JPS6196826A - Dc drive type josephson frequency divider - Google Patents

Dc drive type josephson frequency divider

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JPS6196826A
JPS6196826A JP59217335A JP21733584A JPS6196826A JP S6196826 A JPS6196826 A JP S6196826A JP 59217335 A JP59217335 A JP 59217335A JP 21733584 A JP21733584 A JP 21733584A JP S6196826 A JPS6196826 A JP S6196826A
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josephson
current
flip
frequency divider
circuit
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Yuji Hatano
雄治 波多野
Yutaka Harada
豊 原田
Kunio Yamashita
山下 邦男
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Abstract

PURPOSE:To attain high speed operation by combining two DC drive type Josephson FF circuits, giving each output signal as other input signal and giving it to each element so as to bring the Josephson element in order thereby setting a bias current. CONSTITUTION:A frequency divider is formed by connecting CS circuits CS1, CS2 in cascade. Asymmetrical two-junction magnetic quantum interference elements are used for the Josephson elements 71-74. Each element has three control lines 85, 86 and 87. Bias currents Ib1, Ib2 are given respectively to wires 78, 79, and an input current IN flows to a wire 77. Since a gate current is constant, the operating point exists on a curve A and the operating point on the A is decided by the sum of currents flowing to the said control line. For example, currents +IN, Ib1, I2A are inputted to an element Q1A. In deciding the bias currents Ib1, Ib2, the input of each element changes according to the change in the current IN. That is, output powers I1A, I1B, I2A, I2B show one period change against two periods of change in the input current IN.

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、半導体基板上に形成される直流駆動型のジョ
セフソン論理回路を組合せてなる分周器に係り、特に、
ジョセフソン・コンピュータに適用して好適なものとす
るように動作速度の高速化を図った直流駆動型ジョセフ
ソン分周器に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Application of the Invention] The present invention relates to a frequency divider formed by combining DC-driven Josephson logic circuits formed on a semiconductor substrate, and in particular,
The present invention relates to a DC-driven Josephson frequency divider whose operating speed is increased so that it is suitable for application to Josephson computers.

〔発明の背景〕[Background of the invention]

第1図〜第7図により従来技術とその問題点を説明する
。従来、半導体集積回路による分周器としては種々の方
式のものが提案されている。例えばCharles A
 Lietchi、 ”A GaAs MS IWor
d  Generator  Operating  
at  5   G  bist/5Data  Ra
te”  I  E  E  E   J  、  o
f  MicrowaveThechnics and
 Theory、 Vol、 M T T −30。
The prior art and its problems will be explained with reference to FIGS. 1 to 7. Conventionally, various types of frequency dividers using semiconductor integrated circuits have been proposed. For example, Charles A.
Lietchi, “A GaAs MS IWor.
d Generator Operating
at 5Gbist/5DataRa
te”IEEEEJ, o
f Microwave Thechnics and
Theory, Vol, MTT-30.

Na 7 、 ]、 980 、 P 、 988には
6.5 G Hzで動作するG a A s電界効果ト
ランジスタで構成される分周器が開示されている。消費
電力は1ビット当り約100mWと見積られる。このよ
うな分周器は論理ゲートを組合せて構成されている。ジ
ョセフソン論理回路も論理ゲートを構成できるので、分
周器を構成することができる。特にジョセフソン論理回
路は従来の半導体素子を上回る超高速動作を特徴とする
ので、従来にない高速動作の分周器が構成されることが
期待される。実際、H,C。
Na 7 , ], 980 , P , 988 discloses a frequency divider consisting of Ga As field effect transistors operating at 6.5 GHz. Power consumption is estimated to be approximately 100 mW per bit. Such a frequency divider is constructed by combining logic gates. Since Josephson logic circuits can also form logic gates, they can also form frequency dividers. In particular, Josephson logic circuits are characterized by ultra-high-speed operation that exceeds conventional semiconductor devices, so it is expected that frequency dividers with unprecedented high-speed operation will be constructed. In fact, H,C.

Jones、  ”Self−Activating 
 Toggle”   I  B  MTechnic
al  Disclosure  Bulletin、
  Vol、  2 3  。
Jones, “Self-Activating
Toggle” I B MTechnic
al Disclosure Bulletin,
Vol, 2 3.

Nα9.Feb、1981にはジョセフソン論理回路を
用いた分周器が開示されている。上記文献においては交
流駆動型回路が使用されている。交流駆動方式では、ジ
ョセフソン論理回路を流れる電流波形は第1図に示すよ
うな矩形波になる。第1図において、電流が平坦値に保
たれる領域1の部分が有効期間で、この期間に論理動作
が進行する。
Nα9. Feb. 1981 discloses a frequency divider using a Josephson logic circuit. In the above document, an AC driven circuit is used. In the AC drive method, the current waveform flowing through the Josephson logic circuit becomes a rectangular wave as shown in FIG. In FIG. 1, a region 1 in which the current is kept at a flat value is a valid period, and a logic operation proceeds during this period.

領域2の部分は駆動用電源の極性が切替わる無効期間で
あり、論理動作は進行しない。交流駆動回路においては
領域2の部分を小さくしすぎるとパンチスルー現象と呼
ばれる誤動作が生じてしまう。
Region 2 is an invalid period during which the polarity of the driving power source is switched, and no logic operation proceeds. In an AC drive circuit, if the region 2 is made too small, a malfunction called a punch-through phenomenon will occur.

この現象は、E 、 P 、 )(arris、“P 
unchIl、hrough 1nJosephson
 Logic Devices” I E E E T
rans。
This phenomenon is explained by E, P, ) (Arris, “P
unchIl, through 1nJosephson
Logic Devices”IEEET
rans.

on  M agneヒics、  Vol、  MA
G  −17、Nn  1  。
on Magnetics, Vol, MA
G-17, Nn1.

Jan、1981.PP603−606に開示されてい
る。例えば、誤動作の確率を10−22に抑えるために
は領域2は200ps (ピコ秒)以上なくてはならな
い。すると分周器の可動周波数の上゛ 限は5GHz(
第1図の正半分と負半分の各を独立の期間と考える)以
下となり、従来の半導体回路構成の場合を下回る性能し
か出すことができない。このような困難に対処するため
の1つの解決策は直流駆動型回路を使用することである
。直流駆動型ジョセフソン論理ゲートとしては種々のも
のが知られているが、代表的なものとしてCurren
t、 S jeering C1rcuit (以下C
S回路と呼ぶ)及びHybrid U nlatchi
ng F lip F 1apL ogic E le
ment (以下HUFFLEと略記する)が挙げられ
る。これらは、S、M、Faris、 Loop’fE
lecoder for J osephson Me
mory Arrays”I  E  E  E   
Journal  of  5olid  5tate
  C1rcuits。
Jan, 1981. It is disclosed in PP603-606. For example, in order to suppress the probability of malfunction to 10-22, region 2 must be 200 ps (picoseconds) or more. Then, the upper limit of the movable frequency of the frequency divider is 5 GHz (
(considering the positive and negative halves of FIG. 1 as independent periods), and the performance is lower than that of the conventional semiconductor circuit configuration. One solution to address these difficulties is to use DC driven circuits. Various types of DC-driven Josephson logic gates are known, but a typical one is the Curren
t, Sjeering C1rcuit (hereinafter referred to as C
S circuit) and Hybrid Unlatch
ng F lip F 1apL logic E le
ment (hereinafter abbreviated as HUFFLE). These are S, M, Faris, Loop'fE
Recorder for Josephson Me
mory Arrays" I E E E
Journal of 5solid 5tate
C1rcuits.

Vol、 SC−14,Nn4. Aug、  197
9゜pp、699−70’7及びA 、 F 、 He
bard他、”A  DC−Powered Jose
phson Flip Flop”I  E  E  
E   Trans、  on  Magnetics
、  Vol、  MAG15、Nα1.Jan、にそ
れぞれ開示されている論理ゲートである。
Vol, SC-14, Nn4. August, 197
9゜pp, 699-70'7 and A, F, He
bard et al., “A DC-Powered Jose
phson Flip Flop” I E E
E Trans, on Magnetics
, Vol, MAG15, Nα1. These are logic gates disclosed in Jan.

以下、C8回路及びHUFFLEの動作を図を用いて説
明する。C8回路及びHUFFLEは基本的には2個の
ジョセフソン素子とインダクタンス、抵抗の組合せで植
成されている。1個のジョセフソン素子とは、単独のジ
ョセフソン接合または複数のジョセフソン接合からなる
ジョセフソン磁気量子干渉計である。このジョセフソン
素子のしきい値特性が第2図に示すものであるとする。
The operation of the C8 circuit and HUFFLE will be explained below using diagrams. The C8 circuit and HUFFLE are basically implanted with a combination of two Josephson elements, an inductance, and a resistance. One Josephson element is a Josephson magnetic quantum interferometer consisting of a single Josephson junction or a plurality of Josephson junctions. It is assumed that the threshold characteristic of this Josephson element is as shown in FIG.

