JPH0693610B2 - 超電導論理回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は論理回路に係り、特に交流電源駆動ジョセフソ
ン回路で構成されるフリップフロップ回路を有した超電
導論理回路に関する。

［従来の技術］ ジョセフソン素子は一般にラッチング動作を行う素子で
ある。このジョセフソン素子を超電導状態から電圧状態
にスイッチさせる場合には、ジョセフソン素子に与えら
れているゲート電流またはジョセフソン素子に結合して
いる制御線入力の何れかを一定の閾値以上に上昇させれ
ばよい。しかし，ジョセフソン素子を逆に電圧状態から
超電導状態にリセットするためには、ゲート電流を一度
オフにしなければならない。

このようなジョセフソン素子の動作方法及びその特徴を
用いた論理回路の構成法は例えば、アイ・イー・イー・
イー，ジャーナル・オブ・ソリッドステート・サーキッ
ト，ボリューム・エス・シー140,No.5,第783頁から第79
3頁（1979年10月）（IEEE, J.of Solid-State Circuits
Vol.SC-14,No.5,PP783−793,October 1979）に詳細に
記載されている。その内容の一部を第３図及び第４図を
用いて説明する。

第３図において磁束量子干渉型ゲート（以下「ゲート」
とする）111,112には交流電源母線101から給電抵抗121
を介してゲート電流が供給される。分流抵抗131,132は
ゲート111の内部に均等にゲート電流を与えるための抵
抗である。制御線入出力端子151,152はゲート111に接続
される。伝送線161はゲート111とゲート112を接続す
る。負荷抵抗181はゲート112に接続され、一端が接地さ
れている。

ゲート111に給電抵抗121からゲート電流を供給した状態
で、入力端子151から出力端子152に向けて制御線電流Ii
nを与えると，ゲート111は超電導状態から電圧状態にス
イッチし、伝送線161から負荷抵抗181に至る配線には出
力電流Ioutが流れる。

ゲート111またはゲート112の構造を第２図に示す。第２
図において211,212は分流抵抗である。221,222,223,22
4,231,232,233及び234はインダクタンスである。251,25
2及び253はジョセフソン接合である。241及び242はダン
ピング抵抗である。インダクタンス221,222,223及び224
はインダクタンス231,232,233及び234とそれぞれ磁気的
に結合している。このゲートはジョセフソン接合251,25
2とインダクタンス221,222の直列接続からなる第１の超
電導ループ及びジョセフソン接合252,253とインダクタ
ンス223,224の直列接続からなる第２の超電導ループを
含み、これら第１及び第２の超電導ループ上に含まれる
第１の接続点201と第２の接続点202はループ外の第３の
接続点203と分流抵抗211,212で接続されている。それぞ
れの超電導ループに共通に含まれる第４の接続点204に
向って第３の接続点203からゲート電流を印加した状態
で、インダクタンス221,222,223及び224とそれぞれ磁気
的に結合しているインダクタンス231,232,233及び234を
含む、端子205から端子206に至る制御線に電流を印加す
ることにより、前記ジョセフソン接合251,252及び253が
超電導状態から電圧状態にスイッチし、第１の接続点20
1または第２の接地点202と第４の接続点204との間に電
圧が発生する。

第４図はこのようなジョセフソン素子を用いた論理回路
の動作波形を示す。ゲート電流を定期的にオフにするた
めに電源母線101には交流の電圧波形401（Vs）が設定さ
れる。波形401は周期的にゼロ値を横切る過渡部分412と
その間の定常部分411とからなる。定常部分411の時間内
にゲート111に制御線電流402（Tin）が加わると出力電
流403（Iout）が現われる。出力電流Ioutは過渡部分412
の時間内で一度消失する。

電圧波形401（Vs）の周期は論理回路動作のクロックサ
イクルに相当する。ジョセフソン素子の性能を十分に発
揮するためにはこのクロックサイクルを1GHを程度に設
定することが必要と考えられている。

