JP2004080129A

JP2004080129A - Superconducting driver circuit and superconducting equipment

Info

Publication number: JP2004080129A
Application number: JP2002234486A
Authority: JP
Inventors: Naoki Harada; 原田　直樹
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2002-08-12
Filing date: 2002-08-12
Publication date: 2004-03-11
Anticipated expiration: 2022-08-12
Also published as: JP4066012B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To broaden a bias margin by enhancing the input sensitivity of a superconducting driver circuit. <P>SOLUTION: At least one Josephson junction effect element 1 of the side nearest one ground point of a series connector of a plurality of the superconducting driver circuits in which a plurality of series connectors having a plurality of Josephson junction effect elements 1 connected in series are connected in parallel, is replaced with a switching gate using a superconducting quantum interferometer 2, and the input terminal of the interferometer 2 is used as an input terminal of the driver circuit. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超電導ドライバ回路及び超電導機器に関するものであり、特に、ジョセフソン効果素子を用いた超電導ドライバ回路のバイアスマージンを大きくするための入力側の構成に特徴のある超電導ドライバ回路及び超電導機器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ジョセフソン効果素子を用いた超電導単一磁束量子回路は超高速、低エネルギーという特徴を持っており、従来の半導体集積回路装置を用いた情報処理システムに代わる将来の高速情報処理システムの構成要素として期待されている。
【０００３】
しかし、単一磁束量子（ＳＦＱ）回路の信号振幅は１ｍＶ程度と小さく、動作電圧を１Ｖ以上必要とする既存の半導体機器とデータをやりとりするには、信号電圧の整合をとるために、まず超電導ドライバ回路によって電圧増幅する必要がある。
【０００４】
図９参照
図９は、従来の超電導ドライバ回路の等価回路図であり、ここでは、ラッチ型ジョセフソン接合を用いたラッチ型ドライバを示す。
図に示すように、Ｊ_１〜Ｊ_８の８つのジョセフソン接合３１からなる直列接続体とＪ_９〜Ｊ_１６の８つのジョセフソン接合３１からなる直列接続体を抵抗３２，３３を介して並列接続し、抵抗３２，３３を介してバイアス電流Ｊ_ｂｉａｓを流すとともに、一方の直列接続体の最も接地点に近いジョセフソン接合Ｊ_１に入力電流Ｊ_ｉｎを印加し、その増幅出力を抵抗３２，３３を介して取り出すようにしたものである。
【０００５】
この場合、バイアス電流Ｊ_ｂｉａｓは、１／２づつ２つの直列接続体に流れ、この状態では各ジョセフソン接合Ｊ_１〜Ｊ_１６において臨界電流を超えず、超電導状態になっている。
【０００６】
ここで、入力端子よりジョセフソン接合Ｊ_１に、Ｊ_ｂｉａｓ／２のバイアス電流と合わせて臨界電流を超えるように入力電流Ｊ_ｉｎを印加すると、まず、ジョセフソン接合Ｊ_１に流れる電流が臨界電流を越えて抵抗状態にスイッチする。
すると、バイアス電流Ｊ_ｂｉａｓは全て右側の直列接続体に流れ込み、Ｊ_９〜Ｊ_１６の８つのジョセフソン接合１１を抵抗状態にスイッチさせる。
【０００７】
