JPH0785104B2 - Superconducting quantum interference device - Google Patents

Superconducting quantum interference device

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JPH0785104B2
JPH0785104B2 JP62125469A JP12546987A JPH0785104B2 JP H0785104 B2 JPH0785104 B2 JP H0785104B2 JP 62125469 A JP62125469 A JP 62125469A JP 12546987 A JP12546987 A JP 12546987A JP H0785104 B2 JPH0785104 B2 JP H0785104B2
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則夫 藤巻
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【発明の詳細な説明】 〔概 要〕 SQUIDのバイアスと磁界結合線にパルスと3角波あるい
は鋸波を加え、磁束あるいは被測定電流の値をパルス数
として取り出す。超伝導回路による処理、帰還が可能に
なり、ワンチップ化が可能。
DETAILED DESCRIPTION [Outline] A pulse and a triangular wave or a sawtooth wave are applied to the bias and magnetic field coupling line of the SQUID, and the value of the magnetic flux or the measured current is extracted as the number of pulses. Processing and return by superconducting circuit is possible, and it can be integrated into one chip.

〔産業上の利用分野〕[Industrial application field]

本発明は、電流あるいは電流に換算できる磁束、電圧、
抵抗などを測定するために用いられる超伝導量子干渉素
子(SQUIDという)に関する。
The present invention is a current or a magnetic flux that can be converted into a current, a voltage,
The present invention relates to a superconducting quantum interference device (SQUID) used for measuring resistance and the like.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

SQUIDは高密度の検出器であり、特にSQUID磁束計は他の
あらゆる磁束計より高密度である。従来のDC SQUIDと呼
ばれる磁束計を第15図に示す。(a)は2接合超伝導量
子干渉素子(DC SQUID)の等価回路であり、J1,J2はジ
ョセフソン接合、l1はJ1,J2を含む超伝導ループにバイ
アス電流Iを供給する回路である。l2は信号電流IXを流
す信号線であり、磁束計の場合この電流IXは測定すべき
磁束と鎖交するピックアップコイルにより供給される。
接合J1,J2を含む超伝導ループと信号線l2とは相互イン
ダクタンスMにより結合する。ジョセフソン接合J1,J2
にはブリッジ接合などのI−V特性に本来ヒステリシス
のない接合か、あるいはI−V特性にヒステリシスのあ
るトンネル型接合に並列に抵抗を接続してヒステリシス
をなくしたもの(図示の例)がよく用いられる。I−V
特性は第15図(b)に示す如くで、曲線C1はMIX=nφ
の場合、曲線C2の場合である。
SQUIDs are high density detectors, and in particular SQUID magnetometers are denser than any other magnetometer. Fig. 15 shows a conventional magnetometer called DC SQUID. (A) is an equivalent circuit of a two-junction superconducting quantum interference device (DC SQUID), where J 1 and J 2 are Josephson junctions and l 1 supplies a bias current I to a superconducting loop including J 1 and J 2. It is a circuit to do. l 2 is a signal line through which a signal current I X flows, and in the case of a magnetometer, this current I X is supplied by a pickup coil that links the magnetic flux to be measured.
The superconducting loop including the junctions J 1 and J 2 and the signal line l 2 are coupled by the mutual inductance M. Josephson junction J 1 , J 2
Is often a junction such as a bridge junction that does not inherently have hysteresis in the IV characteristics, or a tunnel junction that has hysteresis in the IV characteristics with a resistor connected in parallel to eliminate the hysteresis (example shown). Used. IV
The characteristics are as shown in Fig. 15 (b), and the curve C 1 is MI X = nφ
If 0 , the curve C 2 is Is the case.

超伝導回路はインダクタンスが支配的であり、(a)で
はこれを図示のようにコイルシンボルで表わしている。
バイアス電流Iが供給されると、接合J1側とJ2側が同じ
インダクタンスなら各々にI/2が流れる。この電流I/2が
臨界値以下であるとジョセフソン接合は無電圧状態であ
り、出力端Outの電圧Vは0である。臨界値は信号電流I
Xにより変わり、IX=0ならIC0である。IXが0から次第
に大きくなると臨界値ICは次第に下り、MIX=φ0/2でI
C1になる。IXが更に大きくなると臨界値は上り始め、MI
X=φでIC0になる。更に大きくなるとまた下り始め、
以下同様変化を繰り返す。結局MIX=nφ(n=0,1,
2,……)でIC=IC0、MIX=(n+1)φでIC=IC1
あり、この間を周期的に変化する。こゝでφは磁束量
子であり、n=0は0モード、n=1は1モード、……
と呼ばれ、超伝導ループにφが0,1,2,……入った状態
を示す。ジョセフソン接合に流れるバイアス電流が臨界
値を越えると該接合は電圧状態になり、電圧VはIXによ
り曲線C1,C2,またはこれらの中間の曲線(図示せず)に
沿って、Iに応じて増大する。MIXとVとの関係は第15
図(c)の如くなり、周期的な変化を示す。
In the superconducting circuit, the inductance is dominant, and in (a), this is represented by a coil symbol as shown.
When the bias current I is supplied, if the junction J 1 side and J 2 side have the same inductance, I / 2 flows through each. When this current I / 2 is below the critical value, the Josephson junction is in a no-voltage state, and the voltage V at the output end Out is zero. The critical value is the signal current I
It depends on X , and if I X = 0, then I C0 . When I X is gradually increased from zero critical value I C is down gradually, I in MI X = φ 0/2
Become C1 . When I X becomes larger, the critical value begins to rise, and MI
It becomes I C0 at X = φ 0 . When it gets bigger, it starts to descend again,
The same changes are repeated thereafter. After all, MI X = nφ 0 (n = 0,1,
2, ...), I C = I C0 , MI X = (n + 1) φ 0 , and I C = I C1 , which changes periodically. Here, φ 0 is the flux quantum, n = 0 is 0 mode, n = 1 is 1 mode, ...
, Which means that φ 0 is 0, 1, 2, ... in the superconducting loop. When the bias current flowing in the Josephson junction exceeds a critical value, the junction is brought into a voltage state, and the voltage V is caused by I X along the curves C 1 and C 2 or a curve between them (not shown) to be I Increase accordingly. Relationship between MI X and V is 15th
As shown in FIG. 6C, a periodic change is shown.

