JPH07170187A - ２進カウンタ間でトグルするｓｑｕｉｄ量子化器及び可変ヒステリシスｓｑｕｉｄを有する超電導アナログデジタル変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】双方向２進カウンタの内容を各サンプリング期
間の終わりで読み取るため手段を備えている超電導計数
Ａ／Ｄ変換器を提供する。 【構成】カウンタの内容を読み取るための技法の一つ
は、可変ヒステリシス量子化器を使用し、読取り時期に
おける電圧パルスの発生を抑止することによってアナロ
グ信号の変化を見落とさなくカウンタを読み取ることあ
る。他の技法では、トグリング量子化器を一つと、双方
向２進カウンタを２個使用することである。量子化器は
各サンプリング間隔の終わりに２個のカウンタ間をトグ
ルすることによって、一方のカウンタが読取られる間に
他方のカンウタがカウント中とすることが可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は全体としてアナログ・デ
ジタル変換器、殊に超電導ジョセフソン接合を使用した
高速・高精度のアナログ・デジタル変換器に関する。

【０００２】

【従来の技術およびその課題】今日、種々の商用・軍事
電子デバイスにおいて高性能のアナログ・デジタル（Ａ
／Ｄ）変換器が求められている。Ａ／Ｄ変換器の性能の
より重要な尺度の２つは、１秒あたりに変換されるサン
プル数で測定されるその速度と、１つのアナログ信号中
に検出可能な最小変化増分により測定される精度であ
る。超電導技術は、超電導電子デバイス中に使用される
基本的なスイッチング素子であるジョセフソン接合が速
度、感度、および周期応答特性のユニークな組合せを備
えているために、高速高精度のＡ／Ｄ変換を実行する上
でとりわけ好適である。ジョセフソン接合は簡単な双安
定スイッチングデバイスで２個の超電導電極間にサンド
イッチ状となったすこぶる薄い絶縁層を備えている。ジ
ョセフソン接合に供給される電流が同接合の臨界電流を
越えて大きくなると、デバイスは超電導ゼロ電圧状態か
ら抵抗性電圧状態へと切替えられる。上記抵抗性電圧は
デバイスを横切る電圧降下が超電導体材料のエネルギー
ギャップと等しくなり、接合に供給される電流をほぼゼ
ロにまで少なくすることによってスイッチオフされる。
このスイッチング動作は僅か数ピコセカンド中に発生可
能であるために、ジョセフソン接合は真に高速のスイッ
チング素子であるといえる。超電導Ａ／Ｄ変換器では一
個もしくはそれ以上のジョセフソン接合が一個もしくは
それ以上の誘導負荷と結合されることによってＳＱＵＩ
Ｄ、即ち超電導量子干渉装置と称される論理回路が形成
される。

【０００３】超電導Ａ／Ｄ変換の基礎を提供するＳＱＵ
ＩＤの特性は単接合ＳＱＵＩＤについて述べることによ
って最もよく理解することができよう。単接合ＳＱＵＩ
Ｄはインダクタンスを横切って接続されるジョセフソン
接合に過ぎないが、インダクタンス内へ注入される電流
とループ内の磁束との間に周期的な多値関係を呈する。
ループ内の磁束は、電流が小さく正確に反復可能な増分
値で増大する場合は常に微小量子だけ増加する。この磁
束量子は接合を横切って小さいが測定可能な電圧パルス
を発生させる。電流が上記と同等の増分で小さくなる
と、ループ内の磁束は微小量子だけ減少し接合を横切っ
てそれに対応する逆極性の電子パルスがつくりだされ
る。単接合ＳＱＵＩＤを使用して信号をアナログ形から
デジタル形に変換するためにはアナログ信号を可変電流
としてＳＱＵＩＤ内へ導入する。電流が所定値だけ増減
する毎に、接合を横切って測定可能な電圧パルスがつく
りだされる。このようにしてＳＱＵＩＤは量子化器とし
て作用し、その際、合成パルスが一つもしくはそれ以上
の２進カウンタ内に検出されカウントされる。この超電
導計数Ａ／Ｄ変換器の主要な利点はその線形性が殆ど完
全であって感度と速度が高いことである。電流の増減分
はデバイスの精度を決定するものであるが極度に小さく
することができる。これは一つの、磁束量子が２．０７
×１０^-15 ウエバーにすぎず、電流の増減分はインダク
タンス（ヘンリー単位で測定される）の値により除され
た磁束量子となるためである。