第2図において、11がしきい値曲線を示し、12はジ
ョセフソン素子、■、はゲート電流。
In FIG. 2, 11 represents a threshold curve, 12 represents a Josephson device, and ■ represents a gate current.

I、は制御電流fIilはバイアス電流である。I, is a control current fIil is a bias current.

C8回路、HUFFLEにおいては、それらを構成する
2個のジョセフソン素子の動作点が、交互入力電流fI
Bはバイアス電流t 工、及びI2はそれぞ九人側のル
ープ及び右側のルニプを流れる電流、Ll及びL2はイ
ンダクタンスである。Ll、L2の比は1:3程度以上
離れている。これは初期設定のためである。バイアス電
流工。1゜1112を適当に(即ち第2図の動作点13
.14を実現するように)設定した場合、第4図に示す
ような人出特性を示す。第4図(a)は入力電流Iih
を、(b)はそれぞれのル ープの出力電流11.I2を示している。なお、O8回
路においては、ジョセフソン素子に並列にダンピング抵
抗を設けるのが普通であるが、第2図では省略されてい
る。同様に、HUFFLEの回路構成と入出力特性を第
5図、第6図に示す。
In the C8 circuit and HUFFLE, the operating point of the two Josephson elements that constitute them is the alternating input current fI.
B is the bias current t, I2 is the current flowing through the nine-side loop and the right lunip, respectively, and Ll and L2 are inductances. The ratio of Ll and L2 is about 1:3 or more apart. This is for initial settings. Bias electrician. 1°1112 (i.e. operating point 13 in Figure 2)
.. 14), the crowding characteristics shown in FIG. 4 will be shown. Figure 4(a) shows the input current Iih
, (b) is the output current 11. of each loop. I2 is shown. Note that in the O8 circuit, it is common to provide a damping resistor in parallel with the Josephson element, but this is omitted in FIG. Similarly, the circuit configuration and input/output characteristics of HUFFLE are shown in FIGS. 5 and 6.

Lは負荷インダクタンス、RLは負荷抵抗I  Iot
mは出力電流であり、その他の符号は第3図の場合と同
じである。バイアス電流■8 は、この場合も第2図の
動作点13.14が実現されるように設定される。
L is load inductance, RL is load resistance I IoT
m is the output current, and the other symbols are the same as in FIG. The bias current 8 is set so that operating points 13 and 14 in FIG. 2 are achieved in this case as well.

C8回路及びHUFFLEは多数決論理動作を行う。・
従ってバイアス電流の大きさを適当に設定し、かつ入力
の向きを適当に設定することにより、□R,AND、N
OR,NANDの任意の機能をC8回路あるいはHUF
FLEによって実現させることができる。
The C8 circuit and HUFFLE perform majority logic operation.・
Therefore, by appropriately setting the magnitude of the bias current and appropriately setting the input direction, □R, AND, N
Any function of OR or NAND can be implemented in C8 circuit or HUF.
This can be realized by FLE.

ここで、第7図に既存の半導体回路で構成された分周器
の回路図の一例を示す。これは、SEM−ICONDU
CTRDATA  BOOK(TTL) HI TAC
HI 、 1980. P、90i:開示0.されてい
るものである。2個のNANDAND素子個のAND素
子と、2個のNOR素子とで構成され、入力信号CLK
に対してQ出力またはd出一力は半分の周波数に分周さ
れる。第7図の各ゲートをそれぞれC8回路またはHU
FFLEで置換するとすれば分周回路が得られるが、回
路の集積度と速度に限界がある。68回路及び HUFFLEの動作速度はダンピング抵抗、負荷抵抗の
大きさにもよるが、主として負荷インダクタンス(第3
図のL1+L2.第5図のL)に依存する。そして°こ
れらのインダクタンスはある一定値以上の値になるよう
にしないとゲート動作が不安定になる。例えばジョセフ
ソン素子として、臨界電流密度がl O00A/cnf
、接合面積が5μmφのジョセフソン接合2個からなる
2接合値を越えた時点がら出力が定常値の90%に達す
半周期は概ね90ps以上なくてはならずHUFFLE
を用いた場合は135ps以上なくてはならないことに
なり、分周器の可動周波数の上限は5.5GHz及び3
.7GHzとなり、やはり従来のG a A s電界効
果トランジスタで構成される6、5GHzで動作する分
周器(前述したC harles A  L 1ejc
hiの文献)を下回る性能しか出すことができない。
Here, FIG. 7 shows an example of a circuit diagram of a frequency divider constructed from an existing semiconductor circuit. This is SEM-ICONDU
CTRDATA BOOK (TTL) HI TAC
H.I., 1980. P, 90i: Disclosure 0. This is what is being done. Consists of two NAND AND elements, two NOR elements, and input signal CLK.
In contrast, the Q output or the d output is divided into half the frequency. Each gate in Figure 7 is connected to a C8 circuit or HU.
If FFLE is used instead, a frequency divider circuit can be obtained, but there are limits to the degree of integration and speed of the circuit. The operating speed of the 68 circuit and HUFFLE depends on the magnitude of the damping resistance and load resistance, but it mainly depends on the load inductance (third
L1+L2 in the diagram. It depends on L) in FIG. And unless these inductances are set to a certain value or higher, gate operation will become unstable. For example, as a Josephson element, the critical current density is l O00A/cnf
, the half cycle in which the output reaches 90% of the steady value from the time when it exceeds the 2-junction value consisting of two Josephson junctions with a junction area of 5 μmφ must be approximately 90 ps or more, HUFFLE.
When using the
.. 7 GHz, and a frequency divider operating at 6.5 GHz, also made of conventional GaAs field effect transistors (the aforementioned Charles AL 1ejc
It is possible to achieve a performance that is lower than that of the literature published by H.I.

〔発明の目的〕[Purpose of the invention]

本発明の目的は、従来技術での上記した問題点を解決し
、直流駆動型ジョセフソン集積回路により、既存の半導
体素子からなる分周器を上回る高速動作が可能な分周器
を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems in the prior art and to provide a frequency divider that uses a DC-driven Josephson integrated circuit and can operate at higher speed than existing frequency dividers made of semiconductor elements. It is in.

〔発明の概要〕[Summary of the invention]

本発明はかかる目的を達成するため、1個又は2個のジ
ョセフソン接合で形成れさるジョセフソン素子を2つ有
する直流駆動型ジョセフソン・フリップフロップ回路を
少なくとも2つ有し、夫々の出力信号が他の入力信号と
して与えるよう接続し、かつ4つのジョセフソン素子の
うち一つか順に電圧状態となるよう各ジョセフソン素子
に与え路を組合せた分周器の実施例を以下に述べる。ま
ず、フリップフロップ回路としてO5回路を用いた最も
基本的な分周器を第8図を用いて説明する。
In order to achieve such an object, the present invention has at least two DC-driven Josephson flip-flop circuits each having two Josephson elements formed by one or two Josephson junctions, and each output signal is An embodiment of a frequency divider is described below, in which each Josephson element is connected to provide another input signal, and a supply path is combined with each Josephson element so that one of the four Josephson elements is in a voltage state in turn. First, the most basic frequency divider using an O5 circuit as a flip-flop circuit will be explained with reference to FIG.

この分周器は第8図(a)に示すように2個のC8回路
C3I、C82を縦続に接続した形となっている。第8
図(a)で+ 71.72,73゜74はCS回路C5
I、C52の構成要素となるジョセフソン素子で、ここ
では非対称2接合磁気量子干渉計を用いており、このう
ち、71 、’ 72はゲート電流■5の電流源75に
より、73゜74は同じく@流源76によりそれぞれ駆
動されている。各ジョセフソン素子はそれぞれ3本の制
御線を有する。配線78は索子71,72にバイアス電
流工ゎ、を与え、配線79は索子73゜74にバイアス
電流Ib2を与える。配線77は入力電流INが流れる
配線である。ジョセフソン素子の構造を第8図(b)に
示す。この素子はジョセフソン接合J1.J2とこれら
を結ぶインダクタンスしによって閉路を形成している。
This frequency divider has a configuration in which two C8 circuits C3I and C82 are connected in series, as shown in FIG. 8(a). 8th
In figure (a), +71.72, 73°74 is CS circuit C5
The Josephson element is a component of I, C52, and here an asymmetric two-junction magnetic quantum interferometer is used. @ They are each driven by a flow source 76. Each Josephson element has three control lines. The wiring 78 applies a bias current Ib2 to the cables 71 and 72, and the wiring 79 applies a bias current Ib2 to the cables 73 and 74. The wiring 77 is a wiring through which the input current IN flows. The structure of the Josephson element is shown in FIG. 8(b). This device has a Josephson junction J1. A closed circuit is formed by J2 and an inductance connecting these.