この第15図(c)ではMIX=0でVはある0でない値V1
を持っており、従ってIはICを越えて(b)のIBの如き
値をしている。この状態でIXを増大すると曲線は下って
Vは大になり、C2で最大で以後曲線は上ってVは下り、
(c)はこの繰り返しを示している。IXは信号電流、磁
束計ならピックアップコイルに鎖交する磁束の変化であ
り、(c)よりVを知ればIXが求まるから、結局(a)
図の出力端Outの電圧Vを測定して磁束計ならピックア
ップコイルに鎖交する磁束を知ることができる。しか
し、第15図(a)に示されるようにVは周期的な変化を
するので、ある値V3が得られたとしてもMIXがMIX1なの
か、MIX2なのか、……は分らない。またバイアス電流源
や、出力電圧Vを測定する直流増幅器のドリフトが出力
に影響する等の問題があるので、実際の測定回路として
は第16図に示すように、動作点が常にV−MIX特性の最
小点になるように帰還電流を流すやり方が行なわれてい
る。
In FIG. 15 (c), MI X = 0 and V is a non-zero value V 1
Therefore, I exceeds I C and has a value such as I B in (b). If I X is increased in this state, the curve goes down and V becomes large, and at C 2 , the curve goes up and the curve goes up and V goes down.
(C) shows this repetition. I X is the change in the magnetic flux linked to the pickup coil in the case of a magnetic flux meter, and in the case of a magnetometer, I X can be obtained by knowing V from (c).
By measuring the voltage V at the output end Out in the figure, the magnetic flux linked to the pickup coil can be known with a magnetometer. However, as shown in FIG. 15 (a), V changes periodically, so even if a certain value V 3 is obtained, it is not clear whether MI X is MI X1 or MI X2. Absent. In addition, since there is a problem that the output of the bias current source and the drift of the DC amplifier that measures the output voltage V affect the output, as shown in FIG. 16, the operating point is always V-MI X. A method of flowing a feedback current so as to reach the minimum point of the characteristics is used.

この第16図でPCは前記のピックアップコイルで、信号線
l2に信号電流IX0を流す。l3は帰還電流Ifを流す信号線
で、本回路ではこれらの電流の和IX0+Ifが第15図の信
号電流IXになる。バイアス電流Iとしては(b)のIB
用い、従ってV−IX特性は第15図(c)の如くなる。OS
Cは発振器で、その出力k sinω tがロックインアンプA3
に対する基準信号Refになる。A1,A2は増幅器で、A1は出
力端Outの電圧Vを増幅し、ロックインアンプA3に加え
る。ロックインアンプA3は入力電圧のうち基準信号Ref
と同じ周波数成分のものの、振幅及び位相に応じた出力
を直流で生じ(積の出力で、同相なら+v1,逆相なら−v
2、1/4周期ずれなら0)、増幅器A2はこれを増幅し、抵
抗RFを通して信号線l3へ出力する。発振器OSCの出力は
コンデンサCを介して信号線l3へも加わり、従って帰還
電流IfはI0+k sinω tの形をしている。
In Fig. 16, the PC is the pickup coil described above, and the signal line
A signal current I X0 is passed through l 2 . l 3 is a signal line through which the feedback current If flows. In this circuit, the sum of these currents I X0 + If becomes the signal current I X in FIG. The bias current I with I B of (b), thus V-I X characteristics are as view the 15 (c). OS
C is an oscillator whose output k sin ω t is a lock-in amplifier A 3
Becomes the reference signal Ref. A 1 and A 2 are amplifiers, and A 1 amplifies the voltage V at the output end Out and applies it to the lock-in amplifier A 3 . The lock-in amplifier A 3 has a reference signal Ref of the input voltage.
An output of the same frequency component as that of the above, but depending on the amplitude and phase is generated as a direct current (product output, + v 1 for in-phase, −v for anti-phase)
2 , 0 if there is a 1/4 cycle shift), the amplifier A 2 amplifies this and outputs it to the signal line l 3 through the resistor R F. The output of the oscillator OSC is also applied to the signal line l 3 via the capacitor C, so that the feedback current If has the form I 0 + k sin ω t.

