TW523994B - Electron beam excited superconducting analog-to-digital converter - Google Patents

Description

523994 A7 -----------B7__ 五、發明説明（1 ) 一 本發明係關於類比至數位轉換，且更特別關於用於高 速類比至數位轉換之系統和方法。 fcg背景 數位處理上的進展明顯地衝擊科學和技術及數位處理 應用上的許多成就。有許多情況需要把類比信號快速轉換 成數位表示來供處理，且提供數位設備之電源動力。一關 鍵元件係已知為在許多系統中係重要前端的類比至數位轉 換器（A/D轉換器）之裝置。然而，A/D轉換器之性能落後於 數位處理器，產生對許多應用之完全數位化的障礙。 期望提供操作在30MHz*3GHWb1、解析度超過約⑺ 位兀的A/D轉換器。這些A/D轉換器可使用為在雷達前端、 攔截接收器、影像處理、HDTV和許多其他領域中的組件。 傳統半導體裝置具有熟知之系統限制，且無法符合上述性 能要求。例如，目前矽晶雙極技術達到1(3112之4位元，且 GaAs異接合雙極電晶體（HBT)技術被設計來達成於π沿 之6位元。這使約瑟夫遜接合（JJ)技術成為最具潛力來產生 先進數位系統所需之性能’。操作於液態取溫度的最快速約 瑟夫遜接合快閃a/D轉換器可達成於1(}1^之6位元、和於 10GHz之3位元。這些低臨界溫度（Te)電路要求具有使用高 Tc(HTC)超導性無法來複製之高非線性的良好品質約瑟夫 遜接合面。結果，許多已知低Tc Η電路和觀念無法用咖 超導體來實施。因此，可以說此等已知技術達到其在很低 於所需的性能位準之基本限制，且搜尋新方法很需要且耗 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（21〇χ297公爱） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

、可I 4 523994 五、發明説明（2 ) 時。 因此，在技術中持續需要一種新的A/D轉換系統和方 法’其係根據可產生比使用傳統低Tcjj裝置而認為可能者 高出數等級之性能位準的HTC超導體。特別地，需要一種 A/D轉換系統，能夠操作於由習知技術無法達成之超過 10GHz於10位元解析度的頻帶寬。 週^式之簡單据沭 第1圖說明一微弱鏈結約瑟夫遜接合面裝置之電流_電 壓特性； ％ 第2圖說明於兩端點來匹配、且含有串聯之微弱鏈結的 一電子束激勵無散射HTC超導線條； 第3圖說明一個3位元電子束激勵超導A/D轉換器，· 第4圖說明一個一般、N位元電子束激勵超導a/d轉換 器； ~ 第5圖說明例示實施例電子束類比至數位轉換哭之 待性能； 第6圖顯示一微型史達林閉循環冷凍機；及 圖第7圖說明一超高性能類比至數位轉換器系統之構造 發明之概要 習知技術之上述和其他問題及缺點可由本發明、 把類比電壓信號以高速來轉換成一數位表示、已知為—類 比至數位轉換器（A/D轉換器）之數個方法和裝置來克服或 減輕。本發明教導由較佳為咖“條超導式傳輸線來夢 本紙張尺度適财關緖準（CNS) A4«#^21〇X297~