このようなクロックサイクルに関する１つの問題点はパ
ンチスルーと称される現象である。このパンチスルー現
象については、たとえばイー・ピー・ハリス他；“パン
チスルー・イン・ジョセフソン・ロジック・デバイセ
ズ,"アイ・イー・イー・イー，トランザクション オン
マグネティックス 第17巻１号1981年１月603−606頁 （E.P.Harris et al.a“Punchthrough in Josephson Lo
gic Devices,"IEEE Transaction on Magnetics,Vol.MAG
−18,No.1,January 1981）にその原理と発生態様が詳細
に説明されている。パンチスルー現象とは第４図におけ
る交流電源電圧の過渡部分412が数百ps以下と短い場合
に、前サイクルで電圧状態に遷移していたゲート111が
この過渡部分で超電導状態にリセットされないで電圧状
態がそのまま存続するという現象である。パンチスルー
現象の起こる確率は理想的な状態では過渡部分412を500
ps程度にすれば、10^-20以下の実用的には問題ない値に
なることが上記文献で予測されている。

ところが現実的な状況では上記文献の予測値より遥かに
大きい確率でパンチスルーに類似した現象が起こる。そ
れは第３図において伝送線161のインピーダンスが、負
荷抵抗181より高く、整合がとれておらず、さらに、ゲ
ート111の構造として第２図におけるインダクタンス22
1,222,233及び224の値とジョセフソン接合251,252及び2
53の臨界電流値が高い場合に起こる。

このような場合、ゲート111からみた負荷はインダクタ
ンス性になるということ、ゲート111の閾値特性曲線
（所定の制御線電流値に対して、超電導状態に破らずに
流しうるゲート電流の最大値の軌跡）は第５図に示すよ
うに“フロア”部分（“山”と“山”の間の“谷”の部
分）の高さI_Fが“山”の部分の高さImoに比べて必ずし
も十分には小さくなるということの２つの問題が生じ
る。

第５図にはゲート111の閾値特性曲線501に重ねて、ゲー
ト111を直列に連ねた場合に、ゲート111に加わるゲート
電流及び制御線電流の値を座標とした動作点の軌跡502
を示す。

ゲート電流が定常値に達した状態（第４図の定常部分,4
11）で前段からの制御線入力が加わる前には動作点は51
1にある。しかし、ここで前段から制御線入力が加わり5
11から512に動作点が変化すると、動作点が閾値特性曲
線501の外に飛び出るため、ゲート111は超電導状態から
電圧状態に遷移し、ゲート電流が殆んど流れなくなるた
め、動作点は513に移る。次に交流電源電圧の過渡部分
（第４図の過渡部分412）で、ゲート電流が極性を反転
する時、ゲート電流は一度ゼロ（動作点514）となって
電圧状態から超電導状態にもどる。続いて超電導状態が
保たれながら閾値特性曲線の内部を514,515,516と動作
点が遷移する。

ここで、ゲート111の負荷のインダクタンス性が強く、
過渡部分412の時間が相対的に短い場合、動作点514から
516までの軌跡が（制御線電流≠０）の領域を辿ること
になる。さらに前述のように閾値特性曲線501のフロア
値I_Fがピーク値Imoに比べて十分には小さくない構造に
おいては、閾値特性曲線501の内部構造が問題となる。

一般に複数の超電導ループを含む磁束量子干渉型ゲート
の閾値特性曲線の内部には、複数の内部モードがあり、
それらのモード毎に固有の閾値を有するが、それらの閾
値の最大値が閾値特性501のような状態を示す。各内部
モードは超電導ループに含まれる量子磁束の数に対応し
ており、第２図に示す構造のゲートのように２個の超電
導ループを含むゲートで、各ループに０個及び１個の量
子磁束が含まれる状態を（0,1）モードと称する（第５
図の503）。