、3本の制御線85,86.87は磁気的にインダクタ
ンス縦軸、はゲート電流1.である。
, three control lines 85, 86, and 87 are magnetically inductance vertical axis, and gate current 1. It is.

ゲート電流は11で一定なので、動作点はA上に存在す
る。
Since the gate current is constant at 11, the operating point exists on A.

制御線85,86.87を流れる電流の和により、A上
の動作点が定まる。素子が非対称構造であるため、しき
い値曲線88の形状は非対称となる。このような非対称
とする理由は、Bにおけるしきい値曲線88の勾配ΔI
g/ΔIoを急峻なものとし、予想されるノイズ、クロ
ストーク等に由来するゲート電流■1の変動により、閾
値電流I Ticの変動を抑えて安定な動作領域を得る
ためである。非対象であるため、ゲート電流が注出する
部分にCのマークを付しである。ダンピング抵抗Roの
大きさは、Jl、J2の接合容量をc、Tとし、素子7
1.72とインダクタンス8oで形成される閉ループの
全インダクタンスをLTとすると の関係にある。入力電流INは■1/2のオフセットを
有し、ピーク・ツウ・ピークの振幅が■、である正弦波
もしくはそれに類似波形を有する電流である。
The operating point on A is determined by the sum of the currents flowing through the control lines 85, 86, and 87. Due to the asymmetric structure of the device, the shape of threshold curve 88 is asymmetric. The reason for this asymmetry is that the slope ΔI of the threshold curve 88 at B
This is to obtain a stable operating region by making g/ΔIo steep and suppressing fluctuations in the threshold current I Tic due to fluctuations in the gate current 1 due to expected noise, crosstalk, and the like. Since it is asymmetrical, the part where the gate current is injected is marked with C. The magnitude of the damping resistance Ro is determined by the junction capacitance of Jl and J2 being c and T, and the element 7
1.72 and an inductance of 8o, where LT is the total inductance of the closed loop. The input current IN has an offset of 1/2 and a peak-to-peak amplitude of 2, which is a sine wave or a similar waveform.

この分周器の動作を第8図(e)により説明する。The operation of this frequency divider will be explained with reference to FIG. 8(e).

それに先立ち、各素子の名゛称と出方電流の名称を第8
図(d)のように定める。即ち、素子71,72゜73
.74をそれぞれQ 1.A I Q L B + Q
 2 A!Q 2 Bとし、それぞれの出力電流を11
1゜rzat rzAt  rzaとする。素子の1A
には3電流+IN、IゎLtI2Aが入力される。同様
に、O18には+IN= I−1,I 2 Bが。
Prior to that, the name of each element and the name of the output current were
Define as shown in figure (d). That is, elements 71, 72° 73
.. 74 respectively Q1. A I Q L B + Q
2 A! Q 2 B, and each output current is 11
1°rzat rzAt rza. 1A of element
3 currents +IN and IゎLtI2A are input to. Similarly, O18 has +IN=I-1,I2B.

02 kには−IN、1%、□、■18が、Q 2 B
には−IN、I、2.I、Aが入力される。第8図(c
)に示したような大きさにバイアス電流I5゜及びIk
2を定めると入力電流INの変化に従って各素子の入力
は第8図(e)に示すように変化する。同図において、
矢印の長さは電流の大きさを、矢印の向きは電流の方向
を示している。まず、初層状態として入力電流INが零
であり、ゲート電流工、が零からゆるやかに定常値まで
上げられたQzeに流れ、11A*I2A中0,11B
中I211中I、=Iとなる。このとき第8図(e)の
91の欄に、各矢印の大きさで示す電流が各制御脇を流
れ、合計ではその下の96の計の欄に矢印で示すような
電流が流れている。これによりQ 2 Aのみで制御線
電流の和が閾値ITlcを越えるがo Q 2 Aには
はじめからゲート電流が流れていないため出力電流の状
態に変化はない。この状態で入力電流INが0からIに
上げられると各素子の各制御線には92の欄に示す電流
が流れることになり、合計では97の欄に示すような電
流となる。これによりC4,のみで制御線電流の和が閾
値工。を越える。Qlllにはこの時点でゲート電流■
、が流れているからC18は零電圧状態から電圧状態に
スイッチする。すると今までQ 1 Bに流れていたゲ
ート電流はほぼ全量がQ 1 kの方に流れIo、jI
、r、11soとなる。Q、llのゲート電流が零に近
付いた時点でQ 、nは再び零電圧状態に復帰する。Q
 L Aの制御線電流の和は1、以下であるからQ i
 kは依然として零電圧状態にある。IiAが0からI
に増加したことによであることは変らす零電圧状態のま
まである。
02 k has -IN, 1%, □, ■18, Q 2 B
-IN, I, 2. I and A are input. Figure 8 (c
), the bias currents I5° and Ik
2 is determined, the input to each element changes as shown in FIG. 8(e) as the input current IN changes. In the same figure,
The length of the arrow indicates the magnitude of the current, and the direction of the arrow indicates the direction of the current. First, as the initial layer state, the input current IN is zero, the gate current flows to Qze, which is gradually raised from zero to a steady value, and 0.11B in 11A*I2A.
Medium I211 Medium I, =I. At this time, in the 91 column of Figure 8(e), the current shown by the size of each arrow flows beside each control, and the total current flows as shown by the arrow in the 96 total column below. . As a result, the sum of the control line currents exceeds the threshold ITlc only in Q 2 A, but since no gate current flows through Q 2 A from the beginning, there is no change in the state of the output current. When the input current IN is increased from 0 to I in this state, the current shown in column 92 flows through each control line of each element, resulting in a total current as shown in column 97. As a result, the sum of the control line currents only at C4 becomes the threshold value. exceed. At this point, Qllll has a gate current ■
, is flowing, so C18 switches from the zero voltage state to the voltage state. Then, almost all of the gate current that had been flowing to Q 1 B flows to Q 1 k, and Io, jI
, r, 11so. When the gate currents of Q and 11 approach zero, Q and n return to the zero voltage state again. Q
Since the sum of the control line currents of LA is 1 or less, Q i
k is still in a zero voltage state. IiA from 0 to I
Due to the increase in voltage, it remains in the zero voltage state.

すなわち11戸−9118卸09I2Aキ0゜I2B卸
Iとなったところで定常状態に達する。
That is, a steady state is reached when 11 houses - 9118 wholesale 09 I2 A ki 0° I2B wholesale I are reached.

次にINが半周期進んで0になると今度は各素子の制御
線には93の欄に示す電流が流れることになりQ 2 
Bが零電圧状態→電圧状態→零電圧状態のスイッチを起
こし、出力電流が切替る。以下同様に94の欄ではQl
Aが、95の欄ではQ2Aがスイッチする。
Next, when IN advances by half a cycle and reaches 0, the current shown in column 93 will flow through the control line of each element, so Q 2
B causes a switch from zero voltage state to voltage state to zero voltage state, and the output current changes. Similarly, in column 94, Ql
A switches Q2A in the 95 column.

即ち、入力電流INの2周期に対して出力電流i’tA
+  l1RI  I2&? I211は1周期の変化
を示し、分周動作が成立している。
That is, for two periods of input current IN, output current i'tA
+ l1RI I2&? I211 shows a change of one cycle, and a frequency division operation is established.

さて、第8図の分周器の性能はまだ改善の余地゛   
  がある。再度CS回路の動作を検討する。第9図(
a)はC8回路の特定の構造を、第9図(b)はそのC
8回路負荷インダクタンスL1又はL2の大きさと時間
τの関係を示したものである。スイッチング時間τは、
入力が素子のしきい値を横切った時点から出力が定常値
の90%に達する時点までジョセフソン接合は鉛合金系
電極を用い、臨界電流密度1000 mA/antであ
る直径5μmのジョセフソン接合により実現される。こ
のC8回路は負荷インダクタンスL2が増加すると、図
に示すようにスイッチング時間τが増加する。L2があ
まり小さくなるとO8回路の動作が起こらなくなるが、
高速動作を目指すにはL2は小さめがよ゛い。
Now, there is still room for improvement in the performance of the frequency divider shown in Figure 8.
There is. Let us consider the operation of the CS circuit again. Figure 9 (
a) shows the specific structure of the C8 circuit, and FIG. 9(b) shows its C8 circuit.
8 shows the relationship between the magnitude of the load inductance L1 or L2 and the time τ. The switching time τ is
From the time when the input crosses the threshold of the element to the time when the output reaches 90% of the steady value, the Josephson junction uses a lead alloy electrode and a 5 μm diameter Josephson junction with a critical current density of 1000 mA/ant. Realized. In this C8 circuit, when the load inductance L2 increases, the switching time τ increases as shown in the figure. If L2 becomes too small, the O8 circuit will not operate, but
To aim for high-speed operation, L2 should be small.