次いで、バイアス電流Ｊ_ｂｉａｓは左側の直列接続体に流れ込み、Ｊ_２〜Ｊ_８の７つのジョセフソン接合１１を抵抗状態にスイッチさせ、その結果、バイアス電流は出力端子へ流れ、増幅された出力電圧が発生する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の動作からわかるように、超電導ドライバ回路を動作させるには、まず一方の直列接続体の最も接地点に近いジョセフソン接合、即ち入力電流が印加されるジョセフソン接合Ｊ_１を抵抗状態にスイッチさせる必要があるが、そのためには次の条件を満たさねばならない。
Ｊ_１に流れるバイアス電流（Ｊ_ｂｉａｓ／２）＋入力電流（Ｊ_ｉｎ）＞Ｊ_１の臨界電流
【０００９】
上記の式から、バイアス電流あるいは入力電流の下限が決まり、例えば、Ｊ_１の臨界電流を５００μＡ、入力電流をピーク値１６０μＡのＳＦＱパルスとした場合、上記の式をもっと厳密にしてシミュレーションして解析した結果、バイアス電流の下限は８３２μＡとなる。
【００１０】
一方、バイアス電流の上限は、同様なシミュレーション解析から９６３μＡであることがわかった。
これから、図９に示した従来の超電導ドライバ回路のバイアスマージンは、約８９８〔≒（８３２＋９６３）／２〕μＡ±７〔≒（９６３−８３２）／（８３２＋９６３）／１００〕％となる。
【００１１】
この値は、臨界電流のばらつきが５％以下であるＮｂ系接合においては十分であるが、ばらつきが１０％以上ある高温超電導接合では不十分であり、誤動作の原因となる。
【００１２】
したがって、本発明は、超電導ドライバ回路の入力感度を高め、バイアスマージンを広くすることを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
図１は本発明の原理的構成図であり、この図１を参照して本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図１参照
上記目的を達成するため、本発明は、複数個のジョセフソン効果素子１を直列に接続した直列接続体を、複数個並列に接続した超電導ドライバ回路において、前記直列接続体の一方の最も接地点に近い側の少なくとも一個のジョセフソン接合効果素子１を超電導量子干渉計２を用いたスイッチングゲートに置き換え、前記超電導量子干渉計２の入力端子を前記超電導ドライバ回路の入力端子として用いたことを特徴とする。
【００１４】
この様に、直列接続体の一方の最も接地点に近い側の少なくとも一個のジョセフソン接合効果素子１を同じ臨界電流の超電導量子干渉計（ＳＱＵＩＤ）２を用いたスイッチングゲートに置き換えることにより、このスイッチングゲートをスイッチングさせるためには、超電導量子干渉計２を構成する臨界電流の小さなジョセフソン効果素子をスイッチさせれば良く、したがって、小さな入力電流でスイッチが可能になるので、マージンを広くすることができる。
【００１５】
なお、この様なスイッチングゲートに置き換えるジョセフソン接合効果素子１は、複数個であっても良いが、最も接地点に近い側の一個のジョセフソン接合効果素子１とすることが最も好適であり、また、超電導量子干渉計２は３個以上のジョセフソン接合素子から構成しても良いが、２個のジョセフソン接合素子で十分である。
【００１６】
また、この様な超電導ドライバ回路としては、入力としては超電導単一磁束量子回路からの信号を用いることが一般的であるが、入力端子から単一磁束量子回路へ不所望な逆流が生じないように、入力端子と単一磁束量子回路を抵抗、キャパシタ、ジョセフソン効果素子のいずれかあるいはそれらの組み合わせを介して接続することが望ましい。
【００１７】
また、この場合の入力端子からの入力は、スイッチングゲートに直接入力するようにしても良いし、磁気結合を介してスイッチングゲートに印加しても良いし、或いは、ＭＶＴＬ（Ｍｏｄｉｆｉｅｄ　Ｖａｒｉａｂｌｅ　Ｔｈｒｅｓｈｐｌｄ　Ｌｏｇｉｃ）ゲートのように、スイッチングゲートに直接入力するとともに、磁気結合を介してもスイッチングゲートに印加するようにしても良い。
【００１８】
また、この様な超電導ドライバ回路を備えることによって、超高速情報処理装置等の超電導機器と半導体機器との電圧整合を良好に取ることが可能になる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
ここで、図２を参照して、本発明の第１の実施の形態の超電導ドライバ回路を説明する。
図２参照
図２は、本発明の第１の実施の形態の超電導ドライバ回路の等価回路図であり、図９に示した従来の超電導ドライバ回路の左側の直列接続体の接地点に一番近いジョセフソン接合Ｊ_１を、例えば、臨界電流の比が１：３の非対称ゲートを用いた２接合のＳＱＵＩＤ１４に置き換えたものである。
【００２０】
