KR20100056622A - 음의 가변 저항을 갖는 전원을 이용한 프로그레머블 조셉슨어레이 바이어스 및 그 바이어스를 이용한 프로그레머블 조셉슨 어레이 전압측정방법 - Google Patents

음의 가변 저항을 갖는 전원을 이용한 프로그레머블 조셉슨어레이 바이어스 및 그 바이어스를 이용한 프로그레머블 조셉슨 어레이 전압측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 음의 가변 바이어스 저항을 갖는 프로그레머블 조셉슨 어레이 바이어스 및 그 바이어스를 이용한 프로그레머블 조셉슨 어레이 전압측정방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는 프로그레머블 조셉슨 어레이의 전압파형을 얻기 위해 작동점을 결정하는 프로그레머블 조셉슨 어레이 바이어스에 있어서, 조절 가능한 바이어스 전압과 프로그레머블 조셉슨 어레이에서 형성된 전압전류 특성의 전압을 공급받아 음의 가변 바이어스 저항을 통하여 바이어스 전류를 발생시켜 프로그레머블 조셉슨 어레이에 공급하는 전압전류변환기; 및 전압전류 특성의 전압을 전압전류변환기에 공급하는 OP앰프;를 포함하는 것을 특징으로 하는 음의 가변 출력저항을 갖는 프로그레머블 조셉슨 어레이 바이어스이다.
프로그레머블 조셉슨 어레이, 전압전류 변환기, 바이어스, 음의 가변 바이어스 저항, PJA 전압전류 특성, 바이어스 전류의 로드라인, 작동점, PJA 전압파형

Description

음의 가변 저항을 갖는 전원을 이용한 프로그레머블 조셉슨 어레이 바이어스 및 그 바이어스를 이용한 프로그레머블 조셉슨 어레이 전압측정방법{PJA Bias with Nagative Variable Reistance and Voltage Measuring Method using PJA Bias}
본 발명은 음의 가변 바이어스 저항을 갖는 전원을 이용한 프로그레머블 조셉슨 어레이 바이어스 및 그 바이어스를 이용한 프로그레머블 조셉슨 어레이 전압측정방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는 프로그레머블 조셉슨 어레이 전압파형을 형성함에 있어서, 음의 가변 바이어스 저항을 가지는 전원을 통해 바이어스 전류를 프로그레머블 조셉슨 어레이에 공급하여 저항성 비양자역학적특성을 가진 구간을 포함하지 않아 보다 정확한 프로그레머블 조셉슨 어레이 전압을 측정하기 위한 바이어스 및 음의 가변 바이어스 저항을 가지는 전원를 이용한 프로그레머블 조셉슨 어레이 전압측정방법이다.
본 발명은 조셉슨 접합 어레이(Josephson junction array)를 활용한 계측물리 응용급의 정밀 디지털아날로그 변환기(DA Converter, 이하 DAC)에 관한 것이다. 현대 측정의 대부분은 미지의 아날로그 전기신호를 계수화된 디지털 숫자로 변환시켜주는 반도체 아날로그디지털변환기(이하 ADC)가 담당하고 있고, 그 요소로 종종 활용되고 있는 소자가 DAC이다.
그러나, 이러한 반도체 소자들은 자체잡음으로 인해 정확도의 한계를 가질 뿐 아니라 온도와 압력 등의 외부 환경 및 사용시간에 따라 그 특성이 변화하므로 항상 주기적 재교정을 통해 이러한 특성변화를 보정해주지 않으면 본래의 정확도를 얻을 수 없다.
이러한 한계를 극복하기 위해 개발된 조셉슨 DAC는 양자효과에 의해 기준 주파수와 물리상수에만 의존하는 정확한 단위 전압 스텝을 발생시킬 수 있고, 이들을 입력 디지털코드에 따라 임의로 조합함으로써 볼트(volt)의 국제단위계 정의에 직접 소급하는 절대 정확도의 DAC 기능을 얻게 된다.
조셉슨 DAC 기술은 크게 분류하여 초전도 조셉슨 접합회로를 적용한 고감도 고분해능의 RSFQ(Rapid Single Flux Quantum) DAC와 바이너리 수의 조셉슨 접합들을 갖는 어레이들을 직렬로 구성한 프로그레머블 조셉슨 어레이(이하 PJA) DAC 로 분류할 수 있다. 이중 계측물리에 활발히 응용되고 있는 것이 PJA DAC이다.
이러한 PJA DAC를 구성하는 조셉슨 접합은 두개의 초전도체 사이에 절연성 또는 금속성 장벽을 삽입한 구조로 되어 있다. 두 초전도체 사이의 위상을 외부 바이어스 전류 또는 외부자기장을 통해 제어할 수 있다. 이러한 조셉슨 접합들의 직렬 어레이에 마이크로파를 가하면 마이크로파 주파수에 조셉슨 접합의 위상변화가 동기되어 자속의 변화율이 일정한 상태가 만들어 진다. 자속의 시간 변화율에 비례하여 일정한 평균전압이 나타나며 주파수와 조셉슨 접합수에 의해 전압값을 정확히 결정할 수 있게 된다.