【０００４】米国特許第４，６４６，０６０号（フィリ
ップス外）は２重接合ＳＱＵＩＤ量子化器とｎ段の２重
接合ＳＱＵＩＤフリップフロップより構成される双方向
２進カウンタを備える超電導計数Ａ／Ｄ変換器について
開示している（但し、ｎはカウンタの精度ビット数であ
る）量子化器は単接合ＳＱＵＩＤの場合のように同一出
力ライン上に逆極性の電圧パルスを生成するのではな
く、２本の異なる出力ライン上に同一極性のアップカウ
ントとダウンカウント電圧パルスを生成する。双方向２
進カウンタは電圧パルスを代数的にカウントして、アッ
プカウントパルスを受け取った時に２進計数値を増加
し、ダウンカウントパルスを受け取った時に２進計数値
を減少させる。超電導論理回路は、多数のＡＮＤゲート
とＯＲゲートを含んでおり、カウンタのキャリーとボロ
ー作用を提供するようになっている。しかしながら、米
国特許第４，６４６，０６０号（フィリップス外）はサ
ンプリング間隔の終りにカウンタの内容を読取る手段を
開示しておらず、超電導計数Ａ／Ｄ変換器においてカウ
ンタの内容を読取る手段が提供されることが望まれてい
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明による高速・高精
度超電導計数Ａ／Ｄ変換器は、それぞれのサンプリング
間隔の終りにカウンタの内容を読取る手段を備えてい
る。カウンタの内容を読取るための技法の一つは、可変
ヒステリシス量子化器を活用することである。可変ヒス
テリシス量子化器は読取り時期における電圧パルスの発
生を抑止することによってアナログ信号の変化を見落と
すことなくカウンタを読取ることができるようになって
いる。２進カウンタの内容を読取るためのもう一つの技
法は、トグリング量子化器を一つと、双方向２進カウン
タを２個使用することである。量子化器は各サンプリン
グ間隔の終りに２個のカウンタ間をトグルすることによ
って、１方のカウンタが読取られる間に他方のカウンタ
がカウント中であり、また逆の場合は逆となるようにす
ることが可能である。アダーが上記２個のカウンタの出
力を結合する。本発明の一実施例による超電導計数Ａ／
Ｄ変換器は、２重接合ＳＱＵＩＤ量子化器と、浮動形又
は接地形の何れかの４接合ＳＱＵＩＤフリップフロップ
をｎ段備えた双方向２進カウンタを備えている。（但
し、ｎは、カウンタの精度ビット数である。）量子化器
はアナログ信号を連続的にトラッキングして２本の異な
る出力ライン上に同一極性のアップカウントとダウンカ
ウントの電圧パルスを生成しアナログ電流の値をそれぞ
れ増減するようになっている。双方向２進カウンタは電
圧パルスを代数的にカウントして、アップカウントパル
スを受け取った時には２進計数値を増加させ、ダウンカ
ウントパルスを受け取った時には２進計数値を減少させ
るようになっている。

【０００６】量子化器は２個のジョセフソン接合と共に
接続された２つのセンタータップインダクタンスを備
え、超電導ループを構成する。一定のゲート電流がイン
ダクタンスのセンタータップ端子内に注入される一方、
アナログ信号は巻線を経由してインダクタンスヘトラン
ス結合される。双方向２進カウンタは最下位ビット（Ｌ
ＳＢ）から最上位ビット（ＭＳＢ）へとカスケード状に
共に接続された浮動形の４接合ＳＱＵＩＤフリップフロ
ップをｎ段備えている。それぞれの浮動形４接合ＳＱＵ
ＩＤフリップフロップは共に接続された４個のジョセフ
ソン接合と２個のセンタータップ付インダクタンスを備
えることによって一つの超電導ループを構成している。
上記４接合ＳＱＵＩＤフリップフロップは双安定論理回
路であって、循環電流の方向が回路の状態を決定するよ
うになっている。“０”ビットは左廻りの循環超電流に
より表現され、“１”ビットは右廻り循環超電流により
表わされる。ＳＱＵＩＤフリップフロップに対してアッ
プカウント又はダウンカウントパルスが印加されると、
ジョセフソン接合のうちの一つを流れる電流が瞬間的に
同接合の臨界電流を越えて上昇する。このため、ジョセ
フソン接合が電圧パルスを発生することになり、循環電
流の方向が逆転する。続いてＳＱＵＩＤに対してパルス
が印加されることによってフリップフロップは状態をト
グルもしくは反転することになる。このようにして、ア
ップカウントパルスはフリップフロップからもう一つの
フリップフロップへと脈動することにより、各段の２進
状態は変化し段の初期状態が“１”であればキャリーパ
ルスが生成されることになろう。同様にしてダウンカウ
ントパルスもフリップフロップからフリップフロップへ
と脈動して各段の２進状態が変更され段の初期状態が
“０”である場合にはボローパルスが生成することにな
ろう。

【０００７】本発明によるハイースピード、高精度の超
電導計数Ａ／Ｄ変換器の別の実施例では、量子化器は単
接合ＳＱＵＩＤ量子化器である。単接合量子化器はそれ
ぞれアナログ電圧の正値と負値について一本の出力ライ
ン上に逆極性のアップカウント電圧パルスとダウンカウ
ント電圧パルスを生成する。上記量子化器はジョセフソ
ン接合の交流効果を利用してアナログ電流ではなくてア
ナログ電圧をデジタル化する。一つのジョセフソン接合
に対して電圧が印加されると、同接合を横切って交流が
発生する。同電流の周波数は電圧の大きさに依存するた
め、サンプリング間隔中の平均電圧は交流の周波数をそ
の時間間隔にわたってカウントすることによってデジタ
ル化することができる。本発明による高速・高精度の超
電導計数Ａ／Ｄ変換器のもう一つの実施例によれば、Ｓ
ＱＵＩＤフリップフロップは接地形３接合ＳＱＵＩＤフ
リップフロップである。それぞれの接地形３接合ＳＱＵ
ＩＤフリップフロップは２個のインダクタンスと３個の
ジョセフソン接合を備える。上記ジョセフソン接合のう
ちの２個は４接合ＳＱＵＩＤフリップフロップにおける
２個のジョセフソン接合と同じで、第３番目のジョセフ
ソン接合は正もしくは負の何れかにパルス化することに
よって他の２個のジョセフソン接合に取って代わってい
る。更に本発明のもう一つの例では、量子化器とＬＳＢ
４接合ＳＱＵＩＤフリップフロップを組合わせて感度ビ
ットを一個追加した４接合ＳＱＵＩＤ量子化器を提供す
るようにしている。

