 - Google Patents

超伝導デジタル論理増幅器

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JPH0222921A
JPH0222921A JP1124091A JP12409189A JPH0222921A JP H0222921 A JPH0222921 A JP H0222921A JP 1124091 A JP1124091 A JP 1124091A JP 12409189 A JP12409189 A JP 12409189A JP H0222921 A JPH0222921 A JP H0222921A
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JP
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josephson junction
current
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josephson
series
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JP1124091A
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John X Przybysz
ジョン・クサビア・パヅイビヅ
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CBS Corp
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Westinghouse Electric Corp
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    • H03K19/195—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components using superconductive devices
    • H03K19/1954—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components using superconductive devices with injection of the control current
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ジョセフソン接合デジタル回路の信号を普通
の半導体デジタル回路へ供給出来るようにするような電
圧利得を有する超伝導デジタル論理増幅器に関する。
ジョセフソン接合は当該技術分野で周知である。米国特
許第４，４３２．１３４号「ジョーンズ外（Ｊａｍｅｓ
　ｅｔ　ａｔ）　Ｊ　、　４，２４２，４１９号ｒデイ
エム外（Ｄａｙｓｍ　ｅｔ　ａｌ）　Ｊ　、　４，２０
２，９５９号ｒクローガー（Ｋｒｏｇｅｔ）Ｊ　、およ
び３，８１８，８４５号「クオモ外（Ｃｕｏｍｏ　ｅｔ
　ａｌ）　Ｊは、ジョセフソン接合の構成およびその製
造方法についての種々の例を開示している。
ジョセフソン接合を用いる回路は米国特許第３．４５８
，７３５号ｒｙイスケ（Ｆｉｇｋｅ）　Ｊに示されてい
るが、該特許はそれぞれ独立別個の電磁制御手段を用い
て別個の制御電圧の和である出力電圧を得る方法を開示
している。　１９８５年東京で開催された第１７凹円体
装置会議の要約第１２３乃至１２Ｂ頁に掲載の中用外に
よる論文ｒ２相電源を有するジョセフソンカウンタ回路
Ｊには、ジョセフソン接合を用いてカウンタ回路のデー
タラッチ機能を得るジョセフソンデジタル回路が記載さ
れている。
最近における超伝導技術の進歩により超伝導回路をレー
ダー信号処理へ広く利用する道が開かれそうである。ジ
ョセフソン接合のピコ秒のスイッチング速度を、Ｘ帯域