기준주파수는 매우 정밀하게 제어할 수 있으므로 기준주파수로부터 얻어진 조셉슨 전압은 현존하는 가장 정확한 전압표준을 제공한다. PJA DAC에 수십 기가헤르츠(GHz)의 외부 기준주파수를 가해주면 각 접합은 단위 전압스텝을 발생시키며 바이너리 수의 서브 어레이 전체로는 단위전압과 그 바이너리 수의 곱에 해당하는 전압스텝을 만들게 된다.
도 1a 내지 도 1c는 PJA 전압-전류 특성(100)과 바이어스 전류의 로드라인(200) 및 작동점(500)을 나타낸 그래프이다. 도 1a 내지 도 1c에 도시된 바와 같이, PJA 전압-전류 특성(100)은 외부 바이어스 전압(Vo)을 조절하여 전압이 0인 스텝(이하 0전압스텝)(310) 또는 전압이 Nbinary*Vstep인 스텝(이하 NbinaryVstep전압스텝)(320)을 입력 디지털 코드에 대응하여 적절히 선택함으로써 DAC 작동이 이루어 진다. PJA 전압-전류 특성(100)은 수식으로
I = IPJA(V) (1)
로 표현된다.
그리고, 바이어스 전류의 로드라인(200)은 바이어스 저항과 바이어스 전압(Vo)에 의해 결정되며,
I = (Vo-V)/Rbias = (-V/Rbias)+ (Vo/Rbias) (2)
의 수식으로 나타내어 진다. 여기서, Vo는 바이어스 전압이며 V는 PJA 전압전류 특성(100)의 전압을 나타내고, Rbias는 바이어스 저항이다. 식(1)에서와 같이, I는 V에 반비례하며 Rbias에 의해 기울기가 결정된다.
이 때 PJA 전압-전류 특성(100)상의 작동점은 바이어스 전류의 특성과 PJA 전류전압 특성(100)을 모두 만족하게 되는 식 (1)과 식 (2)를 동시에 만족하는 전압 및 전류값에 해당한다. 바이어스 전류의 로드라인(200)에서 Rbias을 고정시키고 바이어스 전압(Vo)을 변화시킬 때 기울기가 유지되며 도 1a 내지 도 1b 그래프에서 상하로 이동하게 되며 이에 따른 작동점(500)들이 선택되게 된다. 도 1a는 작동점(500)이 NbinaryVstep전압스텝(320)에 존재하는 경우를 도시한 것이다. 그리고, 도 1b는 작동점(500)이 NbinaryVstep전압스텝(320)과 0전압스텝(310) 사이에 존재하는 경우를 도시한 것이고, 도 1c는 작동점(500)이 0전압스텝(310)에 존재하는 경우를 도시한 것이다.
이렇게 종래의 바이어스 방식에서는 전압이 0인 스텝(310)과 전압이 NbinaryVstep인 스텝(320)을 오갈 때, 두 스텝의 사이에 존재하는 PJA의 저항성 비양자역학적 특성을 거치게 되는데 이 구간(400)에서 발생된 조셉슨 전압파형에 포함되면서 가장 주요한 오차원인이 되고 있다. 이를 줄이기 위해 초고속 바이어스 장치가 시도되어 왔으나, 전압파형의 기준주파수가 높아질수록 이러한 문제가 더 심각해져서 PJA DAC의 밴드폭을 넓히는데 있어서 커다란 장애가 되고 있다.
이러한 문제로 인해 최근에는 접근방식을 완전히 달리하여 1bit DAC 기술에 착안한 펄스 구동형 조셉슨 어레이 DAC가 개발되어 낮은 신호레벨에서는 어느 정도 성공을 거두고 있다. 그러나, 펄스파를 조셉슨 어레이에 균일하게 전송하는 데 한계가 있어 높은 전압레벨을 얻지는 못하고 있다. 따라서, 높은 기준주파수에서도 이러한 문제가 없고 저항성 비양자역학적 특성을 갖는 구간을 포함하지 않는 조셉슨 전압파형을 얻을 수 있는 방법이 요구되었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로 기존의 PJA 전압파형을 발생시키는데 있어 사용되는 바이어스 방식을 개선하여 전압스텝 사이에 저항성 비양자역학적 구간을 가급적 포함하지 않아 보다 정확한 PJA 전압파형을 얻을 수 있는 바이어스 및 바이어스 방법을 제공하게 된다,
PJA 에 바이어스 전류를 공급하고 PJA의 전압을 검출하여 다시 되먹임시키는 방식을 취함으로서 전류감지용 저항 필요없이 본 발명의 목적을 달성할 수 있다. 바이어스 저항을 구비한 전원이 바이어스 전류를 PJA에 공급하여 PJA 전압전류 특성과 바이어스 전류의 특성을 모두 만족하는 작동점을 찾게된다. 이 때에 바이어스 전류는 PJA 전압에 비례하게 됨으로써 PJA 전압전류 특성에서 저항성 비양자역학적 특성을 가지는 구간을 작동점에 포함하지 않게 하여 정확한 PJA 전압을 측정할 수 있다.