訂丨 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 5 成軸立tlA/D轉換器。_線彼此相鄰且平行地來配置。 在母^線上2伽被_聯地嵌人。π以跨越線條來給予n —進位數字、同時在長度方向上這些Ν位數二進位數 a ^ j數里人序中之方式，在Ν條超導式傳輸線之組態上 方來形成-矩陣。_掃描電子束被產生來撞擊此配置。電 子束以高頻率來掃過線條，同時由所施加電壓信號、沿著 線么卞方向來偏向。電子束在擊中任何一個Π之情況時，會 在Ν條主線之任_條上產生—電壓階度。在各橫掃電子束上 的此情形中’叫隨位元階度電壓圖型在線條上產生。此 圖型係輸入電壓信號之直接數位讀出。 字從下歹i 4述和圖式、由熟知該技術者來銘感和瞭解 本發明之上述和其他特徵及優點。 豐Jg之詳細; 在此揭露的是一種新穎A/D轉換器系統和方法，其係 根據可產生比使用傳統低1(：約瑟夫遜接合面（U)裝置而認 為可能者南出數等級之性能位準的只丁(：：超導體微弱鏈結裝 置。此系統依賴於兩個現象。第一，一電子束可在數gHz 頻率範圍内來偏向。第二，一約瑟夫遜接合面（JJ)在被一 適當電子束擊中時、會切換成電壓狀態。此超高性能a/d 轉換器利用電子束與超導裝置和電路之互相作用。特別 地，在此揭露的系統和方法能夠把超過丨〇GHz之頻帶寬的 包子束偏向，導致於10位元解析度的1〇GHZiA/D轉換器 性能。這用傳統技術不可能來達成。此混成系統也具有超 導傳輸線之重要不散射特性、和HTC微弱鏈結之超快切換 五、發明説明（4 ) 的優點。在一實施例中，具有500MHz至1 GHz之類比頻帶 見的12位兀A/D轉換器為可能。這比其他技術高數個等 級。在又一實施例中，A/D轉換器性能可延伸至於12位元 的 10GHz。 為熟知地，約瑟夫遜接合面在用一能量化電子束來激 勵時、可自零電壓狀態切換至無限電壓狀態。此電子東會 產生壓制約瑟夫遜電流之準粒子。第丨圖顯示具有一臨界電 級JG、且被電流偏壓於一電流Ig的微弱鏈結式JJ之電流-電 壓特性。當電子束被施加時，J()被壓制成低於Ig很多的〗，0， 使裝置自零電壓狀態切換至VG。此裝置在去除電子束激勵 日守、將重置回到零電壓狀態。微弱鏈結式刃之切換速度已 知在次亳奈米範圍中。為了完成此，電子束之能量匕必須 在約瑟夫遜能量Ej=IGMG/2B之等級上，同時Ee必須更小於 超導凝結能量。這些條件使用含有在〜⑴磁之範圍中的 1〇及刀别為數# A和數KV的電子束電流和電壓、及在1 _工〇 笔奈米範圍中的電子束激勵脈波週期之約瑟夫遜裝置可易 於被符合。 第2圖說明一傳輸線2〇用為在此揭露的多位元轉 換為系統之組件。傳輸線2〇係包括串聯的多個約瑟夫遜接 合面22(如由第2圖之交叉點所表示的)之一無散射htc超 導傳輸線。傳輸線20-般具有_特性阻抗心(幾歐姆），且 被匹配於兩端點。一電流供應器如上示地、在一 中這些接合面之任一個時、會把約瑟夫遜接合 電子束擊

一電壓脈波VG被產生、且傳輸到線路之輸出端 面偏壓於 。此傳 五、發明説明（5 ) 輸線具有界定自左到右的一信號之傳播延遲丁、且由 rL/Vp所給的—長度L，其中Vp係傳輸線相位速度、其在 貫際情形中係等於大約光速的三分之一。傳播延遲一般會 限制A/D轉換器之頻帶寬和解析度位元。