即ち、図に示すように、Ｊ_２〜Ｊ_８の７つのジョセフソン接合１１とＳＱＵＩＤ１４からなる直列接続体とＪ_９〜Ｊ_１６の８つのジョセフソン接合１１からなる直列接続体を抵抗１２，１３を介して並列接続し、抵抗１２，１３を介してバイアス電流Ｊ_ｂｉａｓを流すとともに、一方の直列接続体の最も接地点に近いジョセフソン接合Ｊ_１に入力電流Ｊ_ｉｎを印加し、その増幅出力を抵抗１２，１３を介して取り出すようにしたものである。
【００２１】
この２接合のＳＱＵＩＤ１４は、臨界電流が１２５μＡのＪ_１ａ及び臨界電流が３７５μＡのＪ_１ｂからなり、インダクタンス１５及びインダクタンス１６によりバイアス電流が分配される。
【００２２】
このＳＱＵＩＤ１４においては、入力電流により臨界電流が１２５μＡのジョセフソン接合Ｊ_１ａをスイッチングさせれば良く、この様な構成の超電導ドライバ回路を上述と同様にシミュレーション解析を行い上限及び下限を求め、その平均値及び平均値からの乖離を求めることによって、バイアスマージンは８４２μＡ±１４％となる。
【００２３】
このように、本発明の第１の実施の形態においては、最終段のジョセフソン接合Ｊ_１を小さな入力電流で動作可能なＳＱＵＩＤ１４に置き換えているので、入力感度を高めることができる。
【００２４】
また、バイアス電流のマージンを１０％以上とすることができるので、臨界電流のバラツキが１０％以上ある酸化物高温超電導接合によって、この様な超電導ドライバ回路を構成することが可能になる。
【００２５】
次に、図３を参照して、本発明の第２の実施の形態の超電導ドライバ回路を説明する。
図３参照
図３は、本発明の第２の実施の形態の超電導ドライバ回路の等価回路図であり、図９に示した従来の超電導ドライバ回路の左側の直列接続体の接地点に一番近いジョセフソン接合Ｊ_１を、例えば、臨界電流比が１：３：１の非対称ゲートを用いた３接合のＳＱＵＩＤ１７に置き換えたものである。
【００２６】
この３接合のＳＱＵＩＤ１７は、臨界電流が１００μＡのＪ_１ａ、臨界電流が３００μＡのＪ_１ｂ、及び、臨界電流が１００μＡのＪ_１ｃからなり、インダクタンス１５及びインダクタンス１６によりバイアス電流が分配される。
なお、Ｊ_１ｂに対しても接続配線によりインダクタンスが構成される。
【００２７】
このＳＱＵＩＤ１７においても、入力電流により臨界電流が一番小さく、且つ、入力に一番近くインダクタンスの寄与の少ないＪ_１ａをスイッチングさせれば良い。
【００２８】
次に、図４を参照して、本発明の第３の実施の形態の超電導ドライバ回路を説明する。
図４参照
図４は、本発明の第３の実施の形態の超電導ドライバ回路の等価回路図であり、図２に示した上記の第１の実施の形態における入力手段として磁気結合を用いたものである。
【００２９】
即ち、入力端子からの入力は、直列接続したインダクタンス１８，１９に入力され、このインダクタンス１８，１９により発生した磁界により臨界電流が小さなＪ_１ａをスイッチングさせて抵抗状態にするものである。
【００３０】
このように、本発明の第３の実施の形態においては、磁気結合により入力を印加しているので、入力側と超電導ドライバ回路とを電気的に分離することができる。
但し、インダクタンス１８，１９に起因する時定数により周波数が制限を受けることになる。
【００３１】
次に、図５を参照して、本発明の第４の実施の形態の超電導ドライバ回路を説明する。
図５参照
図５は、本発明の第４の実施の形態の超電導ドライバ回路の等価回路図であり、図３に示した上記の第２の実施の形態における入力手段として磁気結合を用いたものである。
【００３２】
即ち、入力端子からの入力は、直列接続したインダクタンス１８，１９に入力され、このインダクタンス１８，１９により発生した磁界により臨界電流が一番小さなＪ_１ａをスイッチングさせて抵抗状態にするものである。
【００３３】
このように、本発明の第４の実施の形態においては、上記の第２実施の形態に対して、入力と超電導ドライバ回路とを電気的に分離することができるが、インダクタンス１８，１９に起因する時定数により周波数が制限を受けることになる。
【００３４】
また、本発明の第４の実施の形態においては、３接合のＳＱＵＩＤ１７を用いているので、上述の第３の実施の形態の２接合のＳＱＵＩＤ１４を用いた場合に比べて入力に対する動作マージンが広く、過大な入力に対しても誤動作の虞が少ない。
【００３５】
次に、図６を参照して、本発明の第５の実施の形態の超電導ドライバ回路を説明する。
図６参照
図６は、本発明の第５の実施の形態の超電導ドライバ回路の等価回路図であり、図９に示した従来の超電導ドライバ回路の左側の直列接続体の接地点に一番近いジョセフソン接合Ｊ_１を、所謂ＭＶＴＬゲート（必要ならば、Ｎ．Ｆｕｊｉｍａｋｉ　他，”Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ　ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｔｈｒｅｓｈｐｌｄ　ｌｏｇｉｃ　ｇａｔｅｓ　ｆｏｒ　ｕｓｅ　ｉｎ　ｕｌｔｒａ−ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄＬＳＩ”，ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．ＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅｓ，ｖｏｌ．３６，ｎｏ．２，ｐｐ．４３３参照）に置き換えたものである。