본 발명의 그 밖에 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 관련되어 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명확해질 것이다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 프로그레머블 조셉슨 어레이의 전압파형을 얻기 위한 작동점을 결정하는 프로그레머블 조셉슨 어레이 바이어스에 있어서, 조절가능한 바이어스 전압과 프로그레머블 조셉슨 어레이에서 형성된 전압전류 특성의 전압을 공급받아 음의 가변 바이어스 저항을 구비하여 바이어스 전류를 발생시 켜 프로그레머블 조셉슨 어레이에 공급하는 전원; 및 전압전류 특성의 전압을 전원에 공급하는 OP앰프;를 포함하는 것을 특징으로 하는 음의 가변 저항을 갖는 전원을 이용한 프로그레머블 조셉슨 어레이 바이어스로 달성될 수 있다.
전원은, 전압을 공급받아 전류를 출력하는 전압전류 변환기에 해당하고, OP앰프에 의해 전압전류 특성의 전압을 검출하여 전압전류변환기에 되먹임되는 것을 특징으로 할 수 있다.
프로그레머블 조셉슨 어레이는 조셉슨 접합들로 이루어지며, 전압전류 특성은 프로그레머블 조셉슨 어레이에 가해지는 기준 주파수와 바이어스 전압의 조절에 의해 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
전압전류 특성은, 각각의 조셉슨 접합에서 형성되는 복수의 전압스텝들을 구비하며, 바이어스 전류의 로드라인과 전압전류 특성의 교차점이 작동점이 되는 것을 특징으로 할 수 있다.
전압전류 특성은, 바이어스 전압을 조절하여 얻어지고, 그리고 0 전압스텝구간과 NbinaryVstep 전압스텝구간 및 0전압스텝과 NbiaryVstep전압스텝 사이에 저항성 비양자역학적 특성을 가지는 구간을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
작동점은, 저항성 비양자역학적 특성을 가지는 구간은 포함하지 않고, 전압스텝에 해당하는 부분에 존재하는 것을 특징으로 할 수 있다.
전압전류변환기는 바이어스 전압과 전압전류 특성의 전압을 공급받아 음의 가변 바이어스 저항을 이용하여 바이어스 전류를 발생시키는 차동증폭회로를 구비 하는 것을 특징으로 할 수 있다.
바이어스 전류는 전압전류 특성의 전압에 비례하게 되고, 바이어스 전류의 로드라인 기울기는 바이어스 저항을 조절하여 변하게 되는 것을 특징으로 할 수 있다.
기울기를 조절함으로써, 작동점이 저항성 비양자역학적 특성을 가지는 구간에 존재하지 않고, 전압스텝 구간에 존재하게 되어, 작동점에서의 전압으로 이루어진 프로그레머블 조셉슨 어레이 전압파형에 저항성 비양자역학적 특성을 가지는 구간이 포함되지 않는 것을 특징으로 할 수 있다.
차동증폭회로는, 적어도 하나의 음의 가변 바이어스저항을 구비하고, 차동연산증폭기를 포함하며, 차동연산증폭기는 +입력 및 -입력에 다중 입력전압을 허용하며 +입력에 가하게 되는 복수의 전압의 합과 -입력에 가하게 되는 복수의 전압의 합의 차이에 비례하는 바이어스 전류를 가지도록 하고, 전압전류 특성의 전압이 -입력 또는 +입력에 되먹임 되는 방식을 채택하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 따른 카테고리로써 본 발명의 목적은, 바이어스를 이용한 프로그레머블 조셉슨 어레이 전압측정방법에 있어서, 조셉슨 접합들을 갖는 프로스레시블 조셉슨 어레이에 기준 주파수를 가하는 단계; 조셉슨 접합들 각각이 전압스텝을 발생시키고, 전압스텝들 사이에 저항성 비양자역학적 특성을 가지는 구간을 포함하는 프로스레시블 조셉슨 어레이 전압전류 특성을 형성하는 단계; 바이어스 전압과 전압전류 특성의 전압을 공급받아 음의 가변 바이어스 저항을 구비한 전압전류변환기를 통하여 바이어스 전류를 출력하는 단계; 바이어스 전류가 프로스레시블 조셉슨 어 레이에 공급되어 바이어스 전류의 로드라인과 전압전류 특성을 모두 만족하는 작동점을 찾는 단계; 및 바이어스 전압을 변화하여 바이어스 전류의 로드라인을 이동시켜 작동점으로 부터 프로그레머블 조셉슨 어레이 전압파형을 얻는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 음의 가변 저항을 갖는 바이어스를 이용한 프로그레머블 조셉슨 어레이 전압측정방법으로 달성될 수 있다.
전압전류 특성 형성단계와 바이어스 전류출력 단계 사이에, 바이어스 전압을 조절하여 전압스텝은 0전압스텝과 NbiaryVstep전압스텝으로 구비되고, 전압전류 특성은 0전압스텝구간과 NbiaryVstep전압스텝구간 및 0전압스텝구간과 NbiaryVstep전압스텝구간 사이에 저항성 비양자역학적 특성을 가지는 구간을 포함하는 전압전류 특성을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
바이어스 전류출력단계에서, OP앰프가 전압전류 특성의 전압을 검출하여 전압전류 변환기에 전압전류 특성의 전압을 되먹임하는 것을 특징으로 할 수 있다.