據此A/D轉換器包括於第2圖上述的n條傳輸線 2〇。操作原理說明於第3圖，其中一個3位元a/d轉換器之 實施例被描寫。在此情形中，三條傳輸線32a、32b和32c 被，此相鄰來投置，且由—適當距離來隔開、來把交叉對 活最〗、化。坆些傳輸線32a、32b和32〇係沿著Y方向來定 向且私子束被產生以χ方向來掃描。也顯示在第3圖中 的疋由Υ〇至Y?來代表的23、或八列。在χ、γ平面中，一矩 陣識别□此被產生’具有八列和三行（三條傳輸線仏、似 和32c)。代表各列位置的一位元圖由各列中的約瑟夫遜接 合面（交叉符號）之數目來顯示。例如，第一列心不具有H、 且代表Y〇之位元圖係（0,0,〇)。在另一端Y7具有3個JJ'且位 兀圖係（1，1，1)。為了完成A/D轉換器功能，可利用極快速地 在X和γ平面上來掃描一電子束之能力。接近頻帶寬 之電子束偏向為可能。在χ方向上，電子束以取樣頻率 fs(fs>l〇GHz)來持續掃描。輸入類比信號被施於γ偏向系 統，依賴於輸入類比信號之數值、把在γ方向上的電子束 偏向至YG和γ?間之任何位置。例如，當輸入類比信號為零 日守，電子束將在X方向上來掃過第一列（Yg)，且在此情形 中、因為在此列中沒有約瑟夫遜接合面、故三條線之輸出 電壓係位元圖（〇,〇,〇)。當輸入電壓係最高時，電子束在Y 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） 523994 五、發明説明（6 方向上來偏向、使得它交叉第八列γ7,且三個約瑟夫遜接 合面將切換（根據第圖）、且輸出係位元圖（m)。當 然，當數值在零和最高值間日寺，這將使電子束掃過其他列。 當類比信號改變時，輸出位元圖會改變、以取樣頻率心來 反射k k杬述熟知該技術者應瞭解，是否D被指定1之數 子且使0之數字無效、或反之亦然，是任意的。 頁 3位兀A/D轉換器3〇清楚地依賴於超導線之零電阻和 無散射品質、約瑟夫遜接合面之超高切換速度、及在多個 GHz頻帶寬中以乂和γ方向來偏向電子束之能力。 在第4圖中，一般針對N位元的一 A/D轉換器40被說 明。在此當然，需要糾条傳輸線42142卜42卜、42'。 列會重複於一期間之長度），其也為-無效單元Γ長 度、沒有的線條之最短部份。各傳輸線之總長度為 。一此關係清楚地顯示若L被維持值定，則在p值減小 π {元數目p曰加，因此允許一較寬的類比頻帶寬。類 比頻帶寬由傳輸線42中的信號、與線路長度相關之傳播延 遲Τ來限制。A/D轉換器40之頻帶寬可表達為：B W二i/2Τ。 卿員率係電子束以，Χ方向來掃描的頻率、且決定系 統之取後性能。系統之最大類比頻帶寬bw不能大於邱。 如第5圖顯示地，A/D轉換器之性能一般由三條線或區域來 侷限。 平坦區域係由在Y方向的電子束偏向頻帶寬之性能、 fs和關係跡fs/2來限制。只要取樣週期大约比3丁長，類比 頻帶寬BW=fs/2則獨立於解析度位元。對於产〇 5微米且— 本紙張尺度適财_準(CNS) Μ規格 523994 A7 -----_ B7__ 五、發明説明（7 ) 電子束直徑大小等於0.5微米及fs=2〇GHz，給予1 OGHzi最 大類比頻帶寬和N二13之最大位元數目。 N>13的光限制區域，頻帶寬相關於由下式的位元數 目：BW二(c/2nP)x(l/2N)，其中^係光速、n反映傳輸線相位 速度相對於c有多慢，且其中11被假設為3、且ρ係節距。從 此式可獲得於1GHz之BW的Ν=17。 第5圖中的一長度限制被獲得，因為上式因傳輸線長度 不能無限長之限制而不成立。根據直覺，諸如微製程、電 子束掃描距離、電子束解聚焦和其他等實際限制，最大傳 輸線長度約為l〇cm，在此情形中、A/D轉換器性能具有於 18位元解析度的一 5〇〇mHz頻帶寬。 如第5圖的打點曲線所示地，藉由把節距縮減至小於 〇·5微米、且把電子束偏向頻帶寬增加超過2〇GHz，可能進 一步改善性質。用精密微影和微製程技術、以及電子束偏 向系統之精細設計，兩者皆為可能。 從前述分析，清楚地、新穎電子束A/D轉換器具有比 大多數先進JJ式電路高數個等級之性能。由其他技術無法 想像獲得於13位元之10GHz或於17位元之1(3沿的類比頻 帶覓之可能性。達成此一超高性能位準的關鍵因素係產生 超過10GHz之頻帶寬的電子束偏向電路之能力。此係由S M. Kodmski(1991年6月號的電子裝置上的IEEE會報第％冊第 1524頁）來證實。此新觀念之另一重要優點係約瑟夫遜接合 面可為微弱鏈結型，而非具有尖銳準粒子穿透組件的坑道 接合面。微弱鏈結可使用HTC超導材料來容易地產生，可 本紙張尺度翻巾關家標準（CNS) A4規格（210X297公釐)""~

、可| P- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 523994 五、發明説明（8 步 A7 B7 能使用如第6圖顯示的一微型冷凍器來冷卻於77度尺。 達成20GHz和以上之偏向頻帶寬的一主要考量，相關 於在Ν>1〇時於2N之動態範圍的線性。幸運地，所揭露A/D 轉換器架構可用超導晶片來解決此問題。取代於具有週期 地含有節距p的列重複度，某些群組之列將具有由非線性之 測1而決定之可變隔距。此設計因此用來把非線性最小化。 起同性旎A/D轉換器系統70之較佳實施例被構造地 說明於第7圖。A/D轉換器系統7〇包括三個主要子系統。一 迅子束子系統76 —般包含能夠傳送例如具有約〇·5微米直 仫的一電子束Ο·1# Α、及依賴於期望類比頻帶寬之1-5KV 範圍包尾:的已知電子束產生系統。依賴於性能，X、Y偏向 電路被設計來達成丨00河112至2〇GHz之範圍中的頻帶寬。 超‘傳輸線晶片76也被設置，其利用高Tc超導傳輸 線、和提供一般相對於第2-4圖而上述的線性化傳輸之微弱 。衣置及適备、纟巴緣态和電阻器技術與一經調節電源供 應器。晶片76較佳包括寬頻帶寬放大器、來與室溫電子電 路介接。晶片76應包裝在一真空密封配置中，使得上表面 處在真空中且曝露於電子，束激勵，而其他表面熱性地連接 至冷卻子系統78。 冷卻子系統78被設置來補償來自超導電路的一分數毫 :功率之發散。據此’冷卻限制不嚴重。冷卻可使用例如 弟6圖顯示 '係熟知的—小型史達林劑量循環冷^，來方 便地完成。 未特別顯示於第7圖、諸如線性寬頻帶寬放大器、同 本紙張尺度相巾_家標準（⑽）M規格⑽χ297公營） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