一方、前記第8図の回路では、負荷インダクタンスとい
う意味ではこのL2に相当するインダクタンス80.8
1が巨大にならざるを得ない。ここでも素子として臨界
ジョセフソン電流が0.2m A 、接合容量が0.8
pFのジョセフソン接合2個で構成される2接合磁気量
子干渉計を用いた例をとって数値的な議論を行う。いま
、全ての配線は5μm幅であるとする。ジョセフソン素
子を構成する各電極及び絶縁膜の膜厚は公知例J、H。
On the other hand, in the circuit shown in FIG. 8, the inductance corresponding to L2 is 80.8 in terms of load inductance.
1 has to become huge. Here again, the element has a critical Josephson current of 0.2 mA and a junction capacitance of 0.8.
A numerical discussion will be given using an example using a two-junction magnetic quantum interferometer composed of two pF Josephson junctions. It is now assumed that all wiring has a width of 5 μm. The film thicknesses of each electrode and insulating film constituting the Josephson element are those of known examples J and H.

G reiner他”Fabricat、ion Pr
ocess forJ osephson   I  
ntegrat、ed  C1rcuijs”   I
  B  M   J  −Res、 Develop
 Vol、 24. Na2. March、1980
に従う。するとLlは概ね50pHを下回ることはでと
して用いることをせず、工2のみを用いることにすれば
次段の素子との結合で生じるインダクタンスは全てL2
側に付加され、Llは最小限に抑1.12,113,1
14はジョセフソン素子で第8図(b)に示した2接合
磁気量子干渉計を用いる。
G reiner et al.”Fabricat, ion Pr
ocess for J osephson I
ntegrat, ed C1rcuijs” I
BMJ-Res, Develop
Vol, 24. Na2. March, 1980
Follow. Then, if Ll is not used as it cannot be lower than approximately 50 pH, and if only Step 2 is used, all the inductance caused by coupling with the next stage element will be L2.
added to the side, Ll is minimized 1.12,113,1
Reference numeral 14 denotes a Josephson element, and a two-junction magnetic quantum interferometer shown in FIG. 8(b) is used.

illと112はゲート電流■1の電流源115により
、113と114は同じく電流源116によりそれぞれ
駆動される。Li2,119゜120.121はそれぞ
れ素子111〜114にバイアス電流■bx+  ■b
□+  Ib□1Ib4を与える電流線である。117
は入力電流INが流れる配線である。第8図(a)の回
路との差はジョセフソン素子112,114の出力線が
直接アースに接続され、一方ジョセフソン素子111の
出力線については、素子113,114を介し、素子1
13の出力線については素子111,112を介してア
ースに接続されていることである。つまり、素子111
,113の出力線の方が素子112.114の出力線よ
りもきわめて長くインダクタンスが大きいので第8図(
a)に示すインダクタンス80.81及び82.83が
不用である。
ill and 112 are driven by a current source 115 with gate current 1, and 113 and 114 are driven by a current source 116, respectively. Li2, 119゜120.121 is a bias current ■bx+ ■b for elements 111 to 114, respectively.
□+Ib□1Ib4 is the current line. 117
is the wiring through which the input current IN flows. The difference from the circuit in FIG. 8(a) is that the output lines of Josephson elements 112 and 114 are directly connected to ground, while the output lines of Josephson element 111 are connected to element 1 through elements 113 and 114.
The output line No. 13 is connected to ground via elements 111 and 112. In other words, element 111
, 113 are much longer and have a larger inductance than the output lines of elements 112 and 114, so the output lines shown in Fig. 8 (
Inductances 80.81 and 82.83 shown in a) are unnecessary.

バイアス条件を第10図(b)に示すしきい値曲線12
2により説明する。ゲート電流T5における素子のしき
い値を1.とすると である。入力電流INはI/2のオフセットを有し、ピ
ーク・ツウ・ピークの振幅が1である正弦波もしくは類
似波形の電流である。この分周器の動作を第10図(C
)に示す。
Threshold curve 12 whose bias conditions are shown in FIG. 10(b)
2 will be explained. The threshold value of the device at gate current T5 is set to 1. Then, it is. The input current IN is a sinusoidal or similar waveform current with an offset of I/2 and a peak-to-peak amplitude of 1. The operation of this frequency divider is shown in Figure 10 (C
).

まず初期状態として入力電流INが工であり、ゲート電
流がOからゆるやかに定常値■まで上げられたとする。
First, assume that the input current IN is 0 as an initial state, and the gate current is gradually raised from 0 to a steady value .

その状態及びその後INが1/2周期進むごとの各素子
への制suI!A入力の状態を第8図(e)と同じよう
に[131〜135に示す。
In that state and thereafter, control suI to each element every time IN advances by 1/2 period! The states of the A input are shown in [131 to 135] in the same way as in FIG. 8(e).

この場合も、入力2周期に対して出力電流I L A 
112Aが1周期変化し、正常な分周動作が行われてい
る。この第10図実施例によると、第8図(a)法は、
次段の分周器の入力線に存在する負荷インダクタンスを
最小にするようなものでなくてはならない。この負荷イ
ンダクタンスは、次段の分周器の素子との結合部と、そ
れらを結ぶ配線との寄与に分けることができる。いま、
仮定として、配線として5μm線幅を用い、素子として
臨界ジョセフソン電流が0.2mA、接合容量が0.8
pHのジョセフソン接合2個とそれらを結ぶ約0.8p
Hのインダクタンスで構成される非対称2接合磁気量子
干渉計を用いることを考えると、前記公知側文献(J 
、H,Greiner、他著)と同じプロセス技術を用
いる場合、素子との結合部におけるインダクタンスは1
個の素子に対して約20pH1配線インダクタンスは配
線長10μmあたり約1pHとなる。通常の結線法では
前者の寄与が大きくなりがちである。従って負荷インダ
クタンスを小さくするには、結合する負荷素子の数を最
小に抑えなくてはならない。もし、C3回路2個で1つ
の分周回路を構成し、これを2段以上接ことのできる2
ビット分周器の結線法を示す。1つの分周器を3個のC
8回路で構成し、そのうちの2個は次段駆動用とする。
In this case as well, the output current I L A for two input cycles
112A changes by one cycle, and normal frequency dividing operation is performed. According to the embodiment in FIG. 10, the method in FIG. 8(a) is as follows:
It must be such that the load inductance present on the input line of the next stage divider is minimized. This load inductance can be divided into contributions from the coupling portion with the next-stage frequency divider element and the wiring connecting them. now,
Assuming that the wiring has a line width of 5 μm, the critical Josephson current of the device is 0.2 mA, and the junction capacitance is 0.8.
Two pH Josephson junctions and about 0.8p connecting them
Considering the use of an asymmetric two-junction magnetic quantum interferometer configured with an inductance of
, H. Greiner, et al.), the inductance at the junction with the element is 1.
The wiring inductance of approximately 20 pH1 for each element is approximately 1 pH per 10 μm of wiring length. In normal wiring methods, the contribution of the former tends to be large. Therefore, in order to reduce the load inductance, the number of coupled load elements must be minimized. If two C3 circuits constitute one frequency dividing circuit, and two or more stages can be connected,
This shows how to connect a bit frequency divider. 1 frequency divider to 3 C
It consists of eight circuits, two of which are for driving the next stage.

分周器を構成する3個のCS回路141,142,14
3の負荷素子の数は、それぞれ4個、2個、4個となっ
ており、改善が図られている。また先頭の分周器の高速
化を最優先にすることが多段の分周器の動作速度の向上
につながるので、先頭分周器と2番目の分周器の結線法
を変え、先頭分周器の負荷となる配線長が最小になるよ
うにしている。図中の各C8回路141,142,14
3,144,145゜146の負荷インダクタンスはそ
れぞれ約126゜90.125,155,95,155
pHとなる。
Three CS circuits 141, 142, 14 forming a frequency divider
The number of load elements in No. 3 is 4, 2, and 4, respectively, which is an improvement. In addition, giving top priority to increasing the speed of the first frequency divider will lead to improving the operating speed of multi-stage frequency dividers, so we changed the wiring method of the first frequency divider and the second frequency divider. The length of the wiring, which is a load on the device, is kept to a minimum. Each C8 circuit 141, 142, 14 in the diagram
The load inductance of 3,144,145°146 is approximately 126°90.125,155,95,155 respectively.
It becomes pH.

ただし第3の全周器も第2の分周器と同型の結線が行わ
れるとしてC8回路146の負荷を求めた。
However, the load on the C8 circuit 146 was determined assuming that the third all-frequency divider is also connected in the same type as the second frequency divider.