【００３６】
即ち、臨界電流が１２５μＡのＪ_１ａ及び臨界電流が３７５μＡのＪ_１ｂをインダクタンス１５及びインダクタンス１６により並列接続するとともに、この並列接続体にジョセフソン接合２０を介して抵抗２１に接続し、さらに、直列接続したインダクタンス１８，１９を介して入力端子に接続するものである。
【００３７】
この場合、臨界電流が小さなＪ_１ａに入力電流を直接入力するとともに、磁気結合によりインダクタンス１８で発生した磁界を印加させて、電流及び磁界の総合作用によりＪ_１ａをスイッチングさせて抵抗状態にするものである。
なお、抵抗２１は、ジョセフソン接合Ｊ_１ａ及びジョセフソン接合Ｊ_１ｂが抵抗状態になったときに、入力電流を接地に逃がす作用がある。
【００３８】
この第５の実施の形態においては、同じ入力電流を用いて電流及び磁界の総合作用によりＪ_１ａをスイッチングさせているので、入力感度をより高くすることができる。
但し、インダクタンス１８，１９に起因する時定数により周波数が制限を受けることになる。
【００３９】
こので、図７を参照して、本発明の第６の実施の形態の超電導ドライバ回路を説明する。
図７（ａ）参照
図７（ａ）は、本発明の第６の実施の形態の超電導ドライバ回路の等価回路図であり、図２に示した本発明の第１の実施の形態の超電導ドライバ回路の入力端子にジョセフソン接合２３を介してＳＦＱ回路２２を接続したものである。
【００４０】
即ち、上述の第１の実施の形態の超電導ドライバ回路においても、ＳＦＱ回路２２からの信号を入力にすることを前提としているが、この本発明の第６の実施の形態においては、ジョセフソン接合２３を介することによって、ＳＦＱ回路２２に、超電導ドライバ回路側からの電流が流れ込まないようにしたものである。
【００４１】
図７（ｂ）参照
図７（ｂ）は、図７（ａ）におけるジョセフソン接合２３を抵抗２４に置き換えたものであり、機能は図７（ａ）に示した場合と同様である。
【００４２】
図７（ｃ）参照
図７（ｃ）は、図７（ａ）におけるジョセフソン接合２３をキャパシタ２５に置き換えたものであり、機能は図７（ａ）に示した場合と同様である。
【００４３】
この第６の実施の形態においては、入力端子とＳＦＱ回路２２との間にジョセフソン接合２３、抵抗２４、或いは、キャパシタ２５を介在させているので、超電導ドライバ回路側からの電流が流れ込むことがなく、情報処理部を構成するＳＦＱ回路２２が過大電流により破壊されることがない。
【００４４】
次に、図８を参照して、本発明の第７の実施の形態の超電導ドライバ回路を説明する。
図８参照
図８は、本発明の第８の実施の形態の超電導ドライバ回路の等価回路図であり、図９に示した従来の超電導ドライバ回路の左側の直列接続体の接地点に一番近い２つのジョセフソン接合Ｊ_１，Ｊ_２を、２つの接合からなる直列接続体を並列接続した４接合のＳＱＵＩＤ２２に置き換えたものである。
【００４５】
即ち、この４接合のＳＱＵＩＤ２２は、Ｊ_１ａとＪ_２ａとの直列接続体とＪ_１ｂとＪ_２ｂとの直列接続体を並列接続して２接合タイプと同様のＳＱＵＩＤとしたものである。
【００４６】
この第７の実施の形態に示すように、ＳＱＵＩＤに置き換えるジョセフソン接合は、直列接続体の接地点に一番近い１個のジョセフソン接合に限られるものではない。
【００４７】
以上、本発明の各実施の形態を説明したが、本発明は各実施の形態に記載した構成及び条件に限られるものではなく、各種の変更が可能である。
例えば、上記の各実施の形態においては、入力をＳＦＱ回路からのパルス入力を前提としているが、必ずしもＳＦＱ回路からのパルス入力である必要はなく、各種の超電導機器の出力を入力としても良いものである。
【００４８】
また、上記の各実施の形態においては、高温超電導接合を前提としているが、Ｎｂ系等の金属超電導接合にも適用されることは言うまでもない。
【００４９】
また、上記の各実施の形態においては、８個のジョセフソン接合により直列接続体を構成し、この直列接続体を２つ並列接続して超電導ドライバ回路を構成しているが、直列接続体は２列に限られるものではなく、また、直列接続体を構成するジョセフソン接合は８個に限られるものではなく、例えば、４〜５２の範囲で接続することが望ましい。
【００５０】
この場合、増幅率を高めるためには接続個数を多くすれば良いが、高速動作化のためには１０個以下とすることが望ましい。