の周波数で作動可能なアナログ−デジタル会コンバータ
に利用することができる。かかるアナログ−デジタル拳
コンバータの出力の記憶に用いることのできる高速シフ
トレジスタが開発中である。速いデータの流れを多重化
あるいは分離するためにも１０ギガヘルツのシフトレジ
スタを用いることができる。これらの進展は液体ヘリウ
ム温度（４°Ｋ）で作動する従来の金属超伝導体につい
てのものであるが、この技術は新しい高温セラミック超
伝導体にも一般的にあてはまるものである。
従って１本発明は、出力電流を有するジョセフソン接合
論理回路と高電圧半導体回路とをインターフェイスする
超伝導デジタル論理増幅器であって、ジョセフンン論理
回路の出力に接続される入力端子と、半導体回路の入力
に接続される出力端子と、入力端子に接続された第１の
端子と第２の端子を備え低い臨界電流を有する入力ジョ
セフソン接合と、低臨界電流の少なくとも３つのジョセ
フソン接合を直列接続した第１の直列接続ジ、セフソン
接合であって、入力ジョセフソン接合と直列に第１端子
に接続されて直列接続低臨界温度ジョセフソン接合を形
成し、入力ジョセフソン接合との低臨界温度ジョセフソ
ン接合の臨界電流が低電圧ジョセフソン接合回路の出力
電流よりも低い、第１の直列接続ジョセフソン接合と、
高い臨界電流を有する少なくとも４つのジョセフソン接
合を直列接続した第２の直列接続ジョセフソン接合であ
って、直列接続低臨界温度ジョセフソン接合と並列に接
続されて、出力端子に接続された一方の共通接続部と入
力ジョセフソン接合の第２端子に接続された他方の共通
接続部とを持つ並列回路を形成する第２の直列接続ジョ
セフソン接合と、並列回路の前記一方の共通接続部に接
続され高臨界電流ジョセフソン接合の臨界電流に少なく
とも等しい電流を有する直流パルス電流源とよりなるこ
とを特徴とする超伝導デジタル論理増幅器を提案する。
超伝導回路の典型的な論理レベルはＯｖと２．５ｍＶで
ある。超伝導回路を半導体回路とインターフェイスする
ためには、２．５ｍＶレベルを増幅して半導体論理回路
を駆動できるようにする必要がある。超伝導回路の出力
部の接続が錯綜するのを回避するため、データを高速度
（例えば５００−１０００メガヘルツ）で半導体回路へ
出力する必要がある、半導体増幅器は大抵、かかるデー
タ速度で増幅を行なうには少なくとも２０ｍＶの入力信
号を必要とする０本発明は例えば２．５■Ｖの入力信号
をギガヘルツのデータ速度で２５層Ｖの出力に増幅でき
るジョセフソン接合増幅器を提供する。普通、半導体回
路の論理レベルは５ｖであるため、本発明のジョセフソ
ン接合増幅器の出力を、手頃な値段でギガヘルツの速度
における利得が２００倍にすぎない半導体増幅器に入力
することができる。また、従来の金属超伝導体を用いる
場合この増幅信号により半導体論理回路を駆動すること
が可能である０例えば、イツトリウム−バリウム−銅−
酸化物のセラミック超伝導体は金属１例えばニオブの超
伝導体の約１０倍のエネルギーギャップを持つため１例
えば、本発明によるセラミック超伝導増幅器は２５曹Ｖ
の入力と２５０　ｍＶの出力を有するが、半導体論理回
路を駆動するには半導体増幅器は約２０倍の利得を持つ
必要があるにすぎないからこの超伝導増幅器の出力によ
り非常に安価な半導体増幅器を駆動することができるこ
とに注意されたい。
かくして、この超伝導デジタル論理増幅器は低電圧ジョ
セフソン接合回路（例えば２．５ｍＶあるいは２５ｍＶ
）と高電圧半導体回路の入力（典型的には半導体増幅器
）とをインターフェイスできる。
この増幅器は、ジョセフソン論理回路の出力に接続する
ための入力端子と、半導体回路の入力に接続するための
出力端子と、第１の端子と第２の端子を備え低い臨界電
流を有する入力ジョセフソン接合と、低臨界電流の少な
くとも３つの（例えば９個の）ジョセフソン接合を直列
接続した第１の直列接続ジョセフソン接合であって、入
力ジョセフソン接合の第１端子との共通接続部を持ち、
従って入力ジョセフソン接合と直列に接続されて直列接
続低臨界温度ジョセフソン接合を形成し、入力ジョセフ