147は被分周信号電流INの入力線であり。147 is an input line for the divided signal current IN.

1480.1490,1500,1510゜1520.
1530はバイアス電流I51゜■1□*  Ibme
  Ib4v  Iゎ591ゎ、の入力線であり、15
40..1550,1560゜すると、I g=0.3
mAとした場合、Ibtx〜1.4は(3)式と同様の
制限を受け、それぞれ例トを有し、ピーク・ツウ・ピー
クが0.3mAの振幅を有する正弦波電流を与える。第
11図(b)は入力周波数を16GHzとした場合のシ
ミュレーション結果を示す。図中のrl、r2.rヨ。
1480.1490,1500,1510°1520.
1530 is bias current I51゜■1□* Ibme
Ib4v Iゎ591ゎ, is the input line, 15
40. .. 1550, 1560°, I g=0.3
mA, Ibtx~1.4 is subject to the same limitations as in equation (3), each having an example, and giving a sinusoidal current with a peak-to-peak amplitude of 0.3 mA. FIG. 11(b) shows simulation results when the input frequency is 16 GHz. rl, r2. ryo.

I4はそれぞれCS回路141,142,143゜14
4の出力電流である。正常な動作が行われ、従来例(前
出文献Charles A  L 1e11.chi著
)を上回る性能が得られることがわかる。
I4 are CS circuits 141, 142, 143°14, respectively.
4 output current. It can be seen that normal operation is performed and performance superior to the conventional example (authored by Charles AL 1e11.chi, cited above) is obtained.

以上、C8回路を2個あるいは3個組合せた構成の分周
器の動作を説明したが、フリップフロップ回路としてH
UFFLEを用いても、同様の分周器が構成できる。基
本となる1ビツトの構成を第12図(a)に示す。同図
で151,152゜153.154はHUFFLEの構
成要素となる素子で、ここでは非対称2接合磁気量子干
渉計袈用いている。。素子tStはゲート電流Igの電
流の制#線を有している。配、1160は素子151及
び153に、配線161は素子152及び154にそれ
ぞれバイアス電流を与える。159は人166.167
は磁気的にインダクタンスLと結合している。この素子
のしきい値曲線を第12図(C)に示す。非対称のしき
い値曲線となるようにしたのはC8回路の場合と同様の
理由による。第12図(b)においてR,は負荷抵抗で
あり、ジョセフソン接合J1またはJ2の準粒子トンネ
ル抵抗をR工とすると、RL、は 程度に設定される。R,を大きくしすぎるとハングアッ
プ現象が生じ、スイッチング動作が阻害される。一方、
RL、を小さくするとスイッチングが遅くなる。第12
図(c)にはバイアス電流1 bl及びIb2の設定法
も併せて示されている。ゲート電流Igにおける素子の
しきい値を■。、及びt−2(rオ、<r。2)とする
と ツウ・ピークの振幅が2I程度である正弦波もしくはそ
れに類似の波形をもつ電流である。
The operation of the frequency divider configured by combining two or three C8 circuits has been explained above, but as a flip-flop circuit,
A similar frequency divider can also be constructed using UFFLE. The basic 1-bit configuration is shown in FIG. 12(a). In the figure, 151, 152°, 153, and 154 are elements that are the constituent elements of HUFFLE, and here an asymmetric two-junction magnetic quantum interferometer is used. . Element tSt has a current control line for gate current Ig. The wiring 1160 applies bias current to the elements 151 and 153, and the wiring 161 applies bias current to the elements 152 and 154, respectively. 159 is a person 166.167
is magnetically coupled to the inductance L. The threshold curve of this device is shown in FIG. 12(C). The reason why the threshold curve is asymmetric is the same as that of the C8 circuit. In FIG. 12(b), R is a load resistance, and if the quasi-particle tunnel resistance of Josephson junction J1 or J2 is R, then RL is set to approximately. If R is made too large, a hang-up phenomenon occurs and the switching operation is inhibited. on the other hand,
When RL is made smaller, switching becomes slower. 12th
The method for setting the bias currents 1 bl and Ib2 is also shown in FIG. The threshold value of the device at gate current Ig is ■. , and t-2 (ro,<r.2), the current has a sine wave or a waveform similar to the sine wave with a two-peak amplitude of about 2I.

この分周器の動作を第12図(e)により説明する。説
明に先立ち各素子と出力電流の名称を第12図(d)の
ように定める。素子の1Aには+ I N、  r b
 x及び+I2が入力される。同様に、Q t gには
+IN、1.□、−I2が、Q 2 kには−IN、I
 、、、−I 1が、Q2Iiには−IN。
The operation of this frequency divider will be explained with reference to FIG. 12(e). Prior to the explanation, the names of each element and output current are determined as shown in FIG. 12(d). + I N, r b for 1A of the element
x and +I2 are input. Similarly, Q t g has +IN, 1. □, -I2, but -IN, I for Q 2 k
,,, -I 1 is -IN for Q2Ii.

11□、+11が入力される。第12図(c)に示した
ようにバイアス電流■、、1及びIb2を定めると入力
電流INの変化に従って各素子への入力は第12図(e
)のように変化する。まず、初期状態として入力INが
零でありゲート電流■、がゆるやかに定常値まで上げら
れたとする。次にバイアス電流1bLを一時的にI T
IC2以上にし1次に元の値に戻す。すると索子Q1A
及びQ 2 Aは電圧状態になり、■1シ+Ig、I2
シ+rgとなる。この状態でINが零から■、に上げら
れると第12図(e)の181の欄に各矢印の大きさで
示すような電流が各素子の制御線を流れ、合計ではらな
い。入力INが次の半周期進んで一■になると、今度は
182の欄に示す制御線電流が流れQ2Bがスイッチし
、Q z Aはその反動で零電圧状態に戻る。以下同様
に183の欄でQ工8゜184の潤でQ z Aがスイ
ッチし、185の欄では再び元の事象に戻ってQIAが
スイッチする。
11□, +11 is input. When the bias currents ■, , 1 and Ib2 are determined as shown in Figure 12(c), the input to each element changes as the input current IN changes as shown in Figure 12(e).
). First, it is assumed that the input IN is zero as an initial state and the gate current (2) is gradually raised to a steady value. Next, the bias current 1bL is temporarily set to I T
Increase the IC to 2 or more and return to the original value as the primary. Then Sakuko Q1A
and Q 2 A becomes a voltage state, and ■1 + Ig, I2
It becomes shi+rg. In this state, when IN is raised from zero to {circle around (2)}, currents as shown by the size of each arrow in the column 181 in FIG. 12(e) flow through the control lines of each element, but are not total. When the input IN advances for the next half cycle and reaches 1, the control line current shown in column 182 flows, Q2B switches, and Q z A returns to the zero voltage state as a reaction. Similarly, in the column 183, Q z A switches at the time of Q engineering 8°184, and in the column 185, the original event returns again and QIA switches.

即ち、INの2周期に対して出力11.I2は1周期の
変化を示し、分周動作が成立している。
That is, for two periods of IN, the output is 11. I2 shows a change of one cycle, and a frequency division operation is established.

さて、再度HUFFLEの動作に検討を加える。Now, let's consider the operation of HUFFLE again.

第13図はHUFFLEの特定の構造とその場合の負荷
インダクタンスしに対するスイッチング時間τを示した
ものである。では、この場合も、入力が素子のしきい値
を横切った時点から出力が定常値の90%に達する時点
までの時間としである。
FIG. 13 shows the switching time τ for a particular structure of HUFFLE and its load inductance. In this case, too, the time is defined as the time from the time when the input crosses the threshold value of the element to the time when the output reaches 90% of the steady value.