【００５１】
また、上記の各実施の形態においては、ジョセフソン効果素子として、超電導トンネル電流を流す狭義のジョセフソン接合素子を用いているが、狭義のジョセフソン接合素子に限られるものではなく、所謂ジョセフソン効果を示す素子であれば良い。
【００５２】
ここで、再び図１を参照して、改めて本発明の詳細な特徴を説明する。
再び、図１参照
（付記１）　複数個のジョセフソン効果素子１を直列に接続した直列接続体を、複数個並列に接続した超電導ドライバ回路において、前記直列接続体の一方の最も接地点に近い側の少なくとも一個のジョセフソン接合効果素子１を超電導量子干渉計２を用いたスイッチングゲートに置き換え、前記超電導量子干渉計２の入力端子を前記超電導ドライバ回路の入力端子として用いたことを特徴とする超電導ドライバ回路。
（付記２）　上記スイッチングゲートに置き換えるジョセフソン接合効果素子１が、上記最も接地点に近い側の一個のジョセフソン接合効果素子１であり、前記超電導量子干渉計２が２個のジョセフソン接合素子から構成されることを特徴とする付記１記載の超電導ドライバ回路。
（付記３）　上記入力端子と単一磁束量子回路が、抵抗、キャパシタ、ジョセフソン効果素子のいずれかあるいはそれらの組み合わせを介して接続されたことを特徴とする付記１または２に記載の超電導ドライバ回路。
（付記４）　上記入力端子からの入力が、上記スイッチングゲートに直接入力されることを特徴とする付記１乃至３のいずれか１に記載の超電導ドライバ回路。
（付記５）　上記入力端子からの入力が、磁気結合を介してスイッチングゲートに印加されることを特徴とする付記１乃至３のいずれか１に記載の超電導ドライバ回路。
（付記６）　上記入力端子からの入力が、上記スイッチングゲートに直接入力されるとともに、磁気結合を介してスイッチングゲートに印加されることを特徴とする付記１乃至３のいずれか１に記載の超電導ドライバ回路。
（付記７）　付記１乃至６のいずれか１に記載の超電導ドライバ回路を備えたことを特徴とする超電導機器。
【００５３】
【発明の効果】
本発明によれば、超電導ドライバ回路を構成するジョセフソン接合直列接続体の接地点に一番近いジョセフソン接合をＳＱＵＩＤゲートに置き換えているので、バイアスマージンが広くかつ入力感度の高い超電導ドライバ回路を実現することができ、ジョセフソン素子を用いた超電導システムの性能向上と歩留まり向上に寄与するところ大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理的構成の説明図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態の超電導ドライバ回路の等価回路図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態の超電導ドライバ回路の等価回路図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態の超電導ドライバ回路の等価回路図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態の超電導ドライバ回路の等価回路図である。
【図６】本発明の第５の実施の形態の超電導ドライバ回路の等価回路図である。
【図７】本発明の第６の実施の形態の超電導ドライバ回路の等価回路図である。
【図８】本発明の第７の実施の形態の超電導ドライバ回路の等価回路図である。
【図９】従来の超電導ドライバ回路の等価回路図である。
【符号の説明】
１　ジョセフソン効果素子
２　超電導量子干渉計
１１　ジョセフソン接合
１２　抵抗
１３　抵抗
１４　ＳＱＵＩＤ
１５　インダクタンス
１６　インダクタンス
１７　ＳＱＵＩＤ
１８　インダクタンス
１９　インダクタンス
２０　ジョセフソン接合
２１　抵抗
２２　ＳＦＱ回路
２３　ジョセフソン接合
２４　抵抗
２５　キャパシタ
３１　ジョセフソン接合
３２　抵抗
３３　抵抗[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a superconducting driver circuit and a superconducting device, and more particularly to a superconducting driver circuit and a superconducting device characterized by an input-side configuration for increasing a bias margin of a superconducting driver circuit using a Josephson effect element. It is.