작동점은, 전압전류 특성에서 저항성 비양자역학적 특성을 가지는 구간은 포함하지 않고, 전압스텝 구간에 해당하는 부분인 것을 특징으로 할 수 있다.
전압전류변환기는, 바이어스 전압과 전압전류 특성의 전압을 공급받아 음의 가변 바이어스 저항을 이용하여 바이어스 전류를 출력하는 차동증폭회로로 구성된 것을 특징으로 할 수 있다.
음의 가변 바이어스저항을 가짐으로써, 바이어스 전류는 전압전류 특성의 전압에 비례하게 되고, 바이어스 전류 로드라인의 기울기는 바이어스 저항을 조절하 여 변하게 되는 것을 특징으로 할 수 있다.
기울기를 조절함으로써, 작동점이 전압파형에서 저항성 비양자역학적 특성을 가지는 구간에 존재하지 않고, 전압스텝 구간에 존재하게 되어, 작동점에서의 전압으로 이루어진 프로그레머블 조셉슨 어레이 전압파형에 저항성 비양자역학적 특성을 가지는 구간이 포함되지 않는 것을 것을 특징으로 할 수 있다.
차동증폭회로는, 적어도 하나의 음의 가변 바이어스저항을 구비하고, 차동연산증폭기를 포함하며, 차동연산증폭기는 +입력 및 -입력에 다중 입력전압을 허용하며 +입력에 가하게 되는 복수의 전압의 합과 -입력에 가하게 되는 복수의 전압의 합의 차이에 비례하는 바이어스 전류를 가지도록 하고, 전압전류 특성의 전압이 -입력 또는 +입력에 되먹임 되는 방식을 채택하는 것을 특징으로 할 수 있다.
따라서, 상기 설명한 바와 같은 본 발명의 일실시예에 의하면, 기존의 PJA 전압파형을 발생시키는데 있어 사용되는 바이어스 방식을 개선하여 전압스텝 사이에 저항성 비양자역학적 구간을 가급적 포함하지 않아 보다 정확한 전압파형을 얻을 수 있는 효과가 있다.
반도체 DAC는 기능과 성능면에서 다양한 소자가 생산되고 있고, 주변기술이 잘 발달되어 편리하게 측정장치를 구성할 수 있는 장점이 있는 반면, 어느 수준이상의 높은 정확도 및 안정도를 달성하기가 어렵다는 단점이 있다. 본 발명은 직류에 대하여 절대 정확도 수준을 제공하는 PJA DAC를 교류 주파수 영역에 까지 확장함에 있어서 PJA의 작동점을 스텝상태로 제한하는 효과를 가지게 된다.
이렇게 함으로써 반도체 DAC 한계와 단점을 획기적으로 극복하여 전압 단위의 국제단위계 정의에 직접 소급하는 절대 정확도의 교류 파형을 발생시킬 수 있는 길이 열리 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 음의 가변 저항을 이용한 전원회로는 PJA 뿐 아니라 전기측정 등 기타 용도로도 응용가능하며, 기존의 음의 출력저항을 이용한 전원회로에서는 전류를 감지하여 되먹이는 방식을 이용하는 것과는 달리 전압을 직접 감지하여 되먹이는 방식으므로 별로의 전류 감지용 저항이 필요하지 않다는 장점이 있다.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어 졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허 청구 범위에 속함은 자명하다.
(음의 가변 출력저항을 갖는 전원을 이용한 프로그레머블 조셉슨 어레이 바이어스)
이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 프로그레머블 조셉슨 어레이(이하 PJA)를 이용하여 전압파형을 얻는데 있어 음의 가변 저항을 가진 전원을 이용하여 바이어스 전류를 PJA에 공급하여 두 전압스텝(300)간의 저항성 비양자역학적 구간(400)을 포함하지 않는 조셉슨 전압파형을 얻기 위한 PJA 바이어스에 대해 설명하도록 한다.
먼저, 도 2a 및 도 2b는 PJA 전압-전류 특성과 본 발명의 바이어스 전류의 로드라인(200) 및 작동점(500)을 도시한 그래프이다. 도 1a 내지 도 1c에 도시된 것과는 달리 바이어스 전류의 기울기가 양의 값을 가짐을 알 수 있다. 이러한 기울기를 음의 가변 바이어스 저항을 적절히 조절함으로서 PJA전압파형이 저항성 비양자역학적 구간(400)을 포함하지 않게 할 수 있다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 PJA 전압-전류 특성(100)은 도 1a 내지 도 1c와 같이,
I = IPJA(V) (1)-1
으로 표현되며, O 전압스텝구간(310)과 NbinaryVstep전압스텝구간(320) 및 스텝 사이에 저항성 비양자역학적 구간(400)을 포함하고 있다. 바이어스 전류는, 식
I = A(V+Vo) (2)-1
로 표현된다. 그리고, 도 2a 및 도 2b에 바이어스 전류의 로드라인(200)이 도시되어 있다. 여기서, I는 바이어스 전류이며, A는 조절 가능한 전압-전류 변화계수인 양의 상수이다. 그리고, V는 PJA 전압-전류 특성(100)의 전압이고 Vo는 조절가능한 바이어스 전압에 해당한다. 식(2)-1에서와 같이, 출력되는 바이어스 전류는 PJA 전압-전류 특성(100)의 전압에 비례하게 되며, 음의 가변 바이어스 저항으로 이루어진 A는 바이어스 저항을 조절하여 결정할 수 있으며 그래프의 기울기에 해당한다.