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產生器、及諸如記憶體緩衝器和處理器的室溫介面 . 电于電 路’在針對特定應用所需時、也可包括進來。 對於上述本發明之各種層面的修正例只係例示。請瞭 解到，對那些熟知該技術者、對說明性實施例的其他修正 將容易產生。所有此等修正例和改變例被視為在由所附申 请專利範圍所界定的本發明之範傳和精神内。 元件標號對照 20、32a-32c、42a-42N_〗…傳輸線 22…約瑟夫遜接合面（jj) 30···3位元A/D轉換器 40----般A/D轉換器 70…超高性能A/D轉換器系統 74…電子束子系統 76…超導傳輸線晶片 78…冷卻子系統 …參… * (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、^τ— #1 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) Α4規格（210X297公釐） 12

Claims (1)

1. 六、申請專利範園 1· -種用來獲得㈣信號大小上的資訊之线，該系統包 含： 一超導傳輸線，該線具有一開始點； 或更多約瑟夫遜接合面，其中該等係嵌入 該超導傳輸線中，且其中該等㈣串聯於自該開始點的 已知距離；及 一電子束，該電子束撞擊在該超導傳輸線上，該電 子束係收納至沿著該超導傳輸線之方向、與該電壓信號 之大小成比例的位移，且其中該電子束在擊中該一或更 多JJ之任一個的情況上、會在該超導傳輸線上產生一電 壓階度。 2.依據申請專利範圍第丨項之系統，其更包含： N-1條額外超導傳輸線’其中該等叫條額外超導 傳輸線彼此相鄰且大致平行來配置、且與該超導傳輸線 來提作N條大致相同超導傳輸線之—組態，該組態具有 兩特性方向：沿著該等線條之方向的-個y方向及跨越 該等線條來指向的一個χ方向； 矩陣之肷入JJ，{立於該等Ν條超導傳輸線之組態 上方，该矩陣係由在各個該等Ν條超導傳輸線上的 個JJ來形成，其中該等jj被安置、以在該父方向來產生Ν 位數二進位數字’且再者該等職數二進位數字以數量 次序來落在該y方向上；及 ▲ -掃描電壓’使該電子束以^方向來偏向，其中 該電子束週期地撞擊在各條該等N條超導傳輸 六、申請專利範園 3.依射請專利範圍第2項之系、统，其中該等超導傳輸線 係由一個HTC超導體材料來製成。 4·依據申請專利範圍第3項之系統，其更包含： 一冷卻子系統，該冷卻子系統提供其中該HTC超導 體材料沒有電阻地來傳導電流的一周遭環境；及 一電子束子系統，該電子束子系統更包含一真空系 統。 .-工’、 .-種用來採用時變電壓信號的N位元數位樣本之方 法’該方法包含下列步驟： 組 條 提供N條超㈣輸線，料N條超㈣輸線彼此相 鄰且大致平行來配置、且形成具有兩特性方向的— 態：沿著該等線條之方向的方向及跨越該等線 來指向的一個X方，向； 之 嵌入在各條該等N條超導傳輸線上串聯的2叫個 ^瑪接合面㈤，其中該糾在該等N條超導傳輸線〈 :悲上方形成一矩陣’把該等"安置、以在該X方向來 、生=位數二進位數字，㈣者該_位數二進位數字 以數量次序來落在該y方向上；及 置 其 線 :壓 使一電子束撞擊在該㈣條超導傳輸線之該配 :，该電子束係由一掃描電子、以該χ方向來偏向， 中该電子束週期地撞擊在各條該等Ν條超導傳輸 亡味該電子束也被收納至沿著該y方向、與該時變電 k唬之大小成比例的位移，且其 本紙張尺細中國國家檩準 1^)A4規格⑵0X297“ 523994 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 生一電壓階度，藉此在該等N條線上的該等電壓階度即 產生該時變電壓信號之一數位表示。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 6.依據申請專利範圍第5項之方法，其更包含選擇一個 HTC超導體材料來製造該等超導傳輸線之步驟。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210 X 297公釐）