信号電流に発振器OSCのsinω tの成分があるので、出力
電圧Vにもsinω tの成分がある。ロックインアンプA3
はこれが同相なら正の、逆相なら負の電圧を出力し、こ
れはA2の出力I0を増加、減少することになり、結局動作
点を第15図(c)のMinで示す最小電圧点にする。これ
は簡単には次のように説明できる。即ち、増幅器A2から
供給される電流I0がIO1のときIfは第15図(b)のIf1
なり、増加するときVは減少し、これはA1で反転されて
増加となり、Refと同相になる。従ってロックインアン
プA3の出力は正で、IO1は増加する。またI0がIO2のとき
Ifは第15図(c)のIf2となり、増加するときVは増加
し、A1で反転されて減少し、Refと逆相になる。従ってA
3の出力は負になり、IO2は減少し、こうして結局Min点
に落着く。
Since the signal current has a sin ω t component of the oscillator OSC, the output voltage V also has a sin ω t component. Lock-in amplifier A 3
Outputs a positive voltage if this is the same phase, and a negative voltage if it is the opposite phase, and this will increase or decrease the output I 0 of A 2 and eventually the operating point will be the minimum voltage indicated by Min in Fig. 15 (c). Make a point. This can be simply explained as follows. That is, If the current I 0 supplied from the amplifier A 2 is I O1 , If becomes I f1 in FIG. 15 (b), and when it increases, V decreases, which is inverted by A 1 and increases. Be in phase with. Therefore, the output of the lock-in amplifier A 3 is positive and I O1 increases. When I 0 is I O2
If becomes I f2 in FIG. 15 (c), V increases as it increases, is inverted and decreased at A 1 , and is in anti-phase with Ref. Therefore A
The output of 3 becomes negative and I O2 decreases, thus eventually reaching the Min point.

信号電流IX0を0として本回路をMin点に落ち着かせ、そ
の時の増幅器A2の出力電流(I00とする)を求めてお
き、今度はIX0を流し、増幅器A2の出力電流はI0になっ
たとすると、IX0=I00−I0として信号電流IX0が求ま
る。
The signal current I X0 is set to 0, the circuit is settled to the Min point, the output current of the amplifier A 2 at that time (assumed to be I 00 ) is obtained, and I X0 is passed this time, and the output current of the amplifier A 2 is I If it becomes 0 , the signal current I X0 is obtained with I X0 = I 00 −I 0 .

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problems to be solved by the invention]

従来のSQUIDは第16図に示されるように出力Vがアナロ
グであり、アナログ電圧Vを用いて動作点を定めたりす
るために低雑音増幅器A1,A2、ロックインアンプA3など
のアナログ回路を必要とする。通常これらは室温で動作
するため、液体ヘリウム温度のSQUID素子に比べて熱雑
音が大きく、感度低下の原因になる。
As shown in FIG. 16, the conventional SQUID has an analog output V, and in order to determine the operating point by using the analog voltage V, analogs such as low noise amplifiers A 1 and A 2 and lock-in amplifier A 3 are used. Need a circuit. Since these usually operate at room temperature, thermal noise is larger than that of SQUID elements at liquid helium temperature, which causes a decrease in sensitivity.

液体ヘリウム温度で動作するGaAs FETを初段増幅器に用
いた例もあるが、ジョセフソン接合等からなるSQUIDと
は製作プロセスが異なるため、これらを一体化した集積
回路を作ることは容易でない。
There is an example of using a GaAs FET operating at liquid helium temperature for the first stage amplifier, but it is not easy to make an integrated circuit that integrates them because the manufacturing process is different from SQUID composed of Josephson junction.

本発明は付属回路も、ジョセフソン接合を含む超伝導回
路で動作可能にして、同一チップ上に構成できるSQUID
を提供しようとするものである。
The present invention enables the auxiliary circuit to operate on a superconducting circuit including a Josephson junction and be configured on the same chip.
Is to provide.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

本発明では、ジョセフソン接合を含む超伝導回路などに
より容易に扱えるようにするため、SQUIDのバイアスを
パルスで与え、その出力がパルス(ディジタル)になる
ようにした。原理図を第1図に示す。
In the present invention, in order to be easily handled by a superconducting circuit including a Josephson junction, the bias of the SQUID is given as a pulse, and its output becomes a pulse (digital). The principle diagram is shown in FIG.

第1図の等価回路は第15図(a)と余り変らないが、バ
イアス電流は図示の如きパルス電流IB(t)とし、信号
線はl2,l4としてl2に被測定電流IXを流し、l4に3角波
電流IC(t)を流す。出力端Outにはパルス電圧が現わ
れ、これをカウンタCTRで計数する。この回路でのジョ
セフソン接合J1,J2は第15図(a)と異なり、ヒステリ
シスのある方が望ましい。3角波電流IC(t)の周波数
fCはバイアスパルス電流IB(t)の周波数fBより充分小
さくしておく。第2図に閾値特性と動作点を示す。
The equivalent circuit of FIG. 1 is not much different from that of FIG. 15 (a), but the bias current is the pulse current I B (t) as shown in the figure, and the signal lines are l 2 and l 4 and l 2 is the measured current I. X is passed, and a triangular wave current I C (t) is passed through l 4 . A pulse voltage appears at the output terminal Out and is counted by the counter CTR. It is desirable that the Josephson junctions J 1 and J 2 in this circuit have hysteresis, unlike FIG. 15 (a). Frequency of triangular wave current I C (t)
f C is set sufficiently smaller than the frequency f B of the bias pulse current I B (t). FIG. 2 shows threshold characteristics and operating points.