저항성 비양자역학적 구간(400)을 포함하지 않기 위한 기울기는 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 전압이 0 인 스텝(310)의 최고점과 전압이 NbinaryVstep인 스 텝(320)의 최저점을 이은 것이 될 것이나 실제 상황에서는 최고, 최저점의 측정의 불확정도 및 노이즈를 고려하여 이보다 약간 더 컨덕티브한 기울기를 선택해야 한다.
기울기를 도 2a 및 도 2b와 같이 선택한 경우, 작동점(500)은 PJA 전압-전류 특성(100)과 바이어스 전류 특성(100)을 동시에 만족하는 것이다. 이는 식 (1)-1 과 식(2)-1을 모두 만족하는 전압 및 전류가 될 것이다. 그리고, 바이어스 저항값을 유지시키고 바이어스 전압을 변화시키게 되면 바이어스 전류 로드라인(200)은 기울기를 유지한 상태에서 상하로 움직이게 된다.
도 2a는 작동점(500)이 NbinaryVstep전압스텝(320) 구간에 있는 경우를 도시한 것이고, 도 2b는 작동점(500)이 0전압스텝구간(310)에 있는 경우를 도시한 것이다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 작동점(500)은 전압스텝(300) 구간에서 나타나며 전압스텝(300) 사이의 저항성 비양자역학적 구간은 포함하지 않게 된다.
도 3은 음의 가변 바이어스 저항을 갖는 전원인 전압전류변환기(50)를 이용한 PJA 바이어스 전류가 PJA로 공급되는 회로도를 도시한 것이다. 도 3에 도시된 바와 같이, PJA 전압전류 특성(100)의 전압(V)은 OP앰프(600)에 의해 검출되어 전압전류변환기(50)(V/I Converter)로 되먹임되는 것을 알 수 있다. 본 발명은 PJA에 전압을 공급하고 전류를 검출하여 되먹이는 방식이 아니라 음의 가변 바이어스 저항을 이용하여 PJA에 바이어스 전류를 공급하고 전압을 검출하여 되먹임하는 방식임을 알 수 있다. 따라서, 별도의 전류감지용 저항이 필요하지는 않다.
음의 가변 바이어스저항을 갖는 전원인 전압전류변환기(50)는 되먹임된 PJA 전압전류 특성(100)의 전압(V)과 조절가능한 바이어스 전압(Vo)을 입력전압으로 한다. 즉, V+Vo를 입력전압으로 하여 바이어스 전류에 해당하는 A(V+Vo)를 출력하는 차동증폭회로를 구비하고 있다. A는 앞서 설명한 것처럼 전압-전류 변환계수에 해당하며 음의 가변 바이어스 저항의 조합으로 나타나게 되는 양의 상수 값이다. 바이어스 전류는 식 (2)-1에서 보는 바와 같이 V에 비례하게 됨을 알 수 있다.
전압전류변환기(50)에 의해 바이어스 전류가 출력되어 PJA에 공급되게 된다. 그리고, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, PJA 전압전류 특성(100)에서 전압스텝(300)을 작동점(500)으로 하여 저항성 비양자역학적 구간(400)을 포함하지 않는 PJA 전압파형을 얻게된다. 따라서, 이러한 특성을 갖는 바이어스의 외부 전압 Vo를 변화시킬 때 이상적인 경우 PJA의 전압 V는 0인 스텝(310) 또는 NbinaryVstep인 스텝(320)을 오갈 것이다. 여기서 전압스텝(300)간의 이동과정은 바이어스 전압(Vo)에 의한 바이어스 전류의 변화 속도와는 무관하게 PJA 자체 전압스텝(300)간에 신속 정확한 이동으로 이루어지게 된다.
단, 바이어스가 두 전압스텝(300)사이를 이동할 때 PJA의 비양자학적 구간(400)이 바이어스 전류 로드라인(200)과 만나는 점이 간혹 존재할 수 있으며 이 경우 전압스텝(300)간 단번에 순간적인 스위칭이 이루어지지 않을 수는 있다. 그러나 이러한 경우라도 해당 비양자역학적 구간(400)은 작은 점에 불과하므로 기존의 양의 바이어스 저항을 사용하는 것에 비해 훨씬 빠른 전압스텝(300)간의 이동이 가능하다.
도 4는 전압전류 변환기(50)의 차동증폭회로의 실시예를 도시한 것이다. 도 4에 도시된 바와 같이 차동증폭회로에는 차동연산증폭기(650)인 OP앰프를 포함하며 +입력(V+)으로 V1과 V2를 사용하고, -입력(V-)으로 V3과 V4를 공급한다. 바이어스 저항들은 R1 과 R2가 되며 R1이 R2 및 PJA의 저항보다 휠씬 작다고 가정하면 바이어스 전류 I는 (V1+V2-V3-V4)/(2R2)가 된다. 입력전압들의 조합은 바이어스 전압과 되먹임된 PJA 전압으로 (V1+V2-V3-V4)이 양의 값을 가진다면 제한되지 않는다. 구체적인 예로 V3=V4=0 이고, V1 = V 그리고 V2 = V0 인 것을 들 수 있다.
