JPS6334656B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、直流電源によつて駆動できるノンラ
ツチング型の、ジヨセフソン接合を応用した論理
回路の構成に関する。

従来ジヨセフソン接合を用いた論理回路は、主
に交流電源駆動方式が検討されている。

この交流電源駆動方式はジヨセフソン接合が多
くはラツチングゲートになるため、止むを得ず一
旦電源電圧をゼロにする要請から発したものであ
る。しかし、これではインパルス状の誤信号が入
力された場合にも回路がラツチしてしまい誤まつ
た計算結果を出力する可能性が大きく、実用上回
路の信頼性に欠ける問題点があつた。また電源を
切替えただけで回路がラツチしてしまう危険も大
きかつた。このために直流電源駆動のノンラツチ
ング・ゲートを使用することが１つの課題となつ
ていた。

また従来ジヨセフソン接合を用いた論理ゲート
でOR／NOR論理機能を果せるものとして、直流
電源駆動方式でかつ出力電流の有無を論理の１と
０とに対応させる方式では、第１図に示す電流切
替型回路が知られていた。しかし、この方式は回
路の超電導ループ内に出力電流I₁，I₂が流れるだ
けで、外部に、特に抵抗負荷を有する伝送線系
に、直接出力をとりだすことは不可能であつた。
また、この方式ではインラインゲートを用いてい
るために出力電流を任意の大きく設計しようとす
る場合、２つの接合を一辺25μｍ程度と大面積に
設計する必要があり回路動作の高速化は困難であ
つた。

本発明の目的は、前記した欠点を除去するた
め、電流切替型の直流電源駆動ノンラツチングゲ
ートを用いて、直接外部に出力が取り出せてしか
も大きい出力電流を取り出せる任意性をもつ論理
回路を提供することにより、これを基本としてす
べての論理を構成できるため、汎用性の高い集積
回路用論理ゲートを提供できる。

以下に実施例によつて本発明を詳細に述べる。
まず、第２図の太線に示す電流切替型回路の動作
を第１図と比較しながら説明する。

第１図に示した２つの磁場結合型入力型のジヨ
セフソン接合スイツチg₁₀，g₂₀、または第２図の
g₁₁とg₁₂との組合せ（g₁₁＋g₁₂）およびg₂₁とg₂₂の
組合せ（g₂₁＋g₂₂）は超電導線（第２図では太線
部）によつて並列接続されている。この基本回路
（電流切換回路）の上辺の中点は直流電源線P₁と
抵抗R_Sを介して接続されている。この抵抗R_Sは
電流切替回路の電流を規制するためのものであ
る。また、この基本回路の下辺の中点は本発明の
第２図では直列抵抗R_Dを介して接地されている。
このR_Dを介して接地されている。このR_Dがゼロ
のときは公知の電流切替型回路（第１図）と類似
の構成となる。

これらの電流切替型回路上において、まず入力
信号線INに入力電流が流れていない場合（入力
が“０”の状態）を考える。このとき図の左側の
接合スイツチg₁₀または（g₁₁＋g₁₂）には磁場が印
加されないため、超電導電流が流れ得る。一方、
図の右側の接合スイツチg₂₀または（g₂₁＋g₂₂）に
は、バイアス電流が抵抗R_Bを通つてたえず流れ
るため、磁場が印加されており超電導電流がほと
んど流れない状態となる。この結果、電流切替型
回路のR_Sを通る直流電流は接合スイツチg₁₀また
は（g₁₁＋g₁₂）の側を通つて接地線に流入し、g₂₀
または（g₂₁＋g₂₂）の側には電流が流れない。

次に、入力信号線（第１図においてINで示し、
第２図においてはIN１およびIN２で示す）のい
ずれか一方または両方に入力電流が流れた場合
（入力が“１”の状態）を考える。このとき接合
スイツチg₁₀または（g₁₁＋g₁₂）、には磁場が印加
されるため、超電導電流が流れなくなる。このと
き、この流れなくなる瞬間において、接合g₁₀ま
たは（g₁₁＋g₁₂）の上下に瞬時的に逆電圧が発生
したため、電流が流れなくなつたと見なしてよ
い。この逆電圧が瞬時的に接合スイツチg₂₀また
は（g₂₁＋g₂₂）に印加されるため、今までg₂₀また
は（g₂₁＋g₂₂）にかかつていた電圧は逆電圧（同
大異符号）によつて完全に打ち消すことができ
る。この結果g₂₀または（g₂₁＋g₂₂）にかかる電圧
が瞬時的にゼロとなる。さらにこのとき、入力電
流とバイアス電流の向きが丁度逆になるように設
置されるため、g₂₀または（g₂₁＋g₂₂）にかかる磁
場が打消しあつて実効的にゼロにできる結果、
g₂₀または（g₂₁＋g₂₂）は超電導電流が流れ得る状
態に復帰する。この結果として、電流切替型回路
のR_Sを通る直流電流は接合スイツチg₂₀または
（g₂₁＋g₂₂）の側を通つて接地線に流入して、g₁₀
または（g₁₁＋g₁₂）の側には電流が流れない。

