JPH03212019A - 超伝導回路の出力ドライバ装置 - Google Patents

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】 〔概要〕 超伝導回路の出力ドライバ装置に関し、高い出力電圧を
ローインピーダンスの負荷回路に取り出す際の動作安定
性向上を図る超伝導ｒｇＪ路の出力ドライバ装置を提供
することを目的とし、複数のジョセフソン接合および抵
抗を直列に接続した２＆ＩＩの分岐を互いに反対向きに
並列に接続して構成する電圧増大回路を備えた超伝導回
路の出力ドライバ装置において、前記電圧増大回路と出
力端子との間に、入力インピーダンスが高く、出力イン
ピーダンスが低い、インピーダンス変換回路を設けるよ
うに構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、超伝導回路の出力ドライバ装置に係り、詳し
くは、例えば、超伝導回路の出力ドライバ装置と動作温
度の異なる半導体デバイスによる半導体集積回路とのイ
ンターフェイスに用いて好適な超伝導回路の出力ドライ
バ装置に関する。

一般に、ジョセフソン素子を用いた論理回路の出力電圧
は、用いられる超伝導材料のギャップエネルギーの大き
さによって決まり、例えば、Ｎｂ（ニオブ）の場合には
約３ｍＶ程度である。このことは、消費電力が小さくて
すむという点で有利であるが、この出力電圧を他の論理
回路、例えば、常温で動作する半導体集積回路に出力す
る場合、この半導体集積回路の論理振幅（ＣＭＯ３で１
．５ｖ、ＧａＡｓＦＥＴで８００ｍＶ、バイポーラで４
００ｍＶ）に対してジョセフソン素子を用いた論理回路
の出力電圧はあまりにも小さすぎるので、負荷駆動能力
が充分に得られない。また、出力電圧が小さいと、外部
雑音による誤動作を起こす危険性が高くなる。

したがって、高い出力電圧を有する超伝導回路の出力ド
ライハ装置が必要となる。

〔従来の技術〕

従来の出力電圧の高電圧化を図った超伝導回路の出力ド
ライハ装置としては、例えば、特開昭６２１７１５５１
号公報に示すジョセフソンゲート回路がある。

第４図は、電圧増大回路としてのジョセフソンゲート回
路の回路図を示すものであり、この第４図において、ジ
ョセフソンゲート回路（以下、ジョセフソンドライバと
いう）１０は、ｎ個のジョセフソン接合Ｊｌｌ、　Ｊ１
２．・・・、Ｊｌｎを直列に接続した第１の接合群１１
と、この第１の接合群１２と同様にｎ個のジョセフソン
接合Ｊ２１．Ｊ２２．・・・＋Ｊ２ｎを直列に接続した
第２の接合群１２と、第１の接合群１１と接続される抵
抗Ｒ１と、第２の接合群１２と接合されるとともに、抵
抗Ｒ１と同値の抵抗Ｒ２とによりブリッジ回路を構成し
ているものであり、第１の接合群１１および第２の接合
群１２の各接合の臨界電流Ｉｓはほぼ等しくなっている
。なお、Ｐｉｎは入力端子、Ｐｏｕｔは出力端子、Ｐ　
Ｖｃｃはジョセフソンドライバ１０にバイアス電流を与
えるための端子である。

以上の構成において、端子Ｐ　Ｖｃｃからのバイアス電
流１ｂは、同図中−点鎖線で示すように、超伝導状態に
ある第１の接合群１１および第２の接合群１２にほぼ均
等に流される。すなわち、第１の接合群１１および第２
の接合群１２の各々に電流１ｂ／２が流される。そして
、この電流Ｉｂ／２が各ジョセフソン接合の臨界電流Ｉ
ｓよりも小さい場合、第１の接合群１１および第２の接
合群１２は共に超伝導状態が維持される。

このようなジョセフソンドライバｌＯに、入力端子Ｐｉ
ｎから同図中矢印Ａ方向に入力電流１ｉｎが流されると
、以下のような動作が行われる。

すなわち、入力電流Ｉｉｎが同図中破線で示すように、
第１の接合群１１から抵抗Ｒ２を介して第２の接合群１
２に流れ込み、この第２の接合群１２において、ｆｉｎ
　＋　（Ｉｂ／　２　）の電流が流されることとなる。