〔作用〕 バイアス電流が閾値を越えるとジョセフソン接合は電圧
状態になるが、この閾値は信号電流により変る。第1図
では信号電流はIX+ICであり、これが正,負方向で大に
なるとバイアス電流IBは小さくても電圧状態になる。曲
線Cは電圧/無電圧状態の境界を示し、曲線Cより上は
電圧状態、曲線Cより下は無電圧状態である。バイアス
電流IBの振幅を閾値特性Cに対して図示の如く選んでお
くと、直線Dの右側では(IC+IXがIth以上なら)バイ
アスパルスが有るとき電圧状態、無いとき無電圧であ
り、出力端Outからはバイアスパルスと同様なパルス電
圧Vが得られ、また直線Dの左側では(IC+IXがIth以
下では)バイアスパルスの有無に関係なく無電圧状態
で、出力端Outにはパルス電圧が現われない。
[Operation] When the bias current exceeds the threshold value, the Josephson junction enters a voltage state, but this threshold value changes depending on the signal current. In FIG. 1, the signal current is I X + I C , and when it becomes large in the positive and negative directions, the bias current I B becomes a voltage state even if it is small. A curve C shows a voltage / no-voltage state boundary, and a voltage state is above the curve C and a no-voltage state is below the curve C. When the amplitude of the bias current I B should choose as illustrated for threshold characteristic C, (if the I C + I X Ith or higher) at the right side of the straight line D the voltage state when the bias pulse is present, be a non-voltage when no , A pulse voltage V similar to the bias pulse is obtained from the output terminal Out, and on the left side of the straight line D (when I C + I X is less than Ith) there is no voltage regardless of the presence or absence of the bias pulse, and the output terminal Out is output. No pulse voltage appears.

出力端Outにパルス電圧が現われる期間T、IC(t)の
振幅をIC0とすると、 この期間Tに現われるパルス電圧の数mはm=fB・T、
従って である。fB,fc,IC0,Ithは分っているから、mを測ると
被測定電流IXが分る。パルス数mはカウンタで計数すれ
ばよく、カウンタのようなディジタル素子はジョセフソ
ン接合を含む超伝導回路で容易に構成でき、従ってSQUI
Dと同一チップに付属回路を組込むことが簡単にでき
る。
When the pulse voltage appears at the output terminal Out, T, and the amplitude of I C (t) is I C0 , The number m of pulse voltages appearing in this period T is m = f B · T,
Therefore Is. Since f B , f c , I C0 and Ith are known, the measured current I X is known when m is measured. The number of pulses m can be counted by a counter, and a digital element such as a counter can be easily constructed by a superconducting circuit including a Josephson junction.
It is easy to incorporate the accessory circuit into the same chip as D.

(変形例) 閾値特性は非対称にしてもよく、またバイアス電流の一
部を分流して信号線に流してもよく、このようにしても
同様な動作が得られる。バイアスパルス数IB(t)は矩
形波に限らず、またIB(t)、IC(t)ともオフセット
がかかっていてもよい。制御電流IC(t)は閾値を振っ
て、一定ピーク値のバイアスパルスIB(t)で閾値を越
える点を探すものと言える。従って漸増する部分を持つ
なら3角波に限らず、鋸歯、台形波などでもよく、また
もっと一般に時間に対し線形の領域がないような波形例
えば正弦波形であってもよい。正弦波などのように非線
形性が既知なら、出力カウント数mから被測定電流を算
出することができる。
(Modification) The threshold characteristic may be asymmetrical, or a part of the bias current may be shunted to be flown to the signal line. Even in this case, similar operation can be obtained. The bias pulse number I B (t) is not limited to the rectangular wave, and both I B (t) and I C (t) may be offset. It can be said that the control current I C (t) swings a threshold value and searches for a point that exceeds the threshold value with the bias pulse I B (t) having a constant peak value. Therefore, as long as it has a gradually increasing portion, it is not limited to a triangular wave but may be a sawtooth wave, a trapezoidal wave or the like, and more generally a waveform having no linear region with respect to time, for example, a sine waveform. If the nonlinearity is known, such as a sine wave, the measured current can be calculated from the output count number m.

第3図は、IB(t)、IC(t)とも正負に対称な波形と
し、閾値特性を非対称とした例を示す。本例の閾値特性
Cはジョセフソン接合J1,J2の各臨界電流の比をほゞ1:3
にして得られる。一般にこの比と、ループインダクタン
スの値、ループへのバイアス電流注入点を変えることに
より、種々の形の閾値特性Cが得られる。また本例では
バイアス電流IB(t)を矩形波でなく、図示のように段
をつけて、ピーク値に達している時間を短くしている。
このようにすると、動作点が閾値に接近する場合に生じ
得る熱雑音等による誤動作を受けにくゝなる。
FIG. 3 shows an example in which I B (t) and I C (t) have positive and negative symmetrical waveforms and the threshold characteristic is asymmetric. The threshold characteristic C in this example is a ratio of the critical currents of the Josephson junctions J 1 and J 2 to about 1: 3.
Can be obtained by Generally, by changing this ratio, the value of the loop inductance, and the bias current injection point into the loop, various forms of the threshold characteristic C can be obtained. Further, in this example, the bias current I B (t) is not a rectangular wave, and steps are provided as shown in the figure to shorten the time for reaching the peak value.
This makes it less susceptible to malfunction due to thermal noise or the like that may occur when the operating point approaches the threshold value.

この第3図でも、IBのピークレベルが閾値特性Cと交わ
る点IthをIC(t)+IXが越える部分で出力端Outにパル
スが生じ、その数m1,m2を計数することによりIXが求ま
る。即ち、IC(t)+IXの正側では が成立し、従って またIC(t)+IXの負側では が成立し、従って これら(2),(3)式からIXとなる。この第3図ではIthの値を知らなくても被測定
電流IXが求まる利点がある。
Also in this FIG. 3, a pulse is generated at the output terminal Out at a portion where I C (t) + IX exceeds the point Ith where the peak level of I B intersects with the threshold characteristic C, and the numbers m 1 and m 2 are counted. Gives I X. That is, on the positive side of I C (t) + I X Holds, and therefore On the negative side of I C (t) + I X Holds, and therefore From these equations (2) and (3), I X is Becomes In FIG. 3, there is an advantage that the measured current I X can be obtained without knowing the value of Ith.