【０００８】

【発明の効果】本発明のＡ／Ｄ変換器はＡ／Ｄ変換速度
がすこぶる高速であってデバイス個数が少ないことを含
めて数多くの利点を備えている。これらの利点はカウン
タの数段の２進状態とカウンタの双方向遷移と伝播とを
共に制御することができる４接合ＳＱＵＩＤフリップフ
ロップの能力によるものである。通常この論理を処理す
るゲートでは所要速度が動作することはできない。それ
故、論理ゲートを除去すると、極度に高速のカウンタが
得られることになり、１０ピコセカンド毎に１カウント
以上の大きさの速度で、即ち１００ＧＨｚのカウント速
度でカウントアップもしくはカウントダウンすることが
可能になる。同様にして、論理ゲートを除去すると、デ
バイスカウントが少なくなり、信頼性が著しく向上し消
費電力とコストも小さくなる利点がある。上記より本発
明は超電導アナログ・デジタル変換器の分野で相当な前
進を示すものであることが理解されよう。本発明の有す
るその他の特徴と利点は本発明の原理を例解する添附図
面と相俟って以下の詳細な説明より明らかとなるはずで
ある。

【０００９】

【実施例】図１は１個のジョセフソン接合１２が１個の
インダクタンス１４を横切って接続され超電導ループを
構成するようになった単接合ＳＱＵＩＤ１０を示す。イ
ンダクタンス１４の一端子は、１６で示した電流源に接
続され、他方の端子はアース接続されている。図２はル
ープ内の注入電流と磁束間の関係を簡潔に表示したもの
である。電流が増加するにつれて、磁束も同様に増加
し、１８で示すように、最終的に曲線の多値領域に達す
る。電流反転点２０に達すると、電流の一層の増加によ
って磁束は２２で示すように多価領域の高準位へ飛躍す
る。このように突然磁束が増分する結果、ジョセフソン
接合１２を横切って小さいが測定可能な電圧パルスが得
られる。図２の曲線は、完全に周期的であり、図中の曲
線の隣接ピーク間の電流の増分量は一定であり、電流の
増加に伴って磁束も増加する。回路を流れる電流が下降
すると、ループ内の磁束は減少し、それに対応して逆極
性の電圧パルスがジョセフソン接合１２を横切って発生
する。これらのＳＱＵＩＤ特性は超電導デバイスを使用
するＡ／Ｄ変換の基礎である。

【００１０】図３と図４に関する以下の説明において、
同じ参照番号は同じ回路素子を示すものとする。図３と
図４における回路は浮動接続であるかアース接続である
かの点は別として同様であることが理解されよう。図３
と図４は、本発明で使用可能な高速・高精度超電導Ａ／
Ｄ計数変換器を示す。図３は浮動形４接合ＳＱＵＩＤフ
リップフロップ３６をｎ段備えた双方向カウンタ３４を
示し、図４では、４接合ＳＱＵＩＤフリップフロップ２
３６が接地されている。図３は本発明で使用可能な高速
・高精度の超電導Ａ／Ｄ計数変換器を示す。超電導計数
Ａ／Ｄ変換器は２重接合ＳＱＵＩＤ量子化器３２を１個
と、ｎ段の浮動形４接合ＳＱＵＩＤフリップフロップ３
６を備える双方向２進カウンタ３４を１個備えている。
（但し、ｎはカウンタの精度ビット数である。）図４に
おいて、Ａ／Ｄ変換器は２重接合ＳＱＵＩＤ量子化器２
３２と接地形４接合ＳＱＵＩＤフリップフロップ２３６
をｎ段備える双方向２進カウンタ２３４を備える。量子
化器２３２はライン２３８上でアナログ信号を連続的に
トラッキングして、２本の異なる出力ライン上に同一極
性のアップカウントとダウンカウントの電圧パルスを生
成してアナログ電流の値をそれぞれ増減する。双方向２
進カウンタ３４（図３）と２３４（図４）とは電圧パル
スを代数的にカウントし、アップカウントパルスを受取
った時に２進カウントを増加し、ダウンカウントパルス
を受取った時に２進カウントを減少させる。

【００１１】図３について述べると、量子化器３２は２
個のジョセフソン接合４０、４２と、一個のセンタトラ
ップインダクタンス４４を共に接続して一つの超電導ル
ープを構成している。それぞれのジョセフソン接合４
０、４２の一端子はインダクタンス４４の異なる端部の
端子に接続され、各ジョセフソン接合４０、４２の他方
の端子はアース接続されている。ライン４６上の一定の
ゲート電流はインダクタンス４４のセンタートラップ端
子内へ注入される。ライン３８上のアナログ信号は巻線
４８を経由してインダクタンス４４へトランス結合され
る。その代わりに、ライン３８上のアナログ信号を直接
インダクタンス４４内へ結合してもよい。アナログ信号
が正に増分変化するとジョセフソン接合４０を横切って
アップカウント電圧パルスが発生し、アナログ電流が負
に増分変化するとジョセフソン接合４２を横切ってダウ
ンカウント電圧パルスが発生する。これらのアップカウ
ントとダウンカウントの信号は、それぞれインダクタン
ス４４とジョセフソン接合４０、４２間の端子から２進
カウンタ３４へ出力され、それぞれ抵抗器５０を経てカ
ウンタへ印加される。双方向２進カウンタ３４は最下位
ビット（ＬＳＢ）から最上位ビット（ＭＳＢ）へカスケ
ード構成で接続される浮動形４接合ＳＱＵＩＤフリップ
フロップ３６をｎ段備えている。それぞれの浮動形４接
合ＳＱＵＩＤフリップフロップ３６は、４個のジョセフ
ソン接合５２、５４、５６、５８と、２個のセンタータ
ップインダクタンス６０、６２を共に接続しており、一
個の超電導ループを形成している。それぞれのジョセフ
ソン接合５２、５４の一端子はインダクタンス６０の異
なる端の端子に接続され、ジョセフソン接合５６、５８
の各々の一端子はインダクタンス６２の異なる端の端子
に接続されている。ジョセフソン接合５２、５６の他方
の端子は共に接続され、ジョセフソン接合５４、５８の
他方の端子は共に接続されている。ジョセフソン接合５
２、５４、５６、５８の各々は同様に、その端子を横切
って接続された分流器６４を備えている。