ここで、臨界電流Ｉｓが電流１ｉｎ　＋　（Ｉｂ／　２
　）よりも小さく設定されていれば、第２の接合群１２
の中のいくつかのジョセフソン接合が有電圧状態にスイ
ッチされる。このスイッチング動作により今まで第２の
接合群１２に流れていた電流１ｂ／２が第１の接合群１
１へと流れ込み、この流れ込んだ電流（この場合、（Ｉ
ｂ／２）　＋（Ｉｂ／２）　−１ｂ）は、第１の接合群
１１の各接合のｎ界雷流Ｉｓよりも充分に大きいので、
第１の接合群１１を構成する全てのジョセフソン接合が
速やかに有電圧状態にスイッチされ、バイアス電流１ｂ
の流路が断たれる。このバイアス電流ＩｂＯ流路が断た
れた結果、バイアス電流１ｂが第２の接合群１２へと流
れ込み、第２の接合群１２のまだスイッチしていない全
てのジョセフソン接合が有電圧状態にスイッチされる。

したがって、出力端子Ｐｏｕｔから取り出される出力電
圧Ｖｏｕｔは、各接合のギャップエネルギーを接合数（
この場合、ｎ）倍したものとなり、比較的大きな出力電
圧が得られ、負荷駆動能力が改善されるとともに、外部
雑音による誤動作の危険性が低減される。

（発明が解決しようとする課題〕 しかしながら、このような従来の超伝導回路の出力ドラ
イバ装置にあっては、端子Ｐ　Ｖｃｃから流されたバイ
アス電流１ｂが第１の接合群１１および第２の接合群１
２にほぼ均等に流されているとき、入力端子Ｐｉｎから
入力電流１ｉｎが流されることによってジョセフソンド
ライバ１０の全てのジョセフソン接合が有電圧状態にス
イッチされるという構成となっていたため、出力端子Ｐ
ｏｕｔに、例えば、半導体デバイスによる半導体集積回
路等の他の回路を接続した場合、通常、出力側の回路は
ローインピーダンスであるため、前記動作中、すなわち
入力電流Ｉｉｎが流され第１および第２の接合群の全て
が有電圧状態にスイッチする過程で、バイアス電流ｒｂ
の一部は出力端子Ｐｏｕｔから負荷回路側に流れてしま
い、このジョセフソンドライバ１０を構成する複数のジ
ョセフソン接合のスイッチング動作が不安定になるとい
う問題点があった。

そこで本発明は、高い出力電圧をローインピーダンスの
負荷回路に取り出す際の動作安定性向上を図ることを目
的としている。

〔課題を解決するための手段〕

本発明による超伝導回路の出力ドライハ装置は上記目的
達成のため、複数のジョセフソン接合および抵抗を直列
に接続した２組の分岐を互いに反対向きに並列に接続し
て構成する電圧増大回路を備えた超伝導回路の出力ドラ
イバ装置において、前記電圧増大回路と出力端子との間
に、入力インピーダンスが高く、出力インピーダンスが
低い、インピーダンス変換回路を備えている。

〔作用〕

本発明では、電圧増大回路から出力端子側を見るとハイ
インピーダンスとなり、この逆に、出力端子から電圧増
大回路を見るとローインピーダンスとなる。

したがって、電圧増大回路から出力端子へと流れ出す電
流が阻止され、電圧増大回路の動作安定性向上が図られ
る。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第１．２図は本発明に係る超伝導回路の出力ドライバ装
置の第１実施例を示す図である。

第１図は第１実施例の全体構成を示すブロック図である
。この第１図において、１は超伝導回路の出力ドライバ
装置であり、この出力ドライバ装置ｌは、超伝導集積回
路２、電圧増大回路３、インピーダンス変換回路４から
構成され、４．２Ｋに冷却されている。５は出力ドライ
バ装置１の出力端に接続される負荷回路であり、この負
荷回路５は冷却されておらず、動作環境温度は、例えば
、室温となっている。

第２図は第１実施例の具体的な構成を示す回路図である
。この第２図において、全てのジョセフソン接合は、例
えば、Ｎｂ／Ａ　ｌｏｘ／Ｎｂで製造されているものと
する。