[0002]
[Prior art]
The superconducting single flux quantum circuit using the Josephson effect element has the features of ultra-high speed and low energy, and is a future high-speed information processing system component that replaces the information processing system using the conventional semiconductor integrated circuit device. Expected.
[0003]
However, the signal amplitude of a single flux quantum (SFQ) circuit is as small as about 1 mV, and in order to exchange data with an existing semiconductor device that requires an operating voltage of 1 V or more, first, superconductivity is required to match the signal voltage. The voltage must be amplified by the driver circuit.
[0004]
FIG. 9 is an equivalent circuit diagram of a conventional superconducting driver circuit. Here, a latch type driver using a latch type Josephson junction is shown.
As shown in the figure, a series connection composed of eight Josephson junctions 31 of J _{1 to} J _{8 and} a series connection composed of eight Josephson junctions 31 of J _{9 to} J ₁₆ are connected in parallel via resistors 32 and 33. And a bias current J _bias is passed through the resistors 32 and 33, and an input current J _in is applied to a Josephson junction J ₁ closest to the ground point of one of the series-connected bodies, and the amplified output is connected to the resistors 32 and 33. 33 to be taken out.
[0005]
In this case, the bias current J _bias flows through the two series-connected bodies, one half at a time, and in this state, the critical current does not exceed the critical current in each of the Josephson junctions J _{1 to} J _{16 and is} in a superconducting state.
[0006]
Here, when the input current J _in is applied from the input terminal to the Josephson junction J ₁ so as to exceed the critical current together with the bias current of J _bias / 2, first, the current flowing through the Josephson junction J ₁ becomes the critical current Over to switch to the resistance state.
Then, all of the bias current J _bias flows into the right-side serial connection body, and switches the eight Josephson junctions 11 of J _{9 to} J ₁₆ to the resistance state.
[0007]
The bias current J _bias then flows into the series connection on the left, causing the seven Josephson junctions 11 of J ₂ -J ₈ to switch to a resistive state, so that the bias current flows to the output terminal and the amplified output voltage Occurs.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, as can be seen from the above operation, in order to operate the superconducting driver circuit, first one of the most Josephson junction close to the ground point of the series connection, the resistor Josephson junctions J ₁ ie the input current is applied state Must be switched to, but the following conditions must be met.
Bias current flowing through the _{_{J 1 (J bias / 2)}} + input current _(J in)> critical current [0009] of _{J 1}
From the above equation, determines the lower limit of the bias current or the input current, for example, the critical current of the J ₁ 500 .mu.A, if the input current to the SFQ pulse peak value 160Myuei, and simulation is more exact the above equation analysis As a result, the lower limit of the bias current is 832 μA.
[0010]
On the other hand, the upper limit of the bias current was found to be 963 μA from the same simulation analysis.
Thus, the bias margin of the conventional superconducting driver circuit shown in FIG. 9 is about 898 [≒ (832 + 963) / 2] μA ± 7 [≒ (963-832) / (832 + 963) / 100]%.
[0011]
This value is sufficient for an Nb-based junction having a critical current variation of 5% or less, but is insufficient for a high-temperature superconducting junction having a variation of 10% or more, causing a malfunction.
[0012]
Therefore, an object of the present invention is to increase the input sensitivity of a superconducting driver circuit and widen a bias margin.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
FIG. 1 is a diagram showing the basic configuration of the present invention, and means for solving the problems in the present invention will be described with reference to FIG.
Referring to FIG. 1, in order to achieve the above object, the present invention relates to a superconducting driver circuit in which a plurality of serially connected Josephson effect elements 1 are connected in series, and a plurality of serially connected bodies are connected in parallel. At least one Josephson junction effect element 1 closest to the ground point was replaced with a switching gate using a superconducting quantum interferometer 2, and an input terminal of the superconducting quantum interferometer 2 was used as an input terminal of the superconducting driver circuit. It is characterized by the following.
[0014]
In this way, by replacing at least one Josephson junction effect element 1 on the side closest to the ground point on one side of the series connection with a switching gate using a superconducting quantum interferometer (SQUID) 2 having the same critical current. In order to switch the switching gate, it is only necessary to switch the Josephson effect element having a small critical current that constitutes the superconducting quantum interferometer 2. Therefore, the switching can be performed with a small input current, so that the margin is increased. Can be.