閾値特性曲線501の内部における、内部モードの境界
は、量子磁束の状態の遷移点を表わし、超電導状態と電
圧状態の境界を表わすわけではない。しかし、第５図に
おいて、514から516に亘る動作点の軌跡が515のおいて
（0,1）モードから他のモード（（0,0）モードである）
に移る時に、モード間遷移の衝撃でゲートが超電導状態
から電圧状態に誤スイッチしてしまう現象が発生する。
この現象は過渡部分412の過渡時間が短いほど起こりや
すくかつ確率的現象であるという点でパンチスルー現象
と類似しているが、ゲートの負荷がインダクタンス性で
ありかつ閾値特性曲線の内部モードのうち（0,1）モー
ドや（1,0）モードが大きく広がっている場合に顕著に
表われるという独特の特徴を有する。

［発明が解決しようとする問題点］ 上記従来技術は、磁束量子干渉型ゲートを用いた超電導
論理回路において交流電源電圧の極性反転時に動作点が
閾値特性曲線の内部モード境界を横切る時の衝撃で、超
電導状態から電圧状態への誤スイッチングが起きてしま
う現象について配慮がなされておらず、誤スイッチング
を抑えるために交流電源電圧の過渡時間を長くとらねば
ならず、従って、論理回路のクロックサイクルの短縮が
困難であった。

本発明の目的は、動作点が閾値特性の曲線の内部モード
境界を横切っても誤スイッチングが起きないような回路
構成を提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ 上記目的は、磁束量子干渉型ゲートに含まれるジョセフ
ソン接合とインダクタンスからなる超電導ループの各々
から、対称的に出力電流が取り出されるようにすること
により、達成される。

［作用］ 磁束量子干渉型ゲートに含まれるジョセフソン接合とイ
ンダクタンスからなる超電導ループの各各から対称的に
出力電流を取り出すためのゲートの結線法を第６図及び
第７図を用いて説明する。

第６図においてゲート111の第１の端子201と第２の端子
202は、ゲート外の新たな端子611とそれぞれ負荷抵抗14
1及び142を介して接続されており、端子611が出力電流
取出端子となって、ここに出力配線が接続される。

第３図に示した従来の回路ではゲート111の第２の端子2
02が出力電流取出端子を兼ねており、このために、ゲー
ト電流の極性反転時に、第２図におけるインダクタンス
223,224及びジョセフソン接合252,253からなる超電導ル
ープに集中的に流れ、ゲートを誤スイッチさせていた。

出力配線がインダクタンス性であると、ゲート電流の極
性反転時に、出力配線自身が電流源として働き、ゲート
側に過渡電流を与える。従って本来のゲート電流と同様
に、出力配線から戻ってくる過渡電流自身も、インダク
タンス221,222とジョセフソン接合251,252からなる第１
の超電導ループと、インダクタンス223,224とジョセフ
ソン接合252,253からなる第２の超電導ループに均等に
加えられるようにすることが必要である。

第６図の結線法では、出力配線から戻ってくる過渡電流
が負荷抵抗141,142を介して前記第１及び第２の超電導
ループに均等に加えられる。

一方、第７図の結線法では、ゲート電流供給端子203自
身が出力電流取出端子を兼ねている。出力配線から戻っ
てくる過渡電流は分流抵抗131,132を介して前記第１及
び第２の超電導ループに均等に加えられる。

このため上記結線法を用いたゲートにおいてはゲート電
流の極性反転時に、ゲートに含まれる特定の超電導ルー
プに過渡電流が集中することがなく、即ち超電導ループ
に含まれる特定のジョセフソン接合に過渡電流が集中す
ることがない。従ってこの時ゲートの閾値特性曲線の内
部モード境界を動作点が横切っても誤スイッチングが起
きることがない。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。本図
は第６図に示した出力電流の取出法を適用した回路構成
法を示すもので、第３図の従来例と異なるところは出力
配線の伝送線161の一方の端子が負荷抵抗141,142を介し
てゲート111の第１及び第２の端子に接続されているこ
とである。

負荷抵抗181は伝送線161の特性インピーダンスに整合さ
せるのが最良である。しかし、設計の都合上、特性イン
ピーダンスの方を高くとらなくてはならない場合でも、
第６図の構成法の採用により、パンチスルー類似の誤ス
イッチングの発生は最小限に抑えられる。極端な場合負
荷抵抗181を０として、負荷抵抗141,142のみをゲート11
1の負荷抵抗とすることも可能である。