超伝導集積回路２は、Ｍ　Ｖ　Ｔ　Ｌ　（Ｍｏｄｉｆｉ
ｅｄ　Ｖａ−ｒｉａｂｌｅ　Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ　Ｌｏ
ｇｉｃ）ゲート６からなり、このＭＶＴＬゲート６は、
インダクタンスＬ１とジョセフソン接合Ｊａ、Ｊｂとを
ループ内に有し、このループ内に端子Ｐ１からバイアス
電流ＩＢを流すとともに、ループのインダクタンスＬ１
と磁界結合したインダクタンスＬ２を介して入力端子Ｐ
ｉｎからの入力制御信号をループ内に流し込むものであ
り、入力制御信号のない状態ではジョセフソン接合Ｊａ
、Ｊｂが超伝導状態を保持して論理“０”を出力し、方
、入力制御信号のある状態ではジョセフソン接合Ｊａ、
Ｊｂが有電圧状態にスイッチして、論理“１”を出力す
るものである。なお、超伝導集積回路２中のＲ４，Ｒ５
は抵抗、ＲＬはバイアス抵抗であり、Ｊｘはジョセフソ
ン接合を表すものである。

電圧増大回路３は、第４図に示したジョセフソンドライ
バとほぼ同一であり、この第４図において従来例と同一
番号は同一部分を示している。本実施例では、バイアス
電流１ｂが端子Ｐ２から抵抗Ｒ３を介して流れる点と、
第１の接合群１１および第２の接合群に接続されたジョ
セフソン接合の個数がそれぞれ２０個である点とが異な
り、出力電圧はローレベルでＯｖ１ハイレベルで約６０
ｍＶとなっている。

インピーダンス変換回路４は、ＨＥＭＴ　（ＨｉｇｈＥ
ｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｏｂｉｌｉｔｙ　Ｔｒａｎｓｉｓｔ
ｅｒ）　７によるソースフォロワ回路８からなり、この
ソースフォロワ回路８は利得がほぼ１の同極性増幅器と
して働き、高い入力インピーダンスを低い出力インピー
ダンスに変換する。なお、Ｅｌ、　Ｅ２はＨＥＭＴ７の
電源、Ｃ１は直流阻止用のコンデンサ、Ｌ３は交流阻止
用のインダクタンス、９は出力伝送線路としての低イン
ピーダンス（例えば、５０Ω）の同軸ケーブル、Ｐｏｕ
ｔは出力端子である。

負荷回路５は半導体デバイス（例えば、ＨＥＭＴ、Ｇａ
Ａｓ、５１−ＭＯＳ、Ｓｉ−バイポーラ）による半導体
集積回路からなっており、抵抗ＲＲにより半導体集積回
路の入力インピーダンスを表わしている。なお、この負
荷回路５の動作環境温度は、例えば、室温となっている
。

次に、作用を説明する。

まず、超伝導状態にあるＭＶＴＬゲート６のループに端
子Ｐｉからジョセフソン接合Ｊａ、Ｊｂの臨界電流Ｉｓ
より小さなバイアス電流１Ｂが流されると、このＭＶＴ
Ｌゲート６のループは超伝導状態が維持される。この超
伝導状態で入力端子Ｐｉｎから入力制御信号が印加され
るとジョセフソン接合Ｊａ。

Ｊｂが有電圧状態にスイッチされ、Ｎｂ／Ａ　ｌＯｘ／
Ｎｂの場合、約３ｍＶの出力電圧が発生し、この超伝導
集積回路２の出力が電圧増大回路３のジョセフソンドラ
イバ１０に入力される。

ジョセフソンドライバ１０では、その出力側にインピー
ダンス変換回路４が設けられていることにより、ジョセ
フソンドライバ１０の出力側がハイインピーダンスとな
り、各ジョセフソン接合の臨界電流Ｉｓを２倍した値よ
りも小さな値のバイアス電流１ｂが端子Ｐ２から超伝導
状態にある第１の接合群１１および第２の接合群１２に
ほぼ均等に流される。

すなわち、第１の接合群１１および第２の接合群１２の
各々に電流１ｂ／２が流され、この電流Ｉｂ／２は各ジ
ョセフソン接合の臨界電流Ｉｓよりも小さいため、第１
の接合群１１および第２の接合群工２は共に超伝導状態
が維持される。

このようなジョセフソンドライバＩＯに、超伝導集積回
路２からの出力により電流が流されると、この電流が第
１の接合群１１から抵抗Ｒ２を介して第２の接合群１２
に流れ込み、この第２の接合群１２の中の少なくとも１
つのジョセフソン接合が有電圧状態にスイッチされる。