パルス数m,m1,m2は第2図、第3図では数個としたが、
実際は100個など多数とし、精度を上げる。
The number of pulses m, m 1 and m 2 are several in FIGS. 2 and 3, but
Actually, increase the accuracy by setting a large number such as 100 pieces.

第3図で閾値特性を非対称にしたのは、閾値特性の右側
ではバイアスパルスの正波による出力のみが現われ、同
左側では同負波による出力のみが現われるようにするた
めである。対称的にすると左,右側でそれぞれ正,負波
が現われ、その処理をしなければならず、厄介である。
The threshold characteristic is made asymmetric in FIG. 3 so that only the positive wave output of the bias pulse appears on the right side of the threshold characteristic and only the negative wave output appears on the left side of the threshold characteristic. If it is made symmetrical, positive and negative waves will appear on the left and right sides, respectively, which must be processed, which is troublesome.

〔実施例〕〔Example〕

第4図に超伝導回路からなる帰還回路を付けた磁束計と
しての回路構成を示す。10は周波数fBの正弦波を発生す
る発振器、12はJJパルサで、周波数fBの正弦波を同じ周
波数の図示波形のパルス(ピーク期間が短いパルス)に
し、これをバイアスパルスIB(t)としてSQUIDに供給
する。発振器10の出力周波数fBは分周器14で分周し、ロ
ーパスフィルタLPFに通して周波数fCの三角波IC(t)
にし、信号線l4へ供給する。また出力端Outの出力パル
スはアップダウンカウンタCTRに供給し、また極性検出
回路18で正,負波を判別し、カウンタCTRに正波のとき
アップカウントu、負波のときダウンカウントdさせ
る。従ってカウンタCTRの計数値は前記のm1−m2であ
り、これが本磁束計回路の出力になる。この出力はまた
PID制御回路22に加えられて、帰還制御のP(比例)成
分、D(微分)成分、およびI(積分)成分となり、こ
れらの和が変換器24によりD/A変換され、帰還電流Ifと
して信号線l3に加えられて、第15図で説明した出力電圧
Vを最小点Minにする制御を行なう。
FIG. 4 shows a circuit configuration as a magnetometer with a feedback circuit made of a superconducting circuit. Oscillator 10 for generating a sine wave of frequency f B, 12 in JJ pulser, the pulse shown waveforms of the same frequency sine wave of a frequency f B and the (peak period is short pulses), which bias pulse I B (t ) Is supplied to SQUID. The output frequency f B of the oscillator 10 is divided by the frequency divider 14 and passed through a low pass filter LPF to generate a triangular wave I C (t) of frequency f C.
And supply it to the signal line l 4 . The output pulse from the output terminal Out is supplied to the up / down counter CTR, and the polarity detection circuit 18 discriminates between positive and negative waves, and the counter CTR is caused to upcount u for a positive wave and downcount d for a negative wave. Therefore, the count value of the counter CTR is the above-mentioned m 1 -m 2 , and this becomes the output of this magnetometer circuit. This output is also
It is added to the PID control circuit 22 to become a P (proportional) component, a D (derivative) component, and an I (integral) component of feedback control, and the sum of these components is D / A converted by a converter 24 to obtain a feedback current If. It is applied to the signal line l 3 to control the output voltage V described in FIG. 15 to the minimum point Min.

この第4図のSQUID磁束計もカウンタCTR、PID制御回路2
2など付属回路が必要であるが、これらは超伝導回路な
どで構成でき、SQUID本体とワンチップ化可能である。
次に各部の構成例を示す。
The SQUID magnetometer of FIG. 4 is also a counter CTR, PID control circuit 2
2 and other accessory circuits are required, but these can be configured with superconducting circuits, etc., and can be integrated into a single chip with the SQUID body.
Next, a configuration example of each unit is shown.

アップダウンカウンタCTRの構成例を第5図、第6図に
示す。カウンタCTRは第5図に示すように同じ構成の1
段分の回路C1,C2……を必要段数縦続接続してなり、初
段C1はクロックCK,▲▼を入力され、計数値の第1
位ビット(LSB)A1を出力する。2段目C2はC1のキャリ
ーを入力され、第2位ビットA2を出力する。以下同様で
ある。第6図は1段分の回路構成を示す。
An example of the configuration of the up / down counter CTR is shown in FIGS. The counter CTR has the same configuration as shown in FIG.
Circuits C1, C2 for stages are connected in cascade for the required number of stages, and the first stage C1 receives the clock CK, ▲ ▼ and receives the first count value.
The most significant bit (LSB) A 1 is output. Second stage C2 is inputted to carry C1, and outputs the second bit A 2. The same applies hereinafter. FIG. 6 shows a circuit configuration for one stage.

第6図はデュアルレール方式のカウンタ1段分を示し、
ラッチ回路30と、+印で示すオアゲートGa1等および・
印で示すアンドゲートGb1等からなる論理回路で構成さ
れる。初段C1の場合、入力Xn-1,▲▼はクロッ
クCK,▲▼であり、この段の出力AnはA1である。次
段への出力Xn,▲▼は である。アップカウントのときu=1,d=0となり、ダ
ウンカウントのときd=1,u=0になる。
Fig. 6 shows one dual rail type counter,
Latch circuit 30 and OR gate G a1 etc. indicated by + and
It is composed of a logic circuit including an AND gate G b1 and the like indicated by a mark. In the case of the first stage C1, the input X n−1 , ▲ ▼ is the clock CK, ▲ ▼, and the output An of this stage is A 1 . Output to the next stage Xn, ▲ ▼ is Is. When counting up, u = 1 and d = 0, and when counting down, d = 1 and u = 0.