【００１２】インダクタンス６０のセンタータップ端子
は、先行する４接合のＳＱＵＩＤフリップフロップ３６
からキャリー信号を受信するか、もしインダクタンス６
０がＬＳＢフリップフロップのものであるならば量子化
器３２からアップカウント信号を受信する。インダクタ
ンス６２のセンタータップは、ダウンカウント又はボロ
ー信号を受信する。キャリー信号とボロー信号はそれぞ
れ、ジョセフソン接合５４とインダクタンス６０との間
の端子と、ジョセフソン接合５８とインダクタンス６２
間の端子とから後続の４接合ＳＱＵＩＤフリップフロッ
プ３６へ出力され、それぞれ抵抗器６６を経由して後続
のＳＱＵＩＤフリップフロップへ印加される。それぞれ
の４接合ＳＱＵＩＤフリップフロップ３６には抵抗器６
９（図３）に非接地の非接地が一定電圧源３６を印加す
ることによって一定のゲート電流が供給される。上記一
定のゲート電流はジョセフソン接合５２、５６間の端子
から各ＳＱＵＩＤフリップフロップを経由してジョセフ
ソン接合５４、５８間の端子へと流れ、そこで抵抗器７
０を経由して一定電圧源６８へ復帰する。電圧源６８と
４接合ＳＱＵＩＤフリップフロップ３６とはアースされ
ていないため、ＳＱＵＩＤフリップフロップは浮動モー
ドで動作する。このため４個のジョセフソン接合は全て
同一とすることができ、対称的なＳＱＵＩＤフリップフ
ロップが得られる。φｏ／２の磁束バイアス（但し、φ
ｏは磁束量子ｈ／２ｅ＝２．０７×１０^{-1 5} ウエーバで
ある。）が磁束バイアスラインとインダクタンス７２に
より各ＳＱＵＩＤフリップフロップ内に発生する。その
代わり、１本の磁束バイアスライン７１によらずに個々
の磁束バイアスラインによって磁束バイアスをＳＱＵＩ
Ｄフリップフロップに印加することもできる。磁束バイ
アスはそれぞれのＳＱＵＩＤフリップフロップ内に磁束
バイアス電流を誘導する。ジョセフソン接合５２、５
４、５６、５８は抵抗器でシャントされることによって
ＳＱＵＩＤフリップフロップ３６がノンラッチングモー
ドで動作し、ＳＱＵＩＤフリップフロップがラッチング
モードで動作する場合よりもずっと高速で動作できるよ
うになっている。

【００１３】それぞれの４接合ＳＱＵＩＤフリップフロ
ップ３６（図３）は双安定論理回路で、循環電流の方向
が回路の状態を決定する。“０”ビットは左廻り循環超
電流により表わされ、“１”ビットは右廻り循環超電流
によって表われる。ＳＱＵＩＤフリップフロップに対し
てアップカウント／キャリーパルス又はダウンカウント
／ボローパルスが印加されると、ジョセフソン接合の一
つを流れる電流は瞬間的に同接合の臨界電流を超えて上
昇する。このためジョセフソン接合によって電圧パルス
が発生させられ、循環電流の方向は逆転する。次いでＳ
ＱＵＩＤフリップフロップにパルスが印加されることに
よってフリップフロップはトグルもしくは状態を反転さ
せる。このようにして、アップカウント又はキャリー信
号はフリップフロップ間を脈動して各段の２進状態を変
化させ当該段の初期状態が“１”の場合、更に一つのキ
ャリー信号を発生させる。同様にして、ダウンカウント
又はボロー信号がフリップフロップ間を脈動することに
よって、各段の２進状態を変化させ、当該段の初期状態
が“０”の場合、更にボロー信号を発生させる。更に図
３について述べると、“０”から“１”へ上向し、
“０”から“１”へ下向し、“１”から“０”まで上向
し、および“１”から“０”へ下向する４つの可能な遷
移状態がＳＱＵＩＤフリップフロップ３６の各々につい
て存在する。一つのＳＱＵＩＤフリップフロップが
“０”を表示している時、アップカウント又はキャリー
信号は、ジョセフソン接合５６に対して、またダウンカ
ウント又はボロー信号はジョセフソン接合５８に対し
て、ボロー信号を続くＳＱＵＩＤフリップフロップにパ
ルス発振し出力させる。あるＳＱＵＩＤフリップフロッ
プが“１”を表示している場合には、アップカウント又
はキャリー信号が、ジョセフソン接合５４にパルスを発
生させ、続くＳＱＵＩＤフリップフロップへキャリー信
号を出力させる一方、ダウンカウント又はボロー信号が
ジョセフソン接合５２に対しパルス発振させる。従っ
て、ジョセフソン接合５４はキャリー付き加算接合であ
り、ジョセフソン接合５６はキャリーの加算接合であ
り、ジョセフソン接合５８はボローによる減算接合であ
り、ジョセフソン接合５２はボローなしの減算接合であ
る。