[0015]
The number of Josephson junction effect elements 1 to be replaced with such a switching gate may be plural, but it is most preferable to use one Josephson junction effect element 1 closest to the ground point. The superconducting quantum interferometer 2 may be composed of three or more Josephson junction elements, but two Josephson junction elements are sufficient.
[0016]
In addition, as such a superconducting driver circuit, it is common to use a signal from a superconducting single flux quantum circuit as an input, but an undesired backflow from an input terminal to the single flux quantum circuit does not occur. Preferably, the input terminal and the single flux quantum circuit are connected via any one of a resistor, a capacitor, a Josephson effect element, or a combination thereof.
[0017]
In this case, the input from the input terminal may be directly input to the switching gate, may be applied to the switching gate via magnetic coupling, or may be an MVTL (Modified Variable Threshold Logic) gate. As described above, the signal may be directly input to the switching gate, and may also be applied to the switching gate via magnetic coupling.
[0018]
Further, by providing such a superconducting driver circuit, it is possible to satisfactorily perform voltage matching between a superconducting device such as an ultra-high-speed information processing device and a semiconductor device.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Here, the superconducting driver circuit according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of the superconducting driver circuit according to the first embodiment of the present invention, which is closest to the ground point of the series connection body on the left side of the conventional superconducting driver circuit shown in FIG. the Josephson junctions _{J 1,} for example, the ratio of the critical current is 1: is replaced by a SQUID14 two junctions with 3 asymmetrical gate.
[0020]
That is, as shown in the figure, a series connection composed of seven Josephson junctions 11 of J _{2 to} J ₈ and SQUID 14 and a series connection composed of eight Josephson junctions 11 of J _{9 to} J ₁₆ are connected to resistors 12 and 13. And a bias current J _bias is passed through the resistors 12 and 13, and an input current J _in is applied to a Josephson junction J ₁ closest to the ground point of one of the series-connected bodies, and the amplified output is applied. Are taken out via resistors 12 and 13.
[0021]
SQUID14 This two junctions, critical current is _{J 1a} and critical current of 125μA consists _{J 1b} of 375Myuei, the bias current is distributed by the inductance 15 and the inductance 16.
[0022]
In this SQUID14, it is sufficient critical current by the input current is switched Josephson junctions J _1a of 125Myuei, obtains the upper and lower limits do simulation analysis in the same manner as described above the superconducting driver circuit of such a configuration, the average By calculating the deviation from the value and the average value, the bias margin becomes 842 μA ± 14%.
[0023]
Thus, in the first embodiment of the present invention, since replacing the Josephson junction J ₁ of the last stage to SQUID14 operable with a small input current, it is possible to increase the input sensitivity.
[0024]
In addition, since the margin of the bias current can be set to 10% or more, such a superconducting driver circuit can be constituted by an oxide high-temperature superconducting junction having a critical current variation of 10% or more.
[0025]
Next, a superconducting driver circuit according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of the superconducting driver circuit according to the second embodiment of the present invention, which is closest to the ground point of the series connection body on the left side of the conventional superconducting driver circuit shown in FIG. the Josephson junctions _{J 1,} for example, the critical current ratio of 1: 3: is replaced with the SQUID17 three junctions with 1 asymmetric gate.
[0026]
SQUID17 This three junctions, _{J 1a} of critical current 100 .mu.A, the critical current of 300 .mu.A _{J 1b,} and the critical current is from 100 .mu.A of _{J 1c,} the bias current is distributed by the inductance 15 and the inductance 16.
Note _that the inductance is constituted by connection wiring with respect to _{J 1b.}
[0027]
In this SQUID17, small critical current best by the input current, and, it is sufficient to switch the small J _1a contribution nearby most input inductance.
[0028]
Next, a superconducting driver circuit according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of the superconducting driver circuit according to the third embodiment of the present invention, in which magnetic coupling is used as the input means in the first embodiment shown in FIG. It is.
[0029]
That is, the input from the input terminal is input to the inductance 18 and 19 connected in series, the critical current by the magnetic field generated by the inductance 18 and 19 is to make the resistance state by switching the small J _1a.
[0030]
Thus, in the third embodiment of the present invention, since the input is applied by magnetic coupling, the input side and the superconducting driver circuit can be electrically separated.
However, the frequency is limited by the time constant caused by the inductances 18 and 19.