ソン接合との共通接続部が入力端子に接続された、第１
の直列接続ジョセフソン接合と、高い臨界電流を有する
少なくとも４つの（例えば、８個の）ジョセフソン接合
を直列接続した第２の直列接続ジョセフソン接合であっ
て、直列接続低臨界温度ジョセフソン接合と並列に接続
されて、出力端子に接続された一方の共通接続部と入力
ジョセフソン接合の第２端子に接続された他方の共通接
続部とを持つ、第２の直列接続ジョセフソン接合と、前
記一方の共通接続部に接続された直流パルス電流源とを
備えている。
第１の直列接続低臨界温度ジョセフソン接合の接合およ
びスカシ１セフソン接合の低い臨界電流は、入力端子に
接続されるジョセフソン接合論理回路の出力電流よりも
低い、第２の直列接続ジョセフソン接合の高い臨界電流
は、前述の低い臨界電流よりは高いが直流パルス電流源
の電流に等しいかそれよりも低い、−船釣に、増幅器の
ジョセフソン接合部分はラッチとして働き、ジョセフソ
ン接合論理回路からの信号によりターンオンされて、直
流パルス電流源からのパルスの終期までオンの状態をｊ
１続する。
本発明の好ましい実施例は、金属超伝導体を用い、第１
の直列接続ジョセフソン接合として少なくとも９個のジ
ョセフソン接合と直列接続体の第１Ｏ番目の接合となる
スカシ１セフソン接合を有し、また第２の直列接続ジョ
セフソン接合には１０個のジョセフソン接合を用いて、
ジョセフソン接合の電圧の１０倍の出力電圧が得る。
以下、添付図面を参照して本発明を好ましい実施例につ
き詳細に説明する。
本発明の高速、低入力電圧増幅器は、半導体回路とのイ
ンターフェイスを行なうために高い出力電圧を発生する
。現在、非常に高価な半導体増幅器だけが超伝導論理回
路を半導体論理回路とインターフェイスさせるに必要な
ギガヘルツ速度において２０■Ｖ以下の信号電圧を感知
できる。
第１図は、電圧を４倍にする構成を示す、入力端子１０
は低い臨界電流を持つ入力ジョセフソン接合１２と第１
の直列接続ジョセフソン接合の低臨界温度ジョセフソン
接合１４との間に接続され、第１の直列接続ジョセフソ
ン接合と入力ジョセフソン接合１２とは直列接続体を形
成して第２の直列接続ジョセフソン接合と並列に接続さ
れる。入力ジョセフソン接合は、第１の端子１８と第２
の端子１８とを有し、第１の端子１６は第１の直列接続
ジョセフソン接合の一方の端部である入力端子１１０に
接続される。第２の直列接続ジョセフソン接合は高い臨
界電流を有するジョセフソン接合２２よりなるこれらの
並列回路は上方の共通接続部２４と下方の共通接続部２
日とを有し、下方の共通接続部２Ｂは入力ジョセフソン
接合１２の第２の端子１８に接続されている。直流パル
ス電流源２８が並列回路の上方の共通接続部２４に接続
され、出力端子３０もまた上方の共通接続部２４に接続
されている。
第２図は、シミレーションにより１０倍の電圧利得を持
つことが示された構成である。増幅器回路は単一のジョ
セフソン接合からの電圧を用いて１０個のジョセフソン
接合を抵抗状態にスイッチする効果的な手段を提供する
。入力信号を印加する前に、増幅器の直流パルス電流源
２８からの電流が第１および第２の直列接続ジョセフソ
ン接合（ジョセフソン接合１４および１２並びにジョセ
フソン接合２２）を介してアースに流れた。入力信号を
、印加すると、入力電流が直流電流源からの電流と結合
されて入力ジョセフソン接合１２が抵抗状態にスイッチ
された。そして、これらの電流は共にジョセフソン接合
２２をアースに向って流れようとした（これは、ジョセ
フソン接合２２がアースへの超伝導状態にある唯′−の
電流路であるからである）、シかしながら、これらの電
流は第２の直列接続ジョセフソン接合２２を抵抗状態に
スイッチした（これは、入力電流と直流電流源からの電
流を加えると高臨界電流ジョセフソン接合２２の臨界電
流よりも大きくなるからである）、そして最終的に、直
流電流源からの電流が超伝導状態にある８個のジョセフ
ソン接合１４と０．５０の抵抗３２を介してアースに流
れようとして、ジョセフソン接合１４も抵抗状態にスイ