이때 도 3의 조절가능한 전압전류 변환계수A는 1/(2R2)가 되며 변환계수는 R2 를 가변시킴으로써 A를 조절할 수 있게 된다. 도 4는 차동증폭회로의 구체적 실시예에 불과할 뿐 전압전류 변환계수 A가 양수이고, 바이어스 저항에 의해 조절가능한 것이라면 어떠한 구조라도 모두 본 발명의 권리범위에 속함은 자명하다.
(음의 가변 바이어스 저항을 갖는 전원을 이용한 프로그레머블 조셉슨 어레이 전압측정방법)
이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 음의 가변 바이어스 저항을 가지는 전원을 이용한 PJA 전압측정방법을 설명하도록 한다. 우선, 도 5는 본 발명의 음의 가 변 바이어스 저항을 가지는 전원을 이용한 프로그레머블 조셉슨 어레이 전압측정방법의 흐름도를 도시한 것이다.
먼저, 조셉슨 접합들을 갖는 PJA에 기준 주파수를 인가하는게 된다(S10). 조셉슨 접합들 각각은 전압스텝(300)을 발생시키고(S20), 전압스텝(300)들 사이에 저항성 비양자역학적 특성을 가지는 구간(400)을 포함하는 PJA 전압전류 특성(100)을 형성하는 게 된다(S30). 앞서 설명한 것과 같이 바이어스 전압을 조절하여 전압스텝(300)은 0전압스텝(310)과 NbiaryVstep전압스텝(320)으로 구비된다. 따라서, PJA 전압전류 특성(100)은 0전압스텝구간(310)과 NbiaryVstep전압스텝구간(320) 및 0전압스텝구간(310)과 NbiaryVstep전압스텝구간(320) 사이에 저항성 비양자역학적 특성을 가지는 구간(400)을 포함하는 PJA 전압전류 특성(100)을 형성하게 된다(S40).
그리고, 전압전류변환기(50)가 바이어스 전압(Vo)과 PJA 전압전류 특성(100)의 전압(V)을 공급받아 음의 가변 바이어스 저항을 갖는 전원인 전압전류변환기(50)를 통하여 바이어스 전류를 PJA에 출력하게 된다(S50). 이때 OP앰프(600)가 PJA 전압전류 특성(100)의 전압을 검출하여 전압전류 변환기(50)에 PJA 전압전류 특성(100)의 전압을 되먹임하게 된다. 또한, 전압전류변환기(50)는 앞서 설명한 것처럼 음의 가변 바이어스 저항을 포함하는 차동증폭회로로 구성되어 있다.
바이어스 전류가 PJA에 공급되어 바이어스 전류의 로드라인(200)과 PJA 전압전류 특성(100)을 모두 만족하는 작동점(500)을 찾게 된다(S60). 작동점(500)은, PJA 전압전류 특성(100)에서 저항성 비양자역학적 특성을 가지는 구간(400)은 포함 하지 않고, 전압스텝(300)구간에 해당하는 부분에 존재하게 된다. 음의 가변 바이어스 저항을 가짐으로써, 바이어스 전류는 PJA 전압전류 특성(100)의 전압에 비례하게 되고, 바이어스 전류의 로드라인(200) 기울기는 바이어스 저항을 조절하여 변하게 된다.
기울기를 조절함으로써, 작동점(500)이 저항성 비양자역학적 특성을 가지는 구간(400)에 존재하지 않고, 전압스텝(300)구간 부분에 존재하게 된다. 바이어스 전압을 변화하여 바이어스 전류의 로드라인(200)을 이동시켜 얻어지는 작동점(500)들으로 부터 PJA 전압파형을 얻게 된다(S70). 작동점(500)에서의 전압으로 이루어진 PJA 전압파형에는 저항성 비양자역학적 특성을 가지는 구간(400)이 포함되지 않게 된다.