第7図にラッチ回路30の例を示す。ラッチ回路には種々
のものがあるが、こゝでは3層電源#1,#2,#3と3個
のオアゲートGaおよびタイムドインバータTIからなる回
路を用いる。アンドゲートGb2の出力を3相電源#1,#
2,#3の位相で各オアゲートへ逐次取込み、2π/3の遅
延後に出力Anを生じる。出力▲▼は2番目のオアゲ
ートからタイムドインバータTIを通して出力される。ヒ
ステリシスを持つジョセフソン接合では、バイアス電流
が閾値を越えると電圧状態になり、この電圧状態はバイ
アス電流が0になるまで維持される。ラッチ回路30の各
オアゲートGaはこのような動作をしており、入力が1で
#1電源が立上ると1番目のオアゲートは閾値を越える
とき電圧状態になり(ラッチし)、#1電源が0になる
迄この状態を維持する。2番目,3番目のオアゲートも同
様に動作する。タイムドインバータTIは要するにインバ
ータであり3番のオアゲートの出力Anとは逆の出力▲
▼を生じるものであるが、ジョセフソン接合利用のイ
ンバータでは最初の反転出力を生じにくいのでこのため
の特別の付加回路を備えている。これには2種の回路が
既知であるが、そのいずれを用いてもよい。
FIG. 7 shows an example of the latch circuit 30. There are various types of latch circuits, but a circuit composed of three-layer power supplies # 1, # 2, # 3, three OR gates Ga and a timed inverter TI is used here. Output of AND gate G b2 is 3-phase power supply # 1, #
It is sequentially taken into each OR gate in the phase of 2, # 3, and the output An is generated after a delay of 2π / 3. The output ▲ ▼ is output from the second OR gate through the timed inverter TI. In the Josephson junction having hysteresis, when the bias current exceeds the threshold value, it becomes a voltage state, and this voltage state is maintained until the bias current becomes zero. Each OR gate Ga of the latch circuit 30 operates in this way. When the input is 1 and the # 1 power supply rises, the first OR gate enters a voltage state (latches) when the threshold is exceeded, and the # 1 power supply is turned on. This state is maintained until it becomes 0. The second and third OR gates operate similarly. The timed inverter TI is basically an inverter, which is the output opposite to the output An of the third OR gate ▲
However, since an inverter using Josephson junction is unlikely to generate the first inverted output, a special additional circuit for this is provided. Two types of circuits are known for this, but either of them may be used.

第6図の回路の動作をアップカウントの場合につき、そ
して初段C1につき説明すると、この場合出力XnはXn-1 A
n従ってCK・A1,▲▼は である。第1クロックが入る前はXn-1=0, An=0,Xn=0,▲▼=1である。
The operation of the circuit of FIG. 6 will be described for the case of up-counting and for the first stage C1. In this case, the output Xn is X n-1 A.
n Therefore CK ・ A 1 , ▲ ▼ is Is. Before the first clock, X n-1 = 0, An = 0, Xn = 0, and ▲ ▼ = 1.

第1クロックが入るとXn-1=1, この第1クロック入力時点ではAn=0であるからアンド
ゲートGb2の出力 は1、これがラッチ30に取込まれ、前記遅延後にAn=1
になる。なおオアゲートGa2などは#1電源で動作す
る。また第1クロック入力時点ではAn=0であるから初
段出力X1は0、▲▼は1である。
When the first clock enters, X n-1 = 1, Since An = 0 at the input of this first clock, the output of the AND gate G b2 Is 1, this is taken into the latch 30, and after the delay, An = 1
become. The OR gate G a2 and the like operate on the # 1 power supply. Further, since An = 0 at the time of inputting the first clock, the first stage output X 1 is 0 and ▲ ▼ is 1.

第2クロックが入ると、今度はAn=1であるからアンド
ゲートGb2の出力は0になり、これがラッチ30に取込ま
れ、前記遅延後にAn=0になる。また第2クロック入力
時点ではAn=1であるから出力X1は1、 になる。
When the second clock is input, the output of the AND gate Gb2 becomes 0 because An = 1 this time, and this is taken into the latch 30, and An = 0 after the delay. At the time of inputting the second clock, An = 1, so the output X 1 is 1. become.

第3クロックが入力すると、An=0であるからアンドゲ
ートGb2の出力は1、これがラッチ30に取込まれ、前記
遅延後にAn=1になる。出力X1は0、▲▼は1であ
る。
When the third clock is input, since An = 0, the output of the AND gate G b2 is 1, which is taken into the latch 30 and becomes An = 1 after the delay. The output X 1 is 0 and ▲ ▼ is 1.

以下同様で、初段の出力Anは0,1,0,1,……となり、次段
へのキャリー出力Xnは0,0,1,0,1……となる。2段目C2
はこのキャリー出力Xnを計数し、A2を0,0,1,1,0,0,……
とし、次段へキャリー出力を生じる。他の段C3,C4,……
の動作も同様である。ダウンカウントのときはu=0,d
=1であるから次段へのボロー出力は になる。
Similarly, the output An of the first stage is 0,1,0,1, ..., and the carry output Xn to the next stage is 0,0,1,0,1 .... Second stage C 2
Counts this carry output Xn and sets A 2 to 0,0,1,1,0,0, ...
And carry output to the next stage. Other stages C3, C4, ...
The operation of is also the same. U = 0, d when counting down
= 1, the borrow output to the next stage is become.