ダンピング抵抗171は、ゲート111の制御線の有するイン
ダクタンスによる反射を緩和し、前記パンチスルー類似
の現象の発生を緩和する働きがある。

本発明の他の実施例を第８図により説明する。

本図は第７図に示した出力電流の取出法を適用した回路
構成法を示すもので、第３図の従来例と異なる所は出力
配線の伝送線161の一方の端子が、磁束量子干渉型ゲー
ト811の第３の端子に接続されていることである。

負荷抵抗181は、本実施例においては０にすることはで
きない。もし０にすると、ゲート811の第３の端子が接
地点に短絡されてしまい、ゲート811にゲート電流が全
然流れなくなってしまうからである。

第８図で使用されている磁束量子干渉型ゲート811,812
の構造を第９図に示す。第２図に示した構造と異なると
ころは、インダクタンス921値がインダクタンス922の値
より大きいこと、インダクタンス923の値がインダンタ
クス924の値より大きいこと、またはジョセフソン接合9
51,952,953の臨界電流値の比がn:（ｎ＋１）:1（ｎ＞
１）となっていることである。

このようなゲートの閾値電流特性を第10図に示す。

ここで特徴的なことは閾値特性曲線1001が（ゲート電流
軸）に対して非対称になっていることである。また他に
重要なことは、交流電源電圧が定常値に達しており、か
つ、未だ制御線入力が到来していない状態の動作点1011
が、制御線電流＝０の軸上にないことである。

これはゲート811の第３の端子から出力配線が取り出さ
れているため、ゲート811が超電導状態にあるため、若
干のバイアス電流が出力配線に分流されているためであ
る。このために、閾値特性曲線1001が非対称であるにも
拘らず、動作点1011が閾値特性曲線1001の“山”の中央
部に位置できるのである。

尚、第10図にはゲート811の動作点の軌跡1002も重ねて
示してある。

動作点が1011にある時、前段のゲートがスイッチして制
御線入力が加わり、動作点が1011から1012へ変化する
と、動作点が閾値特性曲線1001の外に飛び出るため、ゲ
ート811は超電導状態から電圧状態に遷移し、ゲート電
流が殆んど流れなくなるため動作点は1013に移る。次に
交流電源電圧の過渡部分で、ゲート電流が極性を反転す
る時、ゲート電流は一度ゼロ（動作点1014）となって電
圧状態から超電導状態にもどる。続いて超電導状態が保
たれながら閾値特性曲線の内部を1014から1016へ動作点
が遷移する。

ここで動作点が1011から1012へ移る時に横切る閾特性曲
線1001の一部分（第10図で点線で囲った1003の部分）の
勾配が急峻であればある程、ゲートの臨界電流値Imoの
ばらつきに対する動作マージンを広くとることができ
る。第２図のような対称構造のゲートでは、この勾配を
増そうとするとフロアの高さI_Fが必然的に上昇してきて
逆に動作マージンを狭める結果となり、結局動作マージ
ンに上限ができてしまう。

これに対して第９図のような非対称構造を用いると、イ
ンダクタンス921及び922の値及びインダクタンス923及
び924の値を比較的小さな値を抑えつつ、かつ1003の部
分の勾配を高くとることが可能である。インダクタンス
921及び922,インダクタンス923及び924の値が小さいと
フロアの高さI_Fが低く抑えられる。このため動作マージ
ンを広くとることができる。

非対称構造の他のメリットは、上記インダクタンス値が
小さいことと相俟って、（0,1）モードや（1,0）モード
の広さが小さく抑えられることである。このため、1014
から1016の動作点の軌跡が、これらのモード境界自体を
横切らなくなり、誤スイッチングを更に起こりにくくし
ている。