ッチした。ここで、直流電源の電流は２０Ωの出力抵抗
３４へ向い、出力端子３０に出力電圧が現われる。そし
て、出力電圧は直列接続の１０個のジョセフソン接合の
電圧、即ち入力電圧の１０倍になることが可能である。
デジタル論理増幅器のスイッチングは、上述の牛用論文
に記載された４接合論理（４ＪＬ）　ＯＲゲートにおけ
るスイッチングシーケンスと同じである、これらのゲー
トは電流を論理回路を迂回するように流して入力と出力
の間を隔離するために用いられた。これらのゲートでは
２倍の電圧の上昇が得られるが、電圧増幅器として使用
するよう意図されたものではない、４接合論理ＯＲゲー
トは電流増幅を行なうために臨界電流比が３＝１で用い
られる場合が多い。
本発明のデジタル論理増幅器は非常に高速で、入力電圧
の印加と出力電圧の上昇との間のターンオン遅延は１４
ピコ秒にすぎない、これはジョセフソンＯＲゲートの入
力データ信号と応答との間の１０ピコ秒の遅延と比べて
も遜色がない、第２図において、入力端子１０と入力ジ
ョセフソン接合の第１端子１８との間には１．２Ωの増
幅器入力抵抗を用いる。第２図の増幅器入力は超伝導Ｏ
Ｒゲートからの入力電流を受けるものとして示したが、
超伝導ＯＲゲートは論理電流源３Ｂ（例えば１．３層Ａ
）、第１のジョセフソン接合４０（臨界電流は例えば０
．５層Ａ）、第２のジョセフソン接合４２（臨界電流は
例えば１．０ｍＡ　）　、　０．３Ωの抵抗４４および
０．１５０の抵抗４６を有する。データ端子４８に印加
される１、０ｍＡのデータ信号へのＯＲゲートの応答は
１０ピコ秒の遅延を有するが、デジタル論理増幅器の遅
延時間は１４ピコ秒であるためそれより僅かに遅いに過
ぎない第３図はコンピュータによるシミレーションの線
流れた電流を示す、電流源（論理電流源３８と直流パル
ス電流源２８）は最初の１０ピコ秒の開作動させた。デ
ータ″′１″のパルスが１５ピコ秒の時点で開始されて
、ＯＲゲートを作動し、５５ピコ秒の時点で下降した。
　ＯＲゲートが電流パルスを増幅器へ印加したが、その
パルスは約３０ピコ秒の時点で立上がり、　ＯＲゲート
の電源がＯに低下した約８０ピコ秒の時点で下降した。
増幅器の出力電流は入力電流の開始後１４ピコ秒の時点
で流れ始めた。そして増幅器の電源が０になる１１０ピ
コ秒の時点まで流れ続けた。出力電流の下降時間は１２
ピコ秒であった。増幅器の入力電圧と出力電圧を増幅器
の電源（直流パルス電源２８）の電流と共に第４図に示
す、入力電圧のスケールはｌ目盛１ｍＶであり、出力電
圧のスケールは１目盛１０ｍＶである。従って、入力電
圧は２．５ｍＶ、増幅器回路の出力電圧は２５■Ｖであ
った。
出力信号の立上り時間および下降時間がそれぞれ２０お
よび１２ピコ秒であることから、ひかえめに見積っても
この回路は１０ギガヘルツで動作するように調整できる
。
本発明の増幅器は、閾値を越える入力信号については出
力信号レベルが一定、例えば２５ｍＶ、であるため、線
形増幅器ではない、もちろん入力が閾値以下では出力は
Ｏｖである。また、この増幅器は入力信号の消滅後電源
の電流が低下するまで出力データをホールドするデータ
ラッチとして（動くことに注意されたい、−船釣に、ジ
、セフソン論理ゲートはこのラッチ作用を示す。
高温セラミック超伝導回路は従来の金属超伝導体の１０
倍の速度を持つと予想される。ニオブのような従来の金
属超伝導体の材料から来る限界は約７５０キガヘルツで
あるため、セラミック超伝導体の材料から来る回路のス
ピードは約７５００ギガヘルツであると予想される。
第２図に示した増幅器は１０倍の電圧利得を有する０例
えば２，５曹Ｖのジョセフソン論理信号を安価な半導体
増幅器へ入力できる２５■Ｖの信号へ増幅する。ジョセ
フソン接合増幅器は、多量のデータを単一のポートを介
して出力するためにギガヘルツの速度で作動可能である
。
叙上より、本発明の半導体増幅器は超伝導回路を半導体
回路とインターフェイスさせると言う重要な問題を解決
することが解る０本発明は、低電圧の超伝導論理信号を