JJパルサ12は別途出願の明細書に記載したようにジョセ
フソン接合1個と抵抗を直列に接続し、これらに並列に
2個直列のジョセフソン接合を接続し、これらに正弦波
を加え、上記直列接続点を出力端とした回路などにより
発生することができる。
The JJ pulser 12 has one Josephson junction and a resistor connected in series as described in the specification of another application, and two Josephson junctions connected in series are connected in parallel to these, and a sine wave is added to them. It can be generated by a circuit having a series connection point as an output end.

第8図にD/A変換器24の例を示す。本体は周知のR−2R
梯子形回路であるが、この各ノードへ供給する電流をジ
ョセフソン素子利用のオアゲートGaで制御する。A1,A2,
……Anはディジタル入力の各ビットである。Anが0のと
き当該ゲートは無電圧状態で、バイアス電流IBは全て該
ゲートを流れ、グランドへ落される。Anが1なら当該ゲ
ートは電圧状態になり、バイアス電流IBはノードNnへも
流れる。他のビットのゲートにおいても同様である。各
ノードは3個の2Rでグランドへ接続された形をしてお
り、各ノードへIBが供給されるとすると各2RへはIB/3が
流れる。従ってAn=1のとき出力線l5へ流れる電流は である。An-1についてはNn側へ流れたIB/3の1/2がl5
流れ、以下これに準ずるので結局出力線l5に流れる電流
Iは になる。これはA1をLSB、AnをMSBとするnビット2値数
のD/A変換出力に他ならない。これらの抵抗は第9図に
示すように超伝導インダクタンスL,2Lに置き換えること
ができる。出力線l5に流れる電流はやはり(5)式で表
わされる。また第10図に示すように、相互インダクタン
スMを用いてもよい。この場合出力線l5に流れる電流I
である。PID制御はD/A変換後のアナログ量に対して行な
うことも可能であるが、第11図に示すようにカウンタCT
Rの出力をレジスタ32,34,36、減算器38、加算器40、お
よび重み付け回路42の組み合せで行なうことができる。
即ち比例(P)成分はレジスタ32の出力をそのまゝ、微
分(D)成分はレジスタ34の前の値との差を減算器38で
求めて、積分(I)成分はレジスタ36の前回までの和を
加算器40で今回の値と加算して重み付け加算器42に入力
すれば、該加算器42の出力はPID制御出力になる。これ
らの加算器および減算器はジョセフソン論理回路で実現
でき、ワンチップ化可能である。
FIG. 8 shows an example of the D / A converter 24. The body is the well-known R-2R
Although it is a ladder circuit, the current supplied to each node is controlled by an OR gate Ga using Josephson devices. A 1 , A 2 ,
...... An is each bit of the digital input. When An is 0, the gate is in a non-voltage state, and the bias current I B all flows through the gate and is dropped to the ground. The gate If An is 1 becomes voltage state, the bias current I B flows also to node Nn. The same applies to the gates of other bits. Each node has a form of being connected to the ground by three 2R, it flows I B / 3 is each When the I B supplied to each node 2R. Therefore, when An = 1, the current flowing to the output line l 5 is Is. As for A n-1 , 1/2 of I B / 3 flowing to the N n side flows to l 5 , which follows, so the current I flowing to the output line l 5 is become. This is nothing but an n-bit binary number D / A conversion output where A 1 is LSB and An is MSB. These resistances can be replaced with superconducting inductances L and 2L as shown in FIG. The current flowing through the output line l 5 is also expressed by the equation (5). Further, as shown in FIG. 10, a mutual inductance M may be used. In this case, the current I flowing through the output line l 5
Is Is. PID control can be performed on the analog quantity after D / A conversion, but as shown in Fig. 11, the counter CT
The output of R can be performed by a combination of the registers 32, 34 and 36, the subtractor 38, the adder 40, and the weighting circuit 42.
That is, the proportional (P) component is the output of the register 32 as it is, the differential (D) component is the difference from the previous value of the register 34 by the subtracter 38, and the integral (I) component is the previous value of the register 36. If the sum of is added to the current value by the adder 40 and is input to the weighting adder 42, the output of the adder 42 becomes the PID control output. These adder and subtractor can be realized by a Josephson logic circuit and can be integrated into one chip.

周波数fCの3角波を作るための分周器14は前記アップダ
ウンカウンタCTRをu=1,d=0として用いればよい。勿
論、常にu=1,d=0であるから、第6図は第13図のよ
うに簡素化することができる。第12図はカウンタ段C1,C
2,……をN段縦続接続して、最終段CNから入力周期Tの
2Nの周期の出力ANを得る状態を示す。第13図はカウンタ
の第i段を示し、入力 ローパスフィルタLPFは第14図に示すように超伝導トラ
ンスTRと、抵抗R、インダクタンスLからなる回路で構
成できる。この回路ではRLの時定数を充分大にしておく
と、入力端INに矩形波が入るとき出力線l6には三角波電
流が流れる。
The frequency divider 14 for generating the triangular wave of the frequency f C may use the up-down counter CTR with u = 1 and d = 0. Of course, since u = 1 and d = 0 always, FIG. 6 can be simplified as shown in FIG. Figure 12 shows counter stages C1 and C
2, ... are cascaded in N stages and the input cycle T from the last stage C N
The state of obtaining the output A N with a period of 2 N is shown. Figure 13 shows the i-th stage of the counter, As shown in FIG. 14, the low pass filter LPF can be composed of a circuit including a superconducting transformer TR, a resistor R and an inductance L. In this circuit, if the time constant of RL is set sufficiently large, a triangular wave current will flow in the output line l 6 when a rectangular wave enters the input terminal IN.