【００１４】図３の遷移をそれぞれより詳しく見ると、
１ビットが“０”を示している場合、磁束バイアス電流
とゲート電流はジョセフソン接合５６、５８で正の組合
せになっており、ジョセフソン接合５２、５４内では負
の組合せになっている。従って、ジョセフソン接合５６
と５８は相対的に大きな電流をサポートすることによっ
てそれらがキャリー又はボロー信号によってパルス発振
できるようになっている。アップカウント又はキャリー
信号は電流をループへ供給し、ジョセフソン接合５６を
流れる電流と正結合されジョセフソン接合５８を流れる
電流を正結合されることになろう。それ故、ジョセフソ
ン接合５６を流れる電流はその臨界電流を上廻り、同接
合に電圧パルスを発生させることになろう。ＳＱＵＩＤ
フリップフロップの循環状態は右廻り方向へ変化し、
“１”を表示し、次のビットにはキャリー信号もボロー
信号も伝播されることはない。ダウンカウントもしくは
ボロー信号は電流をループへ供給し、同電流はジョセフ
ソン接合５８を流れる電流と加算正結合し、ジョセフソ
ン接合５６内を流れる電流と減算負結合する。それ故、
ジョセフソン接合５８を流れる電流はその臨界電流を上
廻り、同接合に電圧パルスを発生させることになろう。
ＳＱＵＩＤフリップフロップの循環状態は右廻り方向へ
変化し、ボロー信号が次のビットに伝播されることにな
ろう。

【００１５】１ビットが“１”を表示している場合、磁
束バイアスと電流とゲート電流とはジョセフソン接合５
２、５４内で正結合し、ジョセフソン接合５６、５８内
では負結合する。従って、ジョセフソン接合５２、５４
は対照的に大きな電流をサポートし、同電流はキャリー
又はボロー信号のために接合をしてパルス発振させるこ
とができよう。アップカウントもしくはキャリー信号は
電流をループに供給する。同電流はジョセフソン接合５
４を流れる電流を正結合し、ジョセフソン接合５２を流
れる電流と負結合する。それ故、ジョセフソン接合５４
を流れる電流はその臨界電流を上廻り、同接合によって
電圧パルスを発生させることになろう。ＳＱＵＩＤフリ
ップフロップの循環状態は左廻り方向へ変化して“０”
を表示し、キャリー信号が次のビットへ伝播されること
になろう。ダウンカウント又はボロー信号はループへ電
流を供給し、同電流はジョセフソン接合５２を流れる電
流と正結合し、ジョセフソン接合５４内を流れる電流と
負結合することになる。それ故、ジョセフソン接合５２
を流れる電流はその臨界電流を上廻り、同接合をして電
圧パルスを発生させることになろう。ＳＱＵＩＤフリッ
プフロップの循環状態は左廻り方向へ変化し、次のビッ
トに対してはキャリー信号もボロー信号も伝播されるこ
とはないであろう。

【００１６】図４の以下の説明においては、ジョセフソ
ン接合２３６が、電気的にアースされている点を除き、
その動作は図３における回路と同様であることが理解で
きよう。更に図４について述べると、アースされた定電
圧源２６８を抵抗器２６９に印加することによって一定
のゲート電流がそれぞれの４接合ＳＱＵＩＤフリップフ
ロップ２３６に供給される。上記の一定ゲート電流はジ
ョセフソン接合２５２、２５６間の端子からそれぞれの
ＳＱＵＩＤフリップフロップを経てジョセフソン接合２
５４、２５８間の端子へ流れ、そこでアースされる。電
圧源２６８と４接合ＳＱＵＩＤフリップフロップ２３６
とはアースされているために、ジョセフソン接合２５
２、２５６の臨界電流はジョセフソン接合２５４、２５
８のそれより小さなほぼ３０％となる筈である。Φｏ／
２の磁束バイアス（但し、Φｏは磁束量子ｈ／２ｅ＝
２．０７×１０^{-1 5} ウエーバである）が個々の磁束バイ
アスライン２７０とインダクタンス２７２により各ＳＱ
ＵＩＤフリップフロップ内に発生する。その代わり、磁
束バイアスを個々の磁束バイアスラインによってではな
く一本の磁束バイアスラインによってＳＱＵＩＤフリッ
プフロップへ印加することも可能である。磁束バイアス
は各ＳＱＵＩＤフリップフロップ内に磁束バイアス電流
を誘導する。ジョセフソン接合２５２、２５４、２５
６、２５８は抵抗でシャントされることによってＳＱＵ
ＩＤフリップフロップ２３６がノンラッチングモードで
動作し、ＳＱＵＩＤフリップフロップがラッチングモー
ドで動作する場合よりもずっと高速で動作することがで
きるようになっている。

【００１７】それぞれの４接合ＳＱＵＩＤフリップフロ
ップ２３６は双安定論理回路で図３に関し説明したと同
じ方法で動作する。ＳＱＵＩＤフリップフロップ２３６
の各々につき、“０”から“１”へ上向し、“０”から
“１”へ下向し、“１”から“０”へ下向し、また
“１”から“０”へ下向する４つの可能な遷移が図３の
フリップフロップ３６と同一に作用する。本発明による
高速・高精度超電導Ａ／Ｄ計数変換器のもう一つの例で
は、量子化器３５は図５に示すように単接合ＳＱＵＩＤ
量子化器７４である。単接合量子化器７４は一本のライ
ン上に逆極性のアップカウントとダウンカウント電圧パ
ルスを発生し、ライン７６上におけるアナログ電圧値を
正と負にするようになっている。双方向進５カウンタ３
４のＬＳＢＳＱＵＩＤフリップフロップ３６の場合、量
子化器７４の一本の出力ラインがインダクタンス６０の
センタータップ端子に付加され、一方、インダクタンス
６２のセンタータップ端子はアースされる。単接合量子
化器７４は、ジョセフソン接合７８、インダクタンス８
０、および抵抗器８２が共に接続されることによって一
つの超電導ループを構成する。インダクタンス８０の一
端子はジョセフソン接合７８の一端子に接続され、イン
ダクタンス８０の他方の端子は抵抗器８２の一端子に接
続され、抵抗器８２の他方の端子はジョセフソン接合７
８の他方端子に接続される。ジョセフソン接合７８、と
抵抗器８２間の端子はアースされ、インダクタンス８０
と抵抗器８２間の端子はアナログ信号を受取る。アップ
カウント／ダウンカウント信号はインダクタンス８０と
ジョセフソン接合７８間の端子から２進カウンタへ出力
され、抵抗器８４を介してカウンタへ印可される。