本発明の別の実施例を第11図により説明する。

本図は第６図と第７図に示したものの出力電流の取出法
の中間の方法を適用した回路構成法を示すものである。
第１図または第８図における分流抵抗131,132が抵抗110
1と1103及び1102と1104の２個ずつにそれぞれ分割され
ており、それぞれの結合点から別の抵抗1105,1106を介
して出力電流が取り出される。

本発明の更に別の実施例を第12図により説明する。本実
施例では第２図におけるダンピング抵抗241,242を抵抗1
201と1202,及び抵抗1203と1204にそれぞれ分割し、それ
ぞれの接続点1211及び1212から抵抗141,142を介して出
力電流を取り出すようにしたものである。

本発明の更に別の実施例を第13図により説明する。本実
施例では第12図における２つの分流抵抗に加えて第３の
分流抵抗133を用意し、磁束量子干渉型ゲート内の３接
点1311,1312,1313に同時に給電するようにしたものであ
る。

［発明の効果］ 以上説明した如く、本発明によれば、磁束量子干渉型ゲ
ートに含まれるジョセフソン接合とインダクタンスから
なる超電導ループの各から、対称的に出力電流が取り出
されるので、交流電源電圧の極性反転時に動作点が閾値
特性曲線の内部モード境界を横切る時の衝撃で、ゲート
が超電導状態から電圧状態に誤スイッチしてしまうのを
抑えることができ、動作の安定化に効果がある。

また、上記誤スイッチングが起こりにくいので交流電源
サイクルの過渡部分を短くすることができ、論理回路の
クロックサイクルの短縮に効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の超電導論理回路を示す図、
第２図は第１図で使用されている磁束量子干渉型ゲート
の回路を示す図、第３図は従来の超電導論理回路の構成
法を示す図、第４図は交流電源電圧による論理回路の動
作を示す図、第５図は第２図のゲートの閾値特性曲線及
びその動作点の軌跡を示す図、第６図は本発明による磁
束量子干渉型ゲートからの出力電流取出法を示す図、第
７図は本発明による他の出力電流取出法を示す図、第８
図は本発明の一実施例の超電導論理回路を示す図、第９
図は第８図で使用されている磁束量子干渉型ゲートの回
路を示す図、第10図は第９図のゲートの閾値特性曲線及
びその動作点の軌跡を示す図、第11図，第12図及び第13
図は本発明の超電導論理回路の他の実施例を示す図であ
る。 101……交流電源母線 111,112,811,812……磁束量干渉型ゲート 121……給電抵抗 131,132,211,212,1101,1102,1103,1104……分流抵抗 141,142,181,1105,1106……負荷抵抗 151,152……制御線入力端子 161……出力配線の伝送線 171,241,242……ダンピング抵抗 221−224,231−234,921−924,913−934……インダクタ
ンス 251−253,951−953……ジョセフソン接合 411……交流電源電圧の定常部分 412……交流電源電圧の過渡部分

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ジョセフソン接合とインダクタンスからな
   る超電導ループ２個を含み、それぞれの超電導ループ上
   に存在する第１の端子と第２の端子はループ外の第３の
   端子と分流抵抗で接続されており、それぞれのループに
   共通に含まれる第４の端子に向って上記第３の端子から
   ゲート電流を印加した状態で、上記インダクタンスと磁
   気的に結合している第５の端子から第６の端子に至る制
   御線に電流を印加することにより、上記第１または第２
   の端子と第４の端子との間を超電導状態から電圧状態に
   遷移させしめる磁束量子干渉型ゲートからなる超電導論
   理回路において、上記ゲートの第１及び第２の端子を別
   の独立した第７の端子と抵抗でそれぞれ接続し、上記第
   ７の端子と接地点または片端を接地された抵抗の他端と
   を接続する超電導配線の一部に次段の磁束量子干渉型ゲ
   ートの制御線を含むことを特徴とする超電導論理回路。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項において、前記ゲー
   ト第３の端子と片端を接地された抵抗の他端とを接続す
   る超電導配線の一部に次段の磁束量子干渉型ゲートの制
   御線を含むことを特徴とする超電導論理回路。