なお第4図〜第14図では各回路を超伝導回路により実現
するが、SQUIDと1チップ化可能なら、同様な機能を果
す他の回路であってもよい。また第4図で帰還回路を取
り除いて、パルス数差から被測定電流IXを得るようにし
てもよい。周波数fCの3角波あるいは鋸歯IC(t)はIB
(t)と同じ発振器の出力を用いず、別途発生するよう
にしてもよい(非同期でよい)。第4図のカウンタCTR
の出力を更に超伝導回路等により記憶、処理するように
してもよく、D/A変換して出力することも可能である。
Although each circuit is realized by a superconducting circuit in FIGS. 4 to 14, other circuits having the same function may be used as long as they can be integrated into one chip with SQUID. Alternatively, the feedback circuit may be removed in FIG. 4 to obtain the measured current I X from the pulse number difference. Triangular wave of frequency f C or saw tooth I C (t) is I B
Instead of using the same oscillator output as (t), it may be generated separately (asynchronously). Counter CTR in Fig. 4
The output of may be further stored and processed by a superconducting circuit or the like, and may be D / A converted and output.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上説明したように本発明では、SQUIDの出力をパルス
数として取り出すので、ディジタル処理の得意なジョセ
フソン素子等からなる超伝導回路によりこれを処理し、
また帰還回路などを構成することができ、同一プロセス
により同じチップ上に集積化することが可能になり、小
型、高感度なSQUIDを提供することができる。
As described above, in the present invention, since the output of the SQUID is extracted as the number of pulses, it is processed by a superconducting circuit composed of a Josephson element or the like, which is good at digital processing,
Further, a feedback circuit or the like can be configured and can be integrated on the same chip by the same process, so that a small and highly sensitive SQUID can be provided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明の原理図、 第2図、第3図は第1図の動作説明図、 第4図は本発明の実施例を示すブロック図、 第5図はアップダウンカウンタのブロック図、 第6図はカウンタ1段分の回路図、 第7図はラッチの回路図及び波形図、 第8図〜第10図はD/A変換器の回路図、 第11図はPID制御回路のブロック図、 第12図は分周器のブロック図、 第13図は分周器の1段分の回路図、 第14図はLPFの回路図、 第15図は従来のSQUIDの説明図、 第16図は従来の磁束計の回路図である。 第1図でJ1,J2はジョセフソン接合、IB(t)はバイア
ス電流、IXは被測定電流、IC(t)は制御電流、Outは
出力端、CTRはカウンタである。
FIG. 1 is a principle diagram of the present invention, FIGS. 2 and 3 are operation explanatory diagrams of FIG. 1, FIG. 4 is a block diagram showing an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a block diagram of an up-down counter. 6 is a circuit diagram for one stage of the counter, FIG. 7 is a circuit diagram and a waveform diagram of the latch, FIGS. 8 to 10 are circuit diagrams of the D / A converter, and FIG. 11 is a diagram of the PID control circuit. Block diagram, Fig. 12 is a block diagram of the frequency divider, Fig. 13 is a circuit diagram of one stage of the frequency divider, Fig. 14 is a circuit diagram of the LPF, Fig. 15 is an explanatory diagram of a conventional SQUID, Figure 16 is a circuit diagram of a conventional magnetometer. In FIG. 1, J 1 and J 2 are Josephson junctions, I B (t) is a bias current, I X is a measured current, I C (t) is a control current, Out is an output terminal, and CTR is a counter.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】2以上のジョセフソン接合(J1,J2)を含
む超伝導ループからなる超伝導量子干渉素子において、 該超伝導ループに繰返しパルス電流よりなるバイアス電
流(IB(t))を供給するとともに、該バイアス電流の
繰返し周波数より低い周波数の制御電流(IC(t))と
信号電流(IX)とにより前記超伝導ループを励磁し、 前記バイアス電流が前記ジョセフソン接合の閾値を越え
ることによって発生するパルス電圧のパルス数(m)を
計数することを特徴とする超伝導量子干渉素子。
1. A superconducting quantum interference device comprising a superconducting loop including two or more Josephson junctions (J 1 , J 2 ), wherein a bias current (I B (t) consisting of a repetitive pulse current is provided in the superconducting loop. ) Is supplied and the superconducting loop is excited by a control current (I C (t)) and a signal current (I X ) having a frequency lower than the repetition frequency of the bias current, and the bias current causes the Josephson junction to flow. A superconducting quantum interference device characterized by counting the number of pulses (m) of a pulse voltage generated by exceeding the threshold of.
【請求項2】前記バイアス電流を供給するための手段
(12)と、前記制御電流を供給するための手段(14,LP
F)と、及び前記パルス電圧のパルス数を計数するため
の手段(CTR)とを備え、これらの手段の一部または全
部が超伝導回路で構成されることを特徴とする特許請求
の範囲第1項記載の超伝導量子干渉素子。
2. Means (12) for supplying the bias current, and means (14, LP) for supplying the control current.
F) and means (CTR) for counting the number of pulses of said pulse voltage, part or all of these means comprising a superconducting circuit. The superconducting quantum interference device according to item 1.
【請求項3】前記パルス電圧のパルス数を計数した結果
に基づいて発生された帰還電流により前記超伝導ループ
を励磁することを特徴とする特許請求の範囲第1項また
は第2項記載の超伝導量子干渉素子。
3. The superconducting loop according to claim 1, wherein the superconducting loop is excited by a feedback current generated based on a result of counting the number of pulses of the pulse voltage. Conduction quantum interference device.
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