半導体論理回路を駆動できる手頃な値段の半導体増幅器
へ印加するに適当な高電圧信号に変換可能なギガヘルツ
増幅器を提供する。
【図面の簡単な説明】
第１図は、超伝導デジタル論理増幅器の基本的な構成を
示すブロック図である。 第２図は、出力電圧が入力電圧の１０倍となる金属超伝
導体を用いた超伝導デジタル論理増幅器の実施例を示す
。 第３図は、入力と出力電流の変化をピコ秒で示したシミ
レーションによる性能分析グラフである。 第４図は、第３図と同様な、電流でなく電圧を示すグラ
フである。 １０争 １２・ １４・ ２２・ ２８・ ３０・ 入力端子 入力ジョセフソン接合 低臨界電流ジョセフソン接合 高臨界電流ジョセフソン接合 直流パルス電流源 出力端子 出願人：ウェスチングハウス拳エレクトリック中フーボ
レーシッン 代理人：加藤紘一部（ほか１名）

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）出力電流を有するジョセフソン接合論理回路と高
    電圧半導体回路とをインターフェイスする超伝導デジタ
    ル論理増幅器であって、ジョセフソン論理回路の出力に
    接続される入力端子と、半導体回路の入力に接続される
    出力端子と、入力端子に接続された第１の端子と第２の
    端子を備え低い臨界電流を有する入力ジョセフソン接合
    と、低臨界電流の少なくとも３つのジョセフソン接合を
    直列接続した第１の直列接続ジョセフソン接合であって
    、入力ジョセフソン接合と直列に第１端子に接続されて
    直列接続低臨界温度ジョセフソン接合を形成し、入力ジ
    ョセフソン接合との低臨界温度ジョセフソン接合の臨界
    電流が低電圧ジョセフソン接合回路の出力電流よりも低
    い、第１の直列接続ジョセフソン接合と、高い臨界電流
    を有する少なくとも４つのジョセフソン接合を直列接続
    した第２の直列接続ジョセフソン接合であって、直列接
    続低臨界温度ジョセフソン接合と並列に接続されて、出
    力端子に接続された一方の共通接続部と入力ジョセフソ
    ン接合の第２端子に接続された他方の共通接続部とを持
    つ並列回路を形成する第２の直列接続ジョセフソン接合
    と、並列回路の前記一方の共通接続部に接続され高臨界
    電流ジョセフソン接合の臨界電流に少なくとも等しい電
    流を有する直流パルス電流源とよりなることを特徴とす
    る超伝導デジタル論理増幅器。
  2. （２）第１直列接続ジョセフソン接合は少なくとも９個
    のジョセフソン接合より成り、第２直列接続ジョセフソ
    ン接合は少なくとも１０個のジョセフソン接合より成り
    、かくして高電圧半導体回路の電圧は低電圧ジョセフソ
    ン接合論理回路の電圧の１０倍になることがある特許請
    求の範囲第１項に記載の増幅器。
  3. （３）低臨界電流ジョセフソン接合の臨界電流は０．５
    ｍＡであり、高臨界電流ジョセフソン接合の臨界電流は
    約１．５ｍＡであることを特徴とする特許請求の範囲第
    １または２項記載の増幅器。
  4. （４）直流パルス電流源からの電流は約１．５ｍＡであ
    り、ジョセフソン接合論理回路の出力電流は約１．３ｍ
    Ａであることを特徴とする特許請求の範囲第３項に記載
    の増幅器。
JP1124091A 1988-05-16 1989-05-16 超伝導デジタル論理増幅器 Pending JPH0222921A (ja)

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US07/194,688 US4859879A (en) 1988-05-16 1988-05-16 Superconducting digital logic amplifier
US194,688 1988-05-16

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