このあと、入力信号線の電流がゼロになると、
同様の動作原理により、超電導電流がg₂₀または
（g₂₁＋g₂₂）ではなくg₁₀または（g₁₁＋g₁₂）の側
に再び流れるようになる。

このようにして、電流切替型回路は、入力電流
があれば（“１”状態）図の右側に超電導電流が
流れ、入力電流がなければ（“０”状態）図の左
側を通つて超電導電流が流れるという動作をす
る。すなわち直流電流が直流電源線P₁から抵抗
R_Sを通つて供給されるだけで、電流切替型回路
はいずれか一方の分岐に電流が振分けされて流
れ、これが信号電流の有無に直接対応する状態が
実現できる。

第２図に示す本発明の回路が第１図に示す公知
の電流切替型回路と異なる点は、(1)接地線との間
に負荷抵抗R_Dを設けたこと、(2)接合スイツチと
して単体のジヨセフソン接合（インラインゲート
とも呼ばれる）でなく、２個の接合スイツチを直
列に組合せて用いたこと、(3)２個の接合スイツチ
として、インラインゲートではなく他の磁場結合
入力型ゲート、例えば量子干渉型ゲート、を用い
る方式としたこと、(4)２個の接合スイツチg₁₁，
g₁₂またはg₂₁，g₂₂のそれぞれの中点に出力電流を
取り出せる出力端子を設けたこと、(5)接合スイツ
チの一方のg₁₁またはg₂₁に流し得る許容最大超電
導電流の値Im₁₁、Im₂₁を、他方の接合スイツチ
g₁₂またはg₂₂に流し得る最大超電導電流の値
Im₁₂、Im₂₂より大きく（Im₁₁＞Im₁₂、Im₂₁＞
Im₂₂）を設計することを可能にしたこと、にあ
る。

一般に出力端子からは伝送線（特性インピーダ
ンスはZ_Oとする）が接続されることが多く、その
終端はマツチング抵抗R_O（R_O＝｜Z_O｜）が接続さ
れて接地される（第２図）。場合によつては他の
回路に伝送線を経由せずに直結される。これらの
出力回路をみた抵抗値を代表的にR_Oであらわす。
本発明の回路において、抵抗R_DはこのR_Oよりも
大きく（R_D＞R_O）設計することが好ましい。こ
の理由は以下の説明で明らかになる。

第２図において太線で示した電流切替型回路
（主要部）に、抵抗R_Sと抵抗R_Dを付加し、出力端
子を設けた効果について以下に詳しく説明する。

まず入力信号線IN１，IN２に電流がない
（“０”状態の）場合、接合スイツチ（g₂₁＋g₂₂）
は超電導電流が流れ得ない。接合スイツチ（g₁₁
＋g₁₂）は超電導電流が流れ得るが、出力端子側
の抵抗R_OよりもR_Dを大きく設計してあるため、
抵抗R_Sを介して電源線P₁より流入した電流は、
１つの出力端子OUTPUT（NOR）より流出でき
る（出力が“１”）。しかし、他の出力端子
OUTPUT（OR）からはg₂₁およびg₂₂が高い抵抗
を示すので電流が流出できない（出力“０”）。こ
のとき、OUTPUT（NOR）端子は入力の否定
（NOT）機能または否定論理和（NOR）機能を
果している。またOUTPUT（OR）端子は、これ
と逆の信号を出力している。

次に入力信号線IN１，IN２に電硫がある（‘
１”状態）の場合、接合スイツチ（g₂₁＋g₂₂）は
超電導電流が流れ得る。逆に接合スイツチ（g₁₁
＋g₁₂）は超電導電流が流れ得ず抵抗値を示す。
このため、抵抗R_Sを介して直流電源線P₁より流
入した電流は、（g₂₁＋g₂₂）の側を通るが、出力
端子側の抵抗R_OよりもR_Dを大きく設計してある
ため、g₂₂の方に余り流れずむしろg₂₁とg₂₂の中点
の出力端子OUTPUT（OR）より流出する。