同図において191及び192は臨界ジョセフソン電流
が0 、2 m A、接合容量が0.8pFのジョセフ
ソン接合2個で構成された2接合磁気量子干渉計である
。このHUFFLEは負荷インダクタンスLの増加に伴
って図に示すようにてか増加する。Lがあまり小さくな
るとH,UFFLEの動作層、器を構成することを考え
る。その場合の結線法は先頭ピノ1−を構成するHUF
FLEのインダクタンスを最小にするようなものでなく
て・はならない。C8回路の場合と同様な議論により第
14図(、’a )のような結線法とする。1つの分周
器を3個のHUFFLEで構成し、そのうちの1個は次
段駆動用とする。また先頭の分周器と第2の分周器の結
線法とは相異している。O8回路の場合と同様の仮定の
下で、図中の各HUFFLE201゜202.203,
204,205,206のインダクタンスはそれぞれ約
130.75,125゜165.105,125PHと
なる。ただし第3の分周器も第2の分周器と同型の結線
が行われるとして206の負荷を求めた。207は被分
周信号IN(7)入力線であり、208,209,21
0゜211はバイアス電流I bl+I b□+Ibヨ
In the same figure, 191 and 192 are two-junction magnetic quantum interferometers constructed of two Josephson junctions with critical Josephson currents of 0 and 2 mA and a junction capacitance of 0.8 pF. This HUFFLE increases as the load inductance L increases as shown in the figure. If L becomes too small, consider configuring the operating layer and container of H, UFFLE. In that case, the wiring method is HUF that constitutes the leading pin 1-.
It must be such that the inductance of the FLE is minimized. Based on the same discussion as in the case of the C8 circuit, the wiring method as shown in FIG. 14 (,'a) is adopted. One frequency divider is composed of three HUFFLEs, one of which is used for driving the next stage. Furthermore, the wiring methods for the first frequency divider and the second frequency divider are different. Under the same assumption as in the case of the O8 circuit, each HUFFLE201°202.203,
The inductances of 204, 205, and 206 are approximately 130.75, 125°165.105, and 125PH, respectively. However, the load of 206 was determined assuming that the third frequency divider is also connected in the same type as the second frequency divider. 207 is a frequency-divided signal IN (7) input line, and 208, 209, 21
0°211 is the bias current Ibl+Ib□+Ibyo.

11.4の入力線である。212,213,214゜2
15.216,217,218,219,220゜22
1.222,223は各HUFFLEをそれぞれ駆動す
るゲート電流を供給する電流源である。
11.4 input line. 212,213,214゜2
15.216, 217, 218, 219, 220°22
1.222 and 223 are current sources that supply gate currents that drive each HUFFLE, respectively.

バイアス条件を前出の第12図(c)を参照して説明す
る。I rw: 2−0 、9 m Aであり、1.r
T、、ニー11i3+Ib4は共に0.8mAに設定さ
れる。
The bias conditions will be explained with reference to the above-mentioned FIG. 12(c). I rw: 2-0, 9 mA, 1. r
T, knee 11i3+Ib4 are both set to 0.8 mA.

入:力INはオフセットなしのピーク・ツウ・ピーク1
で0.5mAの振幅を有する正弦波電流とする。
Input: Input IN is peak-to-peak 1 with no offset
A sinusoidal current with an amplitude of 0.5 mA is assumed.

第114図(b)は入力周波数が6GHzの場合のシミ
ュレーション結果を示す。図中■□、■2+” 37■
4はそれぞれHUFFLE201,202゜203.2
04の出力電流である。正常な動作が行われていること
がわかる。
FIG. 114(b) shows simulation results when the input frequency is 6 GHz. In the figure ■□, ■2+” 37■
4 is HUFFLE201,202°203.2 respectively
04 output current. It can be seen that normal operation is occurring.

以上、O8回路及びHUFFLEを2個または3個組合
せた分周器の構造と動作を説明した。これらはいずれも
、半周期ずれたタロツク信号で動作する2つのフリップ
フロップを組合せるという方式をとるものである。分周
器にはこの他に、フリップフロップのスイッチング時間
以内の短いパルスでタイミングをとる方式のものもある
。この方式では、入力に同期させて短い幅のタイミング
パルスを発生させる必要があるため、あまり高い周波数
の入力には追随できない。しかし、パルス発生回路を別
にして基本的には2個のフリップフロップで1/4分周
ができるので、機能的に長所がありうる。以下に示す実
施例もやはり前出文献第15図はパルス発生回路と2個
のC8回路とを組合せて形成した174分周器の構成と
動作を示す。第15図(a)は回路構成図である。同図
において、231,232,233,234は第8図(
b)に示した素子で、C8回路239と240を構成し
ている。235,236はゲート電流1、を供給する電
流源、237,238はバイアス電流■5□1Ib2を
与える配線、241゜242は第15図(b)に構造を
示した2接合磁気量子干渉計である。この241と24
2は400pHのインダクタンスLで結ばれて閉路を形
成している。JPは臨界電流が0.2rnA、接合容量
が0.8pHのジョセフソン接合、Rは1Ωの抵抗であ
る。246は入力電流INが流れる配線、244.24
5はバイアス電流II、□TIb4を与える配線であり
、241〜246及びり、JP。
The structure and operation of a frequency divider that combines two or three O8 circuits and HUFFLEs has been described above. All of these systems employ a combination of two flip-flops that operate on tarock signals shifted by half a period. Other types of frequency dividers use short pulses within the switching time of a flip-flop. In this method, it is necessary to generate short timing pulses in synchronization with the input, so it cannot follow inputs with very high frequencies. However, apart from the pulse generation circuit, it is basically possible to divide the frequency into 1/4 using two flip-flops, so it may have functional advantages. In the embodiment shown below, FIG. 15 of the above-mentioned document also shows the structure and operation of a 174 frequency divider formed by combining a pulse generation circuit and two C8 circuits. FIG. 15(a) is a circuit configuration diagram. In the same figure, 231, 232, 233, 234 are shown in Figure 8 (
The elements shown in b) constitute C8 circuits 239 and 240. 235 and 236 are current sources that supply gate current 1, 237 and 238 are wirings that provide bias current 5□1Ib2, and 241 and 242 are two-junction magnetic quantum interferometers whose structure is shown in Fig. 15(b). be. These 241 and 24
2 are connected by an inductance L of 400 pH to form a closed circuit. JP is a Josephson junction with a critical current of 0.2 rnA and a junction capacitance of 0.8 pH, and R is a resistance of 1Ω. 246 is the wiring through which the input current IN flows, 244.24
5 is a wiring for supplying bias current II, □TIb4, 241 to 246 and JP.

Rは全体でパルス発生回路250を形成している。R forms a pulse generating circuit 250 as a whole.

このパルス発生回路は米国特許明細書筒4.144,4
65号(1979年)により開示さ257は素子231
〜234のしきい値曲線、第15図(d)の曲線258
は素子241,242のしきい値曲線を示し、また第1
5図(c)、 (d)によってバイアス条件を示してい
る。パルス発生回路250の発生するパルスの振幅をI
、(2−0,2mA)とする。第15図(c)において
でなくてはならない。I g=0.3mAとするとt、
、>0.9mAなので、I i、 、=0.8mA。
This pulse generating circuit is described in U.S. Patent Specification No. 4.144,4.
No. 65 (1979), 257 is the element 231.
~234 threshold curve, curve 258 in FIG. 15(d)
indicates the threshold curves of the elements 241 and 242, and the first
Bias conditions are shown in Figures 5(c) and 5(d). The amplitude of the pulse generated by the pulse generation circuit 250 is I
, (2-0,2mA). It must be in Figure 15(c). If I g = 0.3 mA, t,
, > 0.9 mA, so I i, , = 0.8 mA.

rk、□=0.5mAとする。一方、第15図(d)に
おいて でなくてはならない。I cx = 0 、6 m A
とするとI TNc=1−0 、9 m Aなので−I
b m = 0.75 mA。
rk, □=0.5mA. On the other hand, it must be as shown in FIG. 15(d). I cx = 0, 6 mA
Then, I TNc=1-0, 9 mA, so -I
b m = 0.75 mA.

I ba=1.05mAとする。Iba=1.05mA.