このスイッチング動作により今まで第２の接合群１２に
流れていた電流１ｂ／２が負荷となるコンデンサＣ１お
よびＨＥＭＴ７側には流れず、全て第１の接合群１１へ
と流れ込み、この流れ込んだ電流によって第１の接合群
１１を構成する全てのジョセフソン接合は速やかに有電
圧状態にスイッチする。これによって、第１の接合群１
１に流れるバイアス電流ＩｂＯ流路が断たれ、このバイ
アス電流１ｂが、ここでも負荷となるコンデンサＣ１お
よびＨＥＭＴ７側には流れず、全て第２の接合群１２へ
と流れ込み、第２の接合群１２のまだスイッチしていな
い全てのジョセフソン接合が有電圧状態にスイッチし、
ジョセフソンドライバ１０によって電圧増大された約６
０ｍＶの出力信号がインピーダンス変換回路を介して出
力端子から負荷回路に出力される。

このように本実施例では、電圧増大回路から出力側を見
るとハイインピーダンスとなっており、電圧増大回路の
２組の分岐に流されるバイアス電流が、そのスイッチン
グ過程において出力端子へと流れ出すことがないので、
電圧増大回路のスイッチング動作の安定性向上を図るこ
とができる。

なお、電圧増大回路のスイッチング動作の安定性向上を
図った結果、出力ドライバ装置１と、この出力ドライバ
装置１と動作温度の異なる半導体デバイス（例えば、Ｈ
ＥＭＴ、ＧａＡｓ、５１ＭＯ３，Ｓｉ−バイポーラ）に
よる半導体集積回路とのインターフェースが実現でき、
超伝導回路を種々の用途に用いることができる。

また、ＨＥＭＴ７は、温度の低下とともに、そのスイッ
チング性能が向上し高速に動作するため、本実施例にお
ける出力ドライバ装置１内は極低温（４，２Ｋ）に冷却
され、ＨＥＭＴ７の高速動作性を、さらに向上させてい
る。

次に、本発明の第２実施例を第３図に示し、その構成を
説明する。

第３図において、第２図に示した第１実施例と同一番号
は同一または相当部分を示す。本実施例ではインピーダ
ンス変換回路４をトランス１３によって構成する。すな
わち、−次側の巻線数を二次側の巻線数よりも多くし、
−次側のインピーダンス（−次巻線と負荷抵抗ＲＬ“に
よって決まる）の大きさをジョセフソンドライバ１０の
出力インピーダンスよりも１桁程度大きくすることによ
りジョセフソンドライハ１０のスイッチング動作が安定
化され、所望のインピーダンス変換（ハイインピダンス
からローインピーダンスへ）がなされるものである。

なお、上記第１実施例ではインピーダンス変換回路４に
ＨＥＭＴを用いているが、これに限らず、例えば、ＦＥ
Ｔを用いたソースフォロワ回路や、バイポーラトランジ
スタを用いたエミッタフォロワ回路であってもよい。

〔発明の効果〕

本発明では、・ジョセフソン接合のスイッチング動作を
安定して行い、高い出力電圧をローインビダンスの負荷
回路に取り出すことができる。

【図面の簡単な説明】

第１．２図は本発明に係る超伝導回路の出力ライハ装置
の第１実施例を示す図であり、第１図はその全体構成を
示すブロック図、第２図はその具体的な構成を示す回路
図、ド 第３図は本発明に係る超伝導回路の出力ドライハ装置の
第２実施例の具体的な構成を示す回路図、第４図は従来
のジョセフソンゲート回路を示す回路図である。 ｌ・・・・・・出力ドライハ装置、 ２・・・・・・超伝導集積回路、 ３・・・・・・電圧増大回路、 ４・・・・・・インピーダンス変換回路、５・・・・・
・負荷回路、 ６・・・・・・ＭＶＴＬゲート、 ７・・・・・・ＨＥＭＴ。 ８・・・・・・ソースフォロワ回路、 ９・・・・・・同軸ケーブル １０・・・・・・ジョセフソンドライバ、１１・・・・
・・第１の接合群、 １２・・・・・・第２の接合群。 し ４．２ｋ 出力ドライバ装置 第１実施例の全体構成を示すプロ、り回正１図 従来のジョセフソンゲート回路を示す回路間第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 複数のジョセフソン接合および抵抗を直列に接続した２
   組の分岐を互いに反対向きに並列に接続して構成する電
   圧増大回路を備えた超伝導回路の出力ドライバ装置にお
   いて、 前記電圧増大回路と出力端子との間に、入力インピーダ
   ンスが高く、出力インピーダンスが低い、インピーダン
   ス変換回路を設けたことを特徴とする超伝導回路の出力
   ドライバ装置。