도 1a은 PJA 전압-전류 특성과 바이어스 전류의 로드라인 및 작동점이 NbinaryVstep 전압스텝구간에 존재하는 그래프,
도 1b는 PJA 전압-전류 특성과 바이어스 전류의 로드라인 및 작동점이 저항성 비양자역학적 구간에 존재하는 그래프,
도 1c은 PJA 전압-전류 특성과 바이어스 전류의 로드라인 및 작동점이 0전압스텝구간에 존재하는 그래프,
도 2a는 PJA 전압-전류 특성과 본 발명에 따른 바이어스 전류의 로드라인 및 작동점이 NbinaryVstep 전압스텝구간에 존재하는 그래프,
도 2b는 PJA 전압-전류 특성과 본 발명에 따른 바이어스 전류의 로드라인 및 작동점이 0전압스텝구간에 존재하는 그래프,
도 3은 음의 가변 바이어스 저항을 갖는 전압전류변환기를 이용한 PJA 바이어스 전류가 PJA로 공급되는 회로도,
도 4는 전압전류 변환기에 구비된 차동증폭회로의 실시예를 나타낸 회로도,
도 5는 본 발명의 음의 가변저항을 가지는 바이어스를 이용한 프로그레머블 조셉슨 어레이 전압측정방법의 흐름도를 도시한 것이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10:PJA
50:전압전류 변환기
100:PJA의 전압전류 특성
200:바이어스 전류의 로드라인
300:전압스텝
310:0전압스텝구간
320:NbinaryVstep 전압스텝구간
400:저항성 비양자역학적 특성 구간
500:작동점
600:PJA OP앰프
650:차동연산증폭기
V:PJA 전압
Vo:바이어스 전압
R1, R2:바이어스 저항
I:바이어스 전류
V1, V2:차동증폭회로 OP앰프의 V+ 입력
V3, V4:차동증폭회로 OP앰프의 V- 입력

Claims (18)

  1. 프로그레머블 조셉슨 어레이의 전압파형을 얻기 위한 작동점을 결정하는 프로그레머블 조셉슨 어레이 바이어스에 있어서,
    조절가능한 바이어스 전압과 상기 프로그레머블 조셉슨 어레이에서 형성된 전압전류 특성의 전압을 공급받아 음의 가변 바이어스 저항을 구비하여 바이어스 전류를 발생시켜 상기 프로그레머블 조셉슨 어레이에 공급하는 전원수단; 및
    상기 전압전류 특성의 전압을 상기 전원수단에 공급하는 OP앰프수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 음의 가변 저항을 갖는 전원을 이용한 프로그레머블 조셉슨 어레이 바이어스.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전원수단은,
    전압을 공급받아 전류를 출력하는 전압전류 변환기에 해당하고, 그리고
    상기 OP앰프수단에 의해 상기 전압전류 특성의 전압을 검출하여 상기 전압전류변환기에 되먹임되는 것을 특징으로 하는 음의 가변 저항을 갖는 전원을 이용한 프로그레머블 조셉슨 어레이 바이어스.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 프로그레머블 조셉슨 어레이는 조셉슨 접합들로 이루어지며,
    상기 전압전류 특성은 상기 프로그레머블 조셉슨 어레이에 가해지는 기준 주파수와 상기 바이어스 전압의 조절에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 음의 가변 저항을 갖는 전원을 이용한 프로그레머블 조셉슨 어레이 바이어스.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 전압전류 특성은,
    각각의 상기 조셉슨 접합에서 형성되는 복수의 전압스텝들을 구비하며, 상기 바이어스 전류의 로드라인과 상기 전압전류 특성의 교차점이 작동점이 되는 것을 특징으로 하는 음의 가변 저항을 갖는 전원을 이용한 프로그레머블 조셉슨 어레이 바이어스.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 전압전류 특성은,
    상기 바이어스 전압을 조절하여 얻어지고, 그리고
    0 전압스텝구간과 NbinaryVstep 전압스텝구간 및 상기 0전압스텝과 상기 NbiaryVstep전압스텝 사이에 저항성 비양자역학적 특성을 가지는 구간을 포함하는 것을 특징으로 하는 음의 가변 저항을 갖는 전원을 이용한 프로그레머블 조셉슨 어레이 바이어스.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 작동점은,
    상기 저항성 비양자역학적 특성을 가지는 구간은 포함하지 않고, 상기 전압스텝에 해당하는 부분에 존재하는 것을 특징으로 하는 음의 가변 저항을 갖는 전원을 이용한 프로그레머블 조셉슨 어레이 바이어스.
  7. 제 2항에 있어서,
    상기 전압전류변환기는 상기 바이어스 전압과 상기 전압전류 특성의 전압을 공급받아 상기 음의 가변 바이어스 저항을 이용하여 상기 바이어스 전류를 발생시키는 차동증폭회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 음의 가변 저항을 갖는 전원을 이용한 프로그레머블 조셉슨 어레이 바이어스.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 바이어스 전류는 상기 전압전류 특성의 전압에 비례하게 되고,
    상기 바이어스 전류의 로드라인 기울기는 상기 바이어스 저항을 조절하여 변하게 되는 것을 특징으로 하는 음의 가변 저항을 갖는 전원을 이용한 프로그레머블 조셉슨 어레이 바이어스.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 바이어스저항으로 상기 기울기를 조절함으로써,
    상기 작동점이 상기 저항성 비양자역학적 특성을 가지는 구간에 존재하지 않고, 상기 전압스텝 구간에 존재하게 되어,
    상기 작동점에서의 전압으로 이루어진 프로그레머블 조셉슨 어레이 전압파형에 상기 저항성 비양자역학적 특성을 가지는 구간이 포함되지 않는 것을 특징으로 하는 음의 가변 저항을 갖는 전원을 이용한 프로그레머블 조셉슨 어레이 바이어스.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 차동증폭회로는,
    적어도 하나의 상기 음의 가변 바이어스저항을 구비하고, 차동연산증폭기를 더 포함하며,
    상기 차동연산증폭기는 +입력 및 -입력에 다중 입력전압을 허용하며 상기 +입력에 가하게 되는 복수의 전압의 합과 상기 -입력에 가하게 되는 복수의 전압의 합의 차이에 비례하는 상기 바이어스 전류를 가지도록 하고,
    상기 전압전류 특성의 전압이 상기 -입력 또는 +입력에 되먹임 되는 것을 특징으로 하는 음의 가변 저항을 갖는 전원을 이용한 프로그레머블 조셉슨 어레이 바이어스.