第15図(a)の回路の分周動作を第15図(f)によ
り説明する。それに先立ち各素子と出力電流の名称を第
15図(e)のように定める。素子Q I Aには−1
2とI、、1と+(電流パルス)が入力される。同様に
Q 1 IIには十T2と工、□と+(電流パルス)が
−Q2Aには+I、と1.□と+(電流パルス)が、Q
2Bには−11と丁、□と+(電流パルス)が入力され
る。電流パルスが到来するごとに、各素子の入力は第1
5図([)の矢印に示すように変化する。まず初期状態
として電流パルスを加えずにゲート電流Iccが零から
ゆるやかに定常値まで上げら九たとする。配線の有する
インダクタンスのため■、はほとんどQ工。及びQ2B
に流れI 、yi 2となる。一方、パルス発生回路も
同様にゲート電流■。をゆるやかに雰から定常値に上げ
ていく。次に入力INに高さがIb4 1−b3のパル
ス状入力を加えると、パルス発生回路250はジョセフ
ソン接合J I)、抵抗Rを介してC8回路239,2
40に非常に短い幅の電流パルスを供給する。この時、
各素子の電流パルス以外の入力は261榴のようになっ
てよ?す、電流パルスの到来によりQ2uのみがスイノ
チして、状態は262欄のように変る。同様に続けてI
N人力を注入すると順次、Q 1 D I Q 2 k
 IQsAがスイッチして元の状態に戻る。実際にはI
b3)+ ピーク・ツウ・ピークの振幅がC1b4 I
b3)の正弦波電流を加えてやればよい。するとその4
周期に対して出力11または■2は1周期の変化を示す
。即ち、174分周動作が成立している。入力INとし
てオフセットが0.15rnΔ、ピーク・ツウ・ピーク
の振幅が0.3mA、周波数が2.5GHzの正弦波電
流を加えた場合のシミュレーション結果を第16図に示
す。図中1(Vll)はパルス発生回路250内のイン
ダクタンスLを流れる電流、I(V12)はジョセフソ
ン接合JP及び抵抗Rを介してO8回路239,240
に供給される電流パルス、I(V2+)はI 、−I 
1. I(V22)は1111(VB2)はIg  r
 2.I(V32)は■2をそれぞれ表す。
The frequency division operation of the circuit of FIG. 15(a) will be explained with reference to FIG. 15(f). Prior to that, the names of each element and output current are determined as shown in FIG. 15(e). -1 for element Q I A
2 and I, 1 and + (current pulse) are input. Similarly, Q 1 II has 10T2 and □ and + (current pulse), and -Q2A has +I and 1. □ and + (current pulse) are Q
-11 and digit, □ and + (current pulse) are input to 2B. Each time a current pulse arrives, the input of each element is
It changes as shown by the arrow in Figure 5 ([). First, assume that the gate current Icc is gradually raised from zero to a steady value without applying a current pulse as an initial state. Due to the inductance of the wiring, ■ is almost a Q-factor. and Q2B
The flow becomes I and yi 2. On the other hand, the pulse generation circuit also has a gate current ■. Gradually raise the value from the atmosphere to the steady value. Next, when a pulse-like input with a height of Ib4 1-b3 is applied to the input IN, the pulse generation circuit 250 is connected to the C8 circuit 239, 2 via the Josephson junction JI) and the resistor R.
40 with very short width current pulses. At this time,
The inputs other than the current pulse for each element should be like 261. Only Q2u switches due to the arrival of the current pulse, and the state changes as shown in column 262. Similarly, I
When N human power is injected, Q 1 DI Q 2 k
IQsA switches back to its original state. Actually I
b3) + peak-to-peak amplitude is C1b4 I
All you have to do is add the sine wave current b3). Then part 4
Output 11 or ■2 indicates a change of one cycle with respect to the cycle. That is, the frequency division operation by 174 is established. FIG. 16 shows simulation results when a sinusoidal current with an offset of 0.15 rnΔ, a peak-to-peak amplitude of 0.3 mA, and a frequency of 2.5 GHz is applied as the input IN. In the figure, 1 (Vll) is the current flowing through the inductance L in the pulse generation circuit 250, and I (V12) is the current flowing through the O8 circuit 239, 240 through the Josephson junction JP and the resistor R.
The current pulse supplied to I(V2+) is I, −I
1. I (V22) is 1111 (VB2) is Ig r
2. I (V32) represents ■2, respectively.

さて、C8回路の代りに)l U F F L Eを用
いても同様の1/4分周回路が構成できる。これを第1
7図により説明する。第17図(a)は回路構成図を示
す。図中271〜274は第12図(b)に示した素子
で、トIUFFLE281及び282を構成している。
Now, a similar 1/4 frequency divider circuit can be constructed by using lUFFLE instead of the C8 circuit. This is the first
This will be explained with reference to FIG. FIG. 17(a) shows a circuit configuration diagram. In the figure, 271 to 274 are elements shown in FIG. 12(b), which constitute IUFFLEs 281 and 282.

275〜278はゲート電極1゜を供給する電流源、2
79と280はバイアス電流Ib1.+Ib□を与える
配線、250は第15図(a)に示したパルス発生回路
である。第17図(b)は素子271〜274のしきい
値開線(283)とバイアス条件を示すものででなくて
はならない。I g = 0 、3 m Aに対してr
 b 1= I b z = 0’ 、 5 m Aと
すればよい。第17図(a)回路の分周動作を第17図
(d)により。
275 to 278 are current sources that supply the gate electrode 1°;
79 and 280 are bias currents Ib1. The wiring 250 for providing +Ib□ is the pulse generating circuit shown in FIG. 15(a). FIG. 17(b) must show the threshold open lines (283) and bias conditions of the elements 271-274. I g = 0, r for 3 m A
b 1 = I b z = 0', 5 mA. The frequency division operation of the circuit in FIG. 17(a) is shown in FIG. 17(d).

各素子と出力電流の名称を第17図(C)のように定め
て、説明する。素子Q x A+ rQ 1u IQ 
2 AQ2.3にはそれぞれ、パルス発生回路250の
発生する電流パルスの他に、 I 2+I k31.−
I 2+Ib□、−丁、+Ik、1,11+I、□が入
力される。電流パルスが到来するごとに、各素子の人力
は第17図(d)の矢印のように変化する。まず初期状
態として電流パルスを加えずにゲート電流Iffが零か
らゆるやかに定常値まで上げられたとする。ここで15
□を一時的に■。以上にし、Q、A、Q2A3スイッチ
させる。この時各素子の人力は291欄のようになって
おり電流パルスの到来により02 Bのみがスイッチし
て状態は292欄のようになる。同様に続けて電流パル
スが到来するごとにQ1a+Q2ArQ□、がスイッチ
して、元の状態に戻る。即ち、入力INの4周期に対し
て出力I□+Izは1周期の変化を示す。
The names of each element and output current will be defined and explained as shown in FIG. 17(C). Element Q x A+ rQ 1u IQ
2 AQ2.3, in addition to the current pulses generated by the pulse generating circuit 250, I 2 + I k31. −
I 2+Ib□, -d, +Ik, 1, 11+I, □ are input. Each time a current pulse arrives, the force applied to each element changes as shown by the arrow in FIG. 17(d). First, assume that the gate current Iff is gradually raised from zero to a steady value without applying a current pulse as an initial state. here 15
□ temporarily■. Do the above and switch Q, A, Q2A3. At this time, the human power of each element is as shown in column 291, and only 02B is switched by the arrival of the current pulse, and the state becomes as shown in column 292. Similarly, each time a current pulse continues to arrive, Q1a+Q2ArQ□ switches and returns to the original state. That is, the output I□+Iz shows a change of one cycle for four cycles of the input IN.

即ち、1/4周期動作が成立している。入力INとして
オフセットなし、ピーク・ツウ・ピークの振幅が0 、
3 m A 、周波数が2−5 G Hzの正弦波電流
を加えた場合のシミュレーション結果を第18図に示す
。図中の曲線I(Vll)はパルス発生回路250内の
インダクタンスLを流りる電流、I(V12)はジョセ
フソン接合JP、抵抗Rを介してHUFFLE281,
282に供給される電流パ/L/ス、I(V21)は出
力I□、f(V3])は出力■2を表す。
That is, 1/4 cycle operation is established. No offset as input IN, peak-to-peak amplitude is 0,
FIG. 18 shows simulation results when a sinusoidal current of 3 mA and a frequency of 2-5 GHz is applied. Curve I (Vll) in the figure is the current flowing through the inductance L in the pulse generation circuit 250, I (V12) is the current flowing through the Josephson junction JP, the HUFFLE281 through the resistor R,
282, I(V21) represents the output I□, and f(V3]) represents the output ■2.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上説明したように、本発明によれば、ジョセフソン論
理回路からなり周波数16 G Hzで動作する分周器
を提供することができ、その場合の1ビツトあたりの消
費電力は給電用抵抗網での電力消費を含めて10〜15
μW程度であり、また動作に必要な入力電流もピーク値
で0.1〜0.3mAと非常に小さく、従来の半導体素
子からなる分周器を上回る高速化、低消費電力化、高感
度(ヒを実現することができる。
As explained above, according to the present invention, it is possible to provide a frequency divider that is composed of a Josephson logic circuit and operates at a frequency of 16 GHz, and in that case, the power consumption per one bit is reduced by the power supply resistor network. 10-15 including power consumption
It is approximately μW, and the input current required for operation is extremely small at a peak value of 0.1 to 0.3 mA, resulting in faster speeds, lower power consumption, and higher sensitivity ( can be realized.