【００１８】単接合ＳＱＵＩＤ量子化器７４はジョセフ
ソン接合の交流効果を利用して、アナログ電流でなくア
ナログ電圧をデジタル化する。電圧がジョセフソン接合
に印可される場合、同接合に横切って交流が発生する。
同電流の周波数は電圧の大きさに依存するため、サンプ
リング間隔中の平均電圧は交流の周波数をその時間間隔
にわたってカウントすることによってデジタル化するこ
とができる。本発明による高速、高精度の超電導Ａ／Ｄ
計数変換器はそれぞれのサンプリング間隔の終りにカウ
ンタの内容を読取るための手段を備えている。カウンタ
の内容を読取るための一つの方法は１個のトグリング量
子化器１２０と２個の双方向２進カウンタ３４（図６に
図示する）を活用することである。量子化器１２０はそ
れぞれのサンプリング間隔の終りに２個のカウンタどう
しの間をトグルすることによってカウンタＢがカウント
中にカウンタＡを読取ることができるようにし、また逆
の場合は逆となるようにすることである。アダー（図示
せず）が上記２個のカウンタの出力を結合する。トグリ
ング量子化器１２０は、４個のジョセフソン接合５２、
５４、５６、５８と４接合ＳＱＵＩＤフリップフロップ
３６の２個のインダクタンス６０、６２と、第１と第２
の抵抗器１２２を備える。第１の抵抗器１２２の一端子
はインダクタンス６０のセンタータップ端子に接続さ
れ、第２の端子１２２の一端子はインダクタンス６２の
センタータップ端子に接続され、抵抗器１２２の他方端
子は共に接続される。ライン１２４上のアナログ信号は
巻線１２６を経てインダクタンス６０、６２へトランス
結合される。ライン１２８上の一定ゲート電流は２個の
抵抗器１２２間の端子において量子化器内へ注入され
る。

【００１９】カウンタＡはジョセフソン接合５２、５６
間の端子をアースすることによってカウント用に選択さ
れ、カウンタＢはジョセフソン接合５４、５８間の端子
をアースすることによってカウント用に選択される。ゲ
ート電流はアース端子を有する２個のジョセフソン接合
内を流れることによって２個のジョセフソン接合がアナ
ログ電流によりスイッチングできるようになっている。
量子化器を流れるゲート電流を時間の関数として示すダ
イアグラムが図７に示されている。電流ＡとＢが等し
い、クロスオーバー点で一方又は他方のカウンタがパル
スを受取るためにトグル中に情報が失われることはな
い。カウンタＡが選択されると、アナログ電流中の正の
増分変化によってジョセフソン接合５２を横切ってアッ
プカウント電圧パルスが発生し、負の増分変化によって
ジョセフソン接合５６を横切ってダウンカウント電圧パ
ルスが発生する。カウンタＢが選択されると、アナログ
電流の正の増分変化によってジョセフソン接合５４を横
切ってアップカウント電圧パルスが発生し、負の増分変
化によってジョセフソン接合５８を横切ってダウンカウ
ント電圧パルスが発生する。アップカウント信号はイン
ダクタンス６０とジョセフソン接合５２間の端子からカ
ウンタＡに出力され、インダクタンス６０とジョセフソ
ン接合５４間の端子からカウンタＢへ出力される。ダウ
ンカウント信号はインダクタンス６２とジョセフソン接
合５６間の端子からカウンタＡに出力され、インダクタ
ンス６２とジョセフソン接合５８間の端子からカウンタ
Ｂへ出力される。

【００２０】２進カウンタ３４の内容を読取るためのも
う一つの手段は図８に示すような可変ヒステリシス量子
化器１３０を活用することである。可変ヒステリシス量
子化器１３０は、読取り期間中における電圧パルスの発
生を抑止し、アナログ信号内における変化を逸すること
なくカウンタに読取らせる。可変ヒステリシス量子化器
１３０は２重接合ＳＱＵＩＤ量子化器２の２個のジョセ
フソン接合４０、４２と一つのセンタータップインダク
タンス１３２とを備えている。それぞれのジョセフソン
接合４０、４２の一端子は、インダクタンス１３２の異
なる端の端子へ接続され、各ジョセフソン接合４０、４
２の他方端子はアース接続されている。ライン４６上の
一定のゲート電流は変調器１３４により変調され、その
際、変調されたゲート電流はインダクタンス１３２のセ
ンタータップ端子内へ注入される。ライン３８上のアナ
ログ信号は巻線４８を経てインダクタンス１３２へトラ
ンス結合される。インダクタンス１３２は大きいため、
量子化器１３０がβＬ≫π（但し、βＬは２πＬＩｃ／
Φｏとして定義され、Ｌは量子化器１３０のインダクタ
ンスであり、Ｉｃはジョセフソン接合４０、４２の臨界
電流であり、Φｏは磁束量子である。量子化器１３０の
ヒステリシスは変調されたゲート電流により制御され、
その際小さなゲート電流は大きなヒステリシスをつくり
だし、大きなゲート電流は小さなヒステリシスをつくり
だすようになっている。