以上の説明により、g₁₁およびg₂₁を通り得る最
大超電導電流の値Im₁₁、Im₂₁を、他のg₁₂および
g₂₂を通り得る最大超電導電流の値Im₁₂、Im₂₂よ
りも大きく、Im₁₁＞Im₁₂、Im₂₁＞Im₂₂となるよ
う設計することの意義は明らかである、このよう
な接合スイツチg₁₁，g₁₂，g₂₁，g₂₂を実現するた
めには、もしインラインゲートを用いようとすれ
ばg₁₁，g₂₁の側のジヨセフソン接合部の面積を
g₁₂，g₂₂の側のそれより大きく設計するだけでよ
い。しかしインラインゲートでは、入力信号に対
する感度がわるいのを防ぐために接合面積を約
50μｍ角以上にしなければならず、集積回路を構
成するのに不適当である。ゲートの占める面積を
縮少できる観点から、接合スイツチg₁₁，g₁₂，
g₂₁，g₂₂として、量子干渉型ゲートが好ましい。
このとき、接合スイツチg₁₂，g₂₂は、第３図に示
すように４個の（接合面積5μｍ角程度の）接合
を並列に接続して用い、左から１番目、２番目の
接合は空間的に離して入力信号線からの磁束を図
の点線で示した領域で感じるように配置する。左
から３番目、４番目についても同様である。左か
ら２番目と３番目は空間的に離す必要がない。こ
のg₂₁，g₂₂、の接合スイツチにくらべて、最大超
電導電流を大きくとれるように設計すべき、g₁₁，
g₂₁、の接合スイツチは第３図に示すように例え
ば接合個数を倍加するだけで良い。

以上に述べたごとく本発明によれば、従来の電
流切替型回路では直接外部に出力電流が取り出し
得なかつたのに対して、外部負荷に直接OR／
NOR出力を取出せる構造を有している。しかも、
OR／NOR論理ゲートがあれば総ての論理演算が
可能となるので、本発明の回路構成は極めて汎用
性に富む。さらにただ１つの直流電源があれが動
作できるので集積回路用の基本論理ゲートとして
最適である。この出力信号は、次段の論理ゲート
の入力信号としてそのまま利用できるため、回路
として完結したものとなつており、従来知られて
いる電流切替型回路より遥かに優れた特徴を有し
ている。また、出力電流の大きさをさらに大きく
したいときには、ゲートg₁₁，g₂₁、に流し得る最
大超電導電流の値Im₁₁，Im₂₁、を大きく設計で
きる自由度を有している。これらは集積回路用論
理ゲートで要求される必要条件を満すものであ
る。また、交流電源駆動のラツチング方式の論理
ゲートにくらべると、本発明の論理ゲートはノン
ラツチング方式となつているため、演算に誤りが
なく信頼性に優れた回路となつている。

以上の理由により本発明が、高速論理装置、
（超高速計算機）に用いられる基本論理回路の方
式として有用なものであることは明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来から知られる電流切替型回路の構
成を示す図、第２図は本発明の直流駆動OR／
NOR回路の構成を示す図、第３図は本発明の
OR／NOR回路に用いられるジヨセフソン接合ス
イツチの構成を詳細に説明する図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ２種の独立な磁場結合入力方式ジセフソン接
   合スイツチg₁₁，g₁₂を直列に接続し、その中点に
   出力端子を接続した単位回路と、この単位回路と
   同じく接合スイツチg₂₁，g₂₂からなる他の単位回
   路とを超電導線によつて並列接続した基本回路
   と、この基本回路の上辺を直流電源線に接続しま
   たこの基本回路の下辺を直列抵抗を介して接地線
   に接続すると共に上記接合スイツチg₂₁，g₂₂に同
   時に鎖交するバイアス磁束を発生させるバイアス
   入力ループを設けかつ２本の磁場結合入力線を上
   記接合スイツチg₁₁とg₁₂およびg₂₁とg₂₂に同時に
   鎖交する磁束を発生させるように設置し、上記接
   合スイツチg₂₁とg₂₂への入力磁束とバイアス磁束
   の符号が反対になるよう組合せて、上記接合スイ
   ツチg₁₁とg₁₂の中央からNOR出力をとりだすと
   共にg₂₁とg₂₂の中点からOR出力をとりだすこと
   を特徴とする超電導直流駆動論理回路。 ２ 特許請求の範囲第１項において、上記直列抵
   抗を、出力回路側の伝送線の特性インピーダンス
   の絶体値あるいは出力回路側の出力抵抗値よりも
   大きくしたことを特徴とする超電導直流駆動論理
   回路。 ３ 特許請求の範囲第１項において、上記接合ス
   イツチg₁₁，g₁₂，g₂₁，g₂₂として量子干渉型磁場
   結合入力型ゲートを用いたことを特徴とする超電
   導直流駆動論理回路。 ４ 特許請求の範囲第１項において、上記磁場結
   合入力線をそれぞれ上記接合スイツチg₁₁とg₁₂及
   びg₂₁，g₂₂に結合された後に、所定終端抵抗を介
   してそれぞれ接地線に接続したことを特徴とする
   超電導直流駆動論理回路。