  11. 상기 제 10항의 바이어스를 이용한 프로그레머블 조셉슨 어레이 전압측정방법에 있어서,
    조셉슨 접합들을 갖는 프로그레머블 조셉슨 어레이에 기준 주파수를 가하는 단계;
    상기 조셉슨 접합들 각각이 전압스텝을 발생시키고, 상기 전압스텝들 사이에 저항성 비양자역학적 특성을 가지는 구간을 포함하는 프로그레머블 조셉슨 어레이 전압전류 특성을 형성하는 단계;
    상기 바이어스 전압과 상기 전압전류 특성의 전압을 공급받아 음의 가변 바이어스 저항을 구비한 전압전류변환기를 통하여 바이어스 전류를 출력하는 단계;
    상기 바이어스 전류가 프로그레머블 조셉슨 어레이에 공급되어 상기 바이어스 전류의 로드라인과 상기 전압전류 특성을 모두 만족하는 작동점을 찾는 단계; 및
    상기 바이어스 전압을 변화하여 상기 바이어스 전류의 로드라인을 이동시켜 상기 작동점으로 부터 프로그레머블 조셉슨 어레이 전압파형을 얻는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 음의 가변 저항을 갖는 바이어스를 이용한 프로그레머블 조셉슨 어레이 전압측정방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 전압전류 특성 형성단계와 상기 바이어스 전류출력 단계 사이에,
    상기 바이어스 전압을 조절하여 상기 전압스텝은 0전압스텝과 NbiaryVstep전압스텝으로 제공되고,
    상기 전압전류 특성이 상기 0전압스텝구간과 상기 NbiaryVstep전압스텝구간 및 상기 0전압스텝구간과 상기 NbiaryVstep전압스텝구간 사이에 저항성 비양자역학적 특성을 가지는 구간을 포함하는 전압전류 특성을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 음의 가변 저항을 갖는 바이어스를 이용한 프로그레머블 조셉슨 어레이 전압측정방법.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 바이어스 전류출력단계에서,
    OP앰프가 상기 전압전류 특성의 전압을 검출하여 상기 전압전류 변환기에 상기 전압전류 특성의 전압을 되먹임하는 것을 특징으로 하는 음의 가변 저항을 갖는 바이어스를 이용한 프로그레머블 조셉슨 어레이 전압측정방법.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 작동점은,
    상기 전압전류 특성에서 상기 저항성 비양자역학적 특성을 가지는 구간은 포함하지 않고, 상기 전압스텝 구간에 해당하는 부분인 것을 특징으로 하는 음의 가변 저항을 갖는 바이어스를 이용한 프로그레머블 조셉슨 어레이 전압측정방법.
  15. 제 11항에 있어서,
    상기 전압전류변환기는,
    상기 바이어스 전압과 상기 전압전류 특성의 전압을 공급받아 상기 음의 가변 바이어스 저항을 이용하여 상기 바이어스 전류를 출력하는 차동증폭회로로 구성된 것을 특징으로 하는 음의 가변 저항을 갖는 바이어스를 이용한 프로그레머블 조셉슨 어레이 전압측정방법.
  16. 제 11항에 있어서,
    상기 음의 가변 바이어스저항을 가짐으로써,
    상기 바이어스 전류는 상기 전압전류 특성의 전압에 비례하게 되고,
    상기 바이어스 전류 로드라인의 기울기는 상기 바이어스 저항을 조절하여 변하게 되는 것을 특징으로 하는 음의 가변 저항을 갖는 바이어스를 이용한 프로그레머블 조셉슨 어레이 전압측정방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 기울기를 조절함으로써,
    상기 작동점이 상기 전압파형에서 상기 저항성 비양자역학적 특성을 가지는 구간에 존재하지 않고, 상기 전압스텝 구간에 존재하게 되어,
    상기 작동점에서의 전압으로 이루어진 상기 프로그레머블 조셉슨 어레이 전압파형에 상기 저항성 비양자역학적 특성을 가지는 구간이 포함되지 않는 것을 특징으로 하는 음의 가변 저항을 갖는 바이어스를 이용한 프로그레머블 조셉슨 어레이 전압측정방법.
  18. 제 15항에 있어서,
    상기 차동증폭회로는,
    적어도 하나의 상기 음의 가변 바이어스저항을 구비하고, 차동연산증폭기를 포함하며,
    상기 차동연산증폭기는 +입력 및 -입력에 다중 입력전압을 허용하며 상기 +입력에 가하게 되는 복수의 전압의 합과 상기 -입력에 가하게 되는 복수의 전압의 합의 차이에 비례하는 상기 바이어스 전류를 가지도록 하고,
    상기 전압전류 특성의 전압이 상기 -입력 또는 +입력에 되먹임 되는 것을 특징으로 하는 음의 가변 저항을 갖는 바이어스를 이용한 프로그레머블 조셉슨 어레이 전압측정방법.
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