【００２１】図９と図１０に示すように、サンプリング
間隔中に、小さなヒステリシスによって量子化器がアッ
プカウントとダウンカウント信号を双方向２進カウンタ
３４へ出力することが可能になる。サンプリング間隔の
終りに、ヒステリシスは急速に増加してそれ以上の余分
の電圧パルスの発生を抑止する。この読取り期間中、カ
ウンタのビットはＬＳＢから開始して順次読取られる。
読取り期間中のアナログ信号の変化は何れも磁束として
量子化器ループ内にストアされる。量子化器ヒステリシ
スは、その後減少し、電圧パルスの発生が再開される。
ヒステリシスを緩慢に減少させることによって、量子化
器からの出力パルス列は図１０に示すように若干圧縮さ
れる。このため、量子化器は新たなパルスを出力すると
共に読取り期間中に量子化器内にストアされていたパル
スを回復することができる。本発明のもう一つの例で
は、ＳＱＵＩＤフリップフロップは図１１に示すような
接地形３接合ＳＱＵＩＤフリップフロップ２９０であ
る。それぞれの接地形３接合ＳＱＵＩＤフリップフロッ
プ２９０は２個のインダクタンス２６０、２６２と接地
形４接合ＳＱＵＩＤフリップフロップ２３６の２個のジ
ョセフソン接合２５４、２５８を備える。同様に、３接
合ＳＱＵＩＤフリップフロップ２９０も第３のジョセフ
ソン接合２９２と、第１と第２の抵抗器２９４と分流器
２９６を備える。第１の抵抗器２９４の一端子は、イン
ダクタンス２６０の他方端子に接続され、第２の抵抗器
２９４の一端子はインダクタンス２６２の他方端子へ接
続され、第１と第２の抵抗器２９４の他方端子は共に接
続される。分流器２９６の一端子とジョセフソン接合２
９２の一端子は第１の抵抗器２９４とインダクタンス２
６０間の端子に接続され、分流器２９６の他方端子とジ
ョセフソン接合２９２の他方端子とは第２抵抗器２９４
とインダクタンス２６２間の端子に接続される。一定の
ゲート電流が第１と第２の抵抗器２９４間の端子の３接
合ＳＱＵＩＤフリップフロップ２９０内へ注入される。

【００２２】第１の抵抗器２９４とインダクタンス２６
０間の端子は先行する３接合ＳＱＵＩＤフリップフロッ
プ２９０からキャリー信号を受取るか、あるいは３接合
ＳＱＵＩＤフリップフロップがＬＳＢフリップフロップ
である場合、量子化器からアップカウント信号を受取
る。第２抵抗器２９４とインダクタンス２６２間の端子
はダウンカウント又はボロー信号を受取る。キャリーと
ボローの信号は４接合ＳＱＵＩＤフリップフロップ２３
６の場合の如く、後続の３接合ＳＱＵＩＤフリップフロ
ップ２９０へ出力される。３接合ＳＱＵＩＤフリップフ
ロップ２９０の場合、ジョセフソン接合２５４、２５８
は４接合ＳＱＵＩＤフリップフロップ２３６の場合の如
く、動作し、ジョセフソン接合２９２はジョセフソン接
合２５２、２５６と取って代わる。ジョセフソン接合２
９２は正負何れか一方にパルス発振することによって２
個のジョセフソン接合の動作を実行する。ジョセフソン
接合２９２はゲート電流を何ら粗搬送せず、ただ電流を
循環させるだけであるから、ジョセフソン接合２９２の
臨界電流は他の２個のジョセフソン接合２５４、２５８
のそれより少ないほぼ６０％となるはずである。更にも
う一つの本発明の実施例では、量子化器とＬＳＢ４接合
ＳＱＵＩＤフリップフロップが組合わされて一つ余分の
感度ビットを備えた一個の４接合ＳＱＵＩＤ量子化器３
００を提供するようになっている。第１２に示す如く、
４接合ＳＱＵＩＤ量子化器３００は４個のジョセフソン
接合２５２、２５４、２５６、２５８と接地形４接合Ｓ
ＱＵＩＤフリップフロップ２３６の分流器２６４を備え
る。同様にして、４接合ＳＱＵＩＤ量子化器３００は２
個のセンタータップインダクタンス３０２、３０４と１
個のインダクタンス３０６を備えている。それぞれのジ
ョセフソン接合２５２、２５４の一端子は異なる端のイ
ンダクタンス３０２端子に接続され、それぞれのジョセ
フソン接合２５６、２５８の一端子は異なる端のインダ
クタンス３０４端子に接続される。ジョセフソン接合２
５２、２５６の他方端子は共に接続され、ジョセフソン
接合２５４、２５８の他方端子は共に接続される。

【００２３】以上より、本発明は超電導アナログ、デジ
タル変換器分野で著しく前進を示すことが理解できよ
う。これまで本発明の好ましい実施例を幾つか示し解説
してきたが、本発明の精神と範囲を逸脱せずに他の適応
と変更を施こすことが可能なことも明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は単接合ＳＱＵＩＤデバイスの回路線図、

【図２】図２は単接合ＳＱＵＩＤについて磁束を注入電
流の関数としてグラフ化した図、

【図３】図３は、浮動式４接合ＳＱＵＩＤを有する高速
・高精度超電導Ａ／Ｄ変換器の回路線図、

【図４】図４は、接地形４接合ＳＱＵＩＤを有する高速
・高精度超電導Ａ／Ｄ変換器の回路線図、

【図５】図５は単接合ＳＱＵＩＤ量子化器の回路線図、

【図６】図６は１個のトグリング量子化器と２個の双方
向カウンタの回路線図、

【図７】図７は１個のトグリング量子化器内を流れる電
流を時間の関数として示す線図、

【図８】図８は可変ヒステリシス量子化器の回路線図、

【図９】図９は可変ヒステリシス量子化器のヒステリシ
スを時間の関数として示す線図、

【図１０】図１０は可変ヒステリシス量子化器により発
生させられる電圧パルスを時間の関数として示す線図、

【図１１】図１１は単接合ＳＱＵＩＤフリップフロップ
の回路線図、

【図１２】図１２は、４接合ＳＱＵＩＤ量子化器の回路
線図。

【符号の説明】

５２、５４、５６、５８、１２０ ジョセフソン接合 １４、１６２ インダクタンス １０ 単接合ＳＱＵＩＤ １６ 電流源 ３６ ４接合ＳＱＵＩＤフリップフロップ ３４ ２進カウンタ ２３２ 量子化器 ６０、６２ センタータップ付インダクタンス ６４ 分流器 ６８ 電圧源 ７１ 磁束バイアスライン