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

第1図は従来の交流駆動型ジョセフソン回路に用いる電
源電流波形を示す図、第2図はジョセフソン素子のしき
い値開線図、第3図はC3回路の構成図、第4図はO8
回路の動作説明図、第5図はHUFFLE論理ゲートの
構成図、第6図はHU F F L E論理ゲートの動
作説明図、第7i7Iは従来の半導体技術で構成される
分周器の一例を示す図、第8図〜第18図は本発明実施
例の説明図で第8図はO8回路を用いた分周器とその動
作説明図、第9図はO8回路の特性図、第10図は改良
を加えたC8回路による分周器とその動作説明図、第1
1図は2ビツトのO8分周器の″結線と動作説明図、第
12図はHU F F L Eを用いた分周器とその動
作説明図、第13図はHU F F L Eの特性図、
第14図は2ビツトのHUFFLE分周器の結線と動作
説明図、第15図はCS回路を用いた1/4分周器とそ
の動作説明口、第16図はその動作例を示す図、第17
図はHU F F L Eを用いた1/4分周器とその
動作説明図、第18図はその動作例を示す図である。 71.72,73,74,111,112゜113.1
14,151,152,153゜154・・・2接合磁
気量子干渉計よりなるジョセフソン素子 75.76.115.] 16,1540゜1550.
15CiO,t570.[580゜1590+  15
5+  156,157,158+212〜223・・
・ゲート電流を与える電流源77.117,147,1
59,207  人力線78.79,1480,149
0,1500゜1.510,1520,1530,16
0,161゜208〜241・・・バイアス電流線 141〜146,239,240・−CSフリップフロ
ップ 20 1〜206.  281.  282  ・・・
 )I  U  F  F  L  Eフリップフロッ
プ 250・・・電流パルス発生回路 稿 、8− 団 (6L) (C) 第 2 図 (cl) 第 q 図 (久9゜ R・・)ル C=16PF (わ ル立イ〉グ°2夕と人 垢 /θ図 (6L) (ん) q 躬 77図 (A) 碕聞(FSE +I3 Δ I2 o  I。 第 722 (d) (C) 第 72図 (J) (eつ 葛 73図 L (P/iJ 貞、司′イシタクタンス 第汁図 (a) (Cつ               (σ(1)第 
/左図 Ce) 第72図 綺r−f仇sJ 令(l V?2) Φ(l  Vm め 77図 (/:2) CI)ン q lyx 第 770 (C) 第1.?図 綺閉(4Lsl Wl(Vうl〕 +  1(V21) ム H(V/2) 01(Vlυ
Figure 1 is a diagram showing the power supply current waveform used in a conventional AC-driven Josephson circuit, Figure 2 is a threshold open diagram of a Josephson element, Figure 3 is a configuration diagram of a C3 circuit, and Figure 4 is O8
An explanatory diagram of the operation of the circuit, Fig. 5 is a configuration diagram of the HUFFLE logic gate, Fig. 6 is an explanatory diagram of the operation of the HUFFLE logic gate, and Fig. 7i7I is an example of a frequency divider constructed using conventional semiconductor technology. Figures 8 to 18 are explanatory diagrams of embodiments of the present invention. Figure 8 is a frequency divider using an O8 circuit and an explanatory diagram of its operation. Figure 9 is a characteristic diagram of the O8 circuit. Figure 10. is a frequency divider based on an improved C8 circuit and an explanation diagram of its operation, Part 1
Figure 1 is a 2-bit O8 frequency divider connection and operation explanation diagram, Figure 12 is a frequency divider using HUFFLE and its operation explanation, and Figure 13 is the characteristics of HUFFLE. figure,
Fig. 14 is a diagram showing the connection and operation of a 2-bit HUFFLE frequency divider, Fig. 15 is a diagram showing a 1/4 frequency divider using a CS circuit and an explanation of its operation, and Fig. 16 is a diagram showing an example of its operation. 17th
The figure is an explanatory diagram of a 1/4 frequency divider using HUFFLE and its operation, and FIG. 18 is a diagram showing an example of its operation. 71.72,73,74,111,112゜113.1
14,151,152,153°154...Josephson element consisting of a two-junction magnetic quantum interferometer 75.76.115. ] 16,1540°1550.
15CiO, t570. [580°1590+15
5+ 156,157,158+212~223...
・Current source 77.117, 147, 1 that provides gate current
59,207 Human force line 78.79,1480,149
0,1500゜1.510,1520,1530,16
0,161°208-241...Bias current line 141-146,239,240-CS flip-flop 20 1-206. 281. 282...
) I U F F L E flip-flop 250...Current pulse generation circuit draft, 8-Group (6L) (C) Figure 2 (cl) Figure q (9°R...) Le C = 16PF ( 72nd (d) (C) Figure 72 (FSE +I3 Δ I2 o I. J)
/ left figure Ce) Fig. 72 ki r-f 乇sJ ORD (l V?2) Φ (l Vm め 77 figure (/:2) CI)nq lyx No. 770 (C) No. 1. ? Figure closed (4Lsl Wl (Vul) + 1 (V21) M H (V/2) 01 (Vlυ

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)1個または2個のジョセフソン接合で形成される
ジョセフソン素子の2個と負荷インダクタンス及び負荷
抵抗を組合せてなる直流駆動型ジョセフソン・フリップ
フロップ回路の少なくとも2つを縦続接続して入力信号
の周波数を分周した周波数をもつ出力信号を得る分周器
としたことを特徴とする直流駆動型ジョセフソン分周器
(1) At least two DC-driven Josephson flip-flop circuits each formed by combining two Josephson elements formed by one or two Josephson junctions with a load inductance and a load resistance are connected in cascade. A DC-driven Josephson frequency divider, characterized in that the frequency divider obtains an output signal having a frequency obtained by dividing the frequency of an input signal.
(2)前記直流駆動型ジョセフソン・フリップフロップ
回路は、カレント・ステアリング(Current S
teering)回路を用いるか、またはハイブリッド
・アンラッチング(HybridUnlatching
)フリップフロップ論理素子を用いた直流駆動型ジョセ
フソン・フリップフロップ回路であることを特徴とする
特許請求の範囲第1項記載の直流駆動型ジョセフソン分
周器。
(2) The DC-driven Josephson flip-flop circuit uses current steering (Current S
hybrid unlatching
) The DC-driven Josephson frequency divider according to claim 1, which is a DC-driven Josephson flip-flop circuit using a flip-flop logic element.
(3)前記直流駆動型ジョセフソン・フリップフロップ
回路の3つを縦続接続し、その第1と第2のフリップフ
ロップ回路で1ビット分の分周回路を構成し、第3のフ
リップフロップ回路を次ビット駆動用の直流駆動バッフ
ァ・ゲートとして用いることを特徴とする特許請求の範
囲第1項記載の直流駆動型ジョセフソン分周器。
(3) Three of the DC-driven Josephson flip-flop circuits are connected in cascade, the first and second flip-flop circuits constitute a frequency dividing circuit for one bit, and the third flip-flop circuit is The DC-driven Josephson frequency divider according to claim 1, wherein the DC-driven Josephson frequency divider is used as a DC-driven buffer gate for driving the next bit.
(4)前記直流駆動型ジョセフソン・フリップフロップ
回路の多数個を縦続接続してそれぞれ3個ずつを1組と
し、各組内の第1と第2のフリップフロップ回路で1ビ
ット分の分周回路を構成し、第3のフリップフロップ回
路を次ビット駆動用の直流駆動バッファ・ゲートとして
用い、さらに、先頭ビットにおけるフリップフロップ回
路の相対配置と、次ビット以下におけるフリップフロッ
プ回路の相対配置とを変えることにより先頭ビットを構
成する各フリップフロップ回路の負荷インダクタンスを
軽減させたことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載
の直流駆動型ジョセフソン分周器。
(4) A large number of the DC-driven Josephson flip-flop circuits are connected in series to form a set of three, and the frequency is divided by 1 bit between the first and second flip-flop circuits in each set. The circuit is configured, the third flip-flop circuit is used as a DC drive buffer gate for driving the next bit, and the relative placement of the flip-flop circuit in the first bit and the relative placement of the flip-flop circuits in the next bit and below are determined. 2. The DC-driven Josephson frequency divider according to claim 1, wherein the load inductance of each flip-flop circuit constituting the first bit is reduced by changing the first bit.
(5)前記直流駆動型ジョセフソン・フリップフロップ
回路の2つで構成される分周器の入力信号に直流駆動型
ジョセフソン・パルス発生回路からのパルス信号を用い
ることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の直流駆
動型ジョセフソン分周器。
(5) A pulse signal from a DC-driven Josephson pulse generation circuit is used as an input signal to a frequency divider composed of two DC-driven Josephson flip-flop circuits. A DC-driven Josephson frequency divider according to range 1.
(6)前記直流駆動型ジョセフソン・フリップフロップ
回路としてカレント・ステアリング回路かまたはハイブ
リッド・アンラッチング・フリップフロップ論理素子を
用いたことを特徴とする特許請求の範囲第5項記載の直
流駆動型ジョセフソン分周器。
(6) The DC-driven Josephson flip-flop circuit according to claim 5, characterized in that a current steering circuit or a hybrid unlatching flip-flop logic element is used as the DC-driven Josephson flip-flop circuit. Son frequency divider.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS57186835A (en) * 1981-05-14 1982-11-17 Nec Corp Frequency divider of josephson junction integrated circuit
JPS59165525A (en) * 1983-03-10 1984-09-18 Fujitsu Ltd Frequency divider using josephson element

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