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】可変ヒステリシス超電導量子干渉デバイス
   （ＳＱＵＩＤ）量子化器と、 可変アナログ信号を上記ＳＱＵＩＤ量子化器に印加する
   手段と、 ２進カウンタと、を備え、 量子化器がアナログ信号の値を増減するためのにアップ
   カウントとダウンカウントの電圧パルスを発生し、２進
   カウンタが電圧パルスを代数的にカウントし、 アップカウントパルスを受取った時に２進カウント値を
   増加し、ダウンカウントパルスを受取った時に２進カウ
   ント値を減少させ、 量子化器のヒステリシスが制御され、小さなヒステリシ
   スが量子化器にアップカウントとダウンカウントパルス
   を２進カウント値へ出力させ、 大きなヒステリシスが電圧パルスの発生を抑止し、カウ
   ンタの読取り期間を提供する超電導計数アナログ・デジ
   タル変換器。
2. 【請求項２】可変ヒステリシス量子化器が、 第１と第２のジョセフソン接合と、 センタータップインダクタンスと、 可変ゲート電流を量子化器へ供給する手段と、を備え、 量子化器のヒステリシスがゲート電流により制御される
   請求項１の超電導計数アナログ・デジタル変換器。
3. 【請求項３】ＳＱＵＩＤ量子化器と、 ＳＱＵＩＤ量子化器のヒステリシスを変化させる手段
   と、を備え、 小さなヒステリシスが量子化器にアップカウントとダウ
   ンカウント電圧パルスを発生させ、大きなヒステリシス
   が電圧パルスの発生を抑制する可変ヒステリシス超電導
   量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）量子化器。
4. 【請求項４】トグリング超電導量子干渉デバイス（ＳＱ
   ＵＩＤ）量子化器と、 可変アナログ信号をＳＱＵＩＤ量子化器へ印加する手段
   と、 第１と第２の２進カウンタと、から成り、 量子化器がアナログ信号の値を増減させるためのアップ
   カウントとダウンカウント電圧パルスを発生し、２進カ
   ウンタが電圧パルスを代数的にカウントし、アップカウ
   ントパルスを受取った時に２進カウント値を増加し、ダ
   ウンカウントパルスを受取った時に２進カウント値を減
   少し、 量子化器がそれぞれのサンプリング間隔の終わりに２個
   のカウンタ間でトグルすることによって一方のカウンタ
   がカウント中に他方のカウンタが読取り可能になった超
   電導計数アナログ・デジタル変換器。
5. 【請求項５】トグリング量子化器が、 第１、第２、第３、第４、および第４のジョセフソン接
   合と、 第１および第２のセンタータップインダクタンスと、 上記２個のインダクタンスのセンタータップ端子同士の
   間に直列に接続された２個の抵抗器と、 一定のゲード電流を２個の抵抗器間の端子内へ注入する
   手段と、から成り、 第１のカウンタが第１と第３のジョセフソン接合間の端
   子をアースさせることによって選択されてカウントし、
   第２のカウンタが第２と第４のジョセフソン接合間の端
   子をアースさせることによって選択されてカウントし、 第１のカウンタが選択されてカウントする時、アナログ
   信号の正の増分変化によって第１のジョセフソン接合を
   横切ってアップカウント電圧パルスが発生し、負の増分
   変化によって第３のジョセフソン接合を横切るダウンカ
   ウント電圧パルスが発生し、第２のカウントが選択され
   てカウントする際、アナログ信号の正の増分変化によっ
   て第２のジョセフソン接合を横切ってアップカウント電
   圧パルスが発生し、負の増分変化によって第４のジョセ
   フソン接合を横切ってダウンカウント電圧パルスが発生
   する請求項４の超電導計数アナログ・デジタル変換器。
6. 【請求項６】２分岐ＳＱＵＩＤ量子化器と、 ２分岐間をトグルする手段と、から成るトグルリング超
   電導量子干渉（ＳＱＵＩＤ）量子化器。
7. 【請求項７】第１、第２、第３、及び第４のジョセフソ
   ン接合と、 第１と第２のセンタータップインダクタンスと、 上記２個のインダクタンスのセンタータップ端子同士の
   間に直列に接続された２個の抵抗器と、 上記２個の抵抗器間の端子内へ一定のゲード電流を注入
   する手段と、 可変アナログ信号を量子化器へ印加する手段と、から成
   り、 第１カウンタが第１と第３のジョセフソン接合間の端子
   をアースさせることよって選択されてカウントし、第２
   のカウンタが第２と第４のジョセフソン接合間の端子を
   アースさせることによって選択されてカウントし、 第１のカウンタが選択されてカウントする際、アナログ
   信号の正の増分変化によって第１のジョセフソン接合を
   横切ってアップカウント電圧パルスが発生し、負の増分
   変化によって第３のジョセフソン接合を横切ってダウン
   カウント電圧パルスが発生し、 第２のカウンタが選択されてカウントする際、アナログ
   信号の正の増分変化によって第２のジョセフソン接合を
   横切ってアップカウント電圧パルスが発生し、負の増分
   変化によって第４のジョセフソン接合を横切ってダウン
   カウント電圧パルスが発生するようになった第１と第２
   の２進カウント間をトグルするためのトグリング超電導
   量子干渉（ＳＱＵＩＤ）量子化器。