[0031]
Next, a superconducting driver circuit according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of a superconducting driver circuit according to a fourth embodiment of the present invention, in which magnetic coupling is used as input means in the above-described second embodiment shown in FIG. It is.
[0032]
That is, the input from the input terminal is input to the inductances 18 and 19 connected in series, and the magnetic field generated by the inductances 18 and 19 switches the _J1a having the smallest critical current to make it into a resistance state.
[0033]
As described above, in the fourth embodiment of the present invention, the input and the superconducting driver circuit can be electrically separated from the above-described second embodiment. The frequency is limited by the time constant.
[0034]
Further, in the fourth embodiment of the present invention, since the three-junction SQUID 17 is used, the operation margin for the input is wider than in the case of using the two-junction SQUID 14 of the third embodiment. In addition, there is little risk of malfunction even with an excessive input.
[0035]
Next, a superconducting driver circuit according to a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of the superconducting driver circuit according to the fifth embodiment of the present invention, which is closest to the ground point of the series connection body on the left side of the conventional superconducting driver circuit shown in FIG. the Josephson junction _{J 1,} if the so-called MVTL gate (necessary, N.Fujimaki other, "Josephson modified variable threshpld logic gates for use in ultra-high-speedLSI", IEEE Trans.ElectronDevices, vol.36, no.2, pp. 433).
[0036]
That is, J _{1a having a} critical current of 125 μA and J _1b having a critical current of 375 μA are connected in parallel by the inductance 15 and the inductance 16, and the parallel connection is connected to the resistor 21 via the Josephson junction 20. It is connected to the input terminal via the connected inductances 18 and 19.
[0037]
In this case, the input current is directly input to J _1a having a small critical current, and a magnetic field generated by the inductance 18 is applied by magnetic coupling, and the combined action of the current and the magnetic field causes J _1a to be switched to a resistance state. It is.
Note that the resistor 21 has a function of allowing the input current to escape to the ground when the Josephson junction J _1a and the Josephson junction J _1b enter a resistance state.
[0038]
In the fifth embodiment, since the same input current is used to switch _J1a by the combined action of the current and the magnetic field, the input sensitivity can be further increased.
However, the frequency is limited by the time constant caused by the inductances 18 and 19.
[0039]
Now, a superconducting driver circuit according to a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 7A is an equivalent circuit diagram of the superconducting driver circuit according to the sixth embodiment of the present invention. The superconducting driver according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 2 is shown in FIG. An SFQ circuit 22 is connected to an input terminal of the circuit via a Josephson junction 23.
[0040]
That is, in the superconducting driver circuit of the first embodiment, it is assumed that the signal from the SFQ circuit 22 is input. However, in the sixth embodiment of the present invention, the Josephson junction is used. By passing through 23, the current from the superconducting driver circuit side is prevented from flowing into the SFQ circuit 22.
[0041]
FIG. 7B is a diagram in which the Josephson junction 23 in FIG. 7A is replaced with a resistor 24, and the function is the same as that shown in FIG. 7A.
[0042]
FIG. 7C is a diagram in which the Josephson junction 23 in FIG. 7A is replaced by a capacitor 25, and the function is the same as that shown in FIG. 7A.
[0043]
In the sixth embodiment, since the Josephson junction 23, the resistor 24, or the capacitor 25 is interposed between the input terminal and the SFQ circuit 22, a current from the superconducting driver circuit side may flow. Therefore, the SFQ circuit 22 constituting the information processing unit is not destroyed by an excessive current.
[0044]
Next, a superconducting driver circuit according to a seventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 8 is an equivalent circuit diagram of the superconducting driver circuit according to the eighth embodiment of the present invention, which is closest to the ground point of the series connection body on the left side of the conventional superconducting driver circuit shown in FIG. The two Josephson junctions J ₁ and J ₂ are replaced with a four-junction SQUID 22 in which a series connection composed of two junctions is connected in parallel.
[0045]
That, SQUID22 of the four-junction _is obtained by the same SQUID and 2 joined type series connection connected in parallel to the series connection and _{J 1b} and _{J 2b} of _{J 1a} and _{J 2a.}
[0046]
As shown in the seventh embodiment, the Josephson junction to be replaced with the SQUID is not limited to one Josephson junction closest to the ground point of the series connection.
[0047]
The embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the configurations and conditions described in the embodiments, and various changes can be made.
For example, in each of the above embodiments, the input is assumed to be a pulse input from the SFQ circuit. However, the input need not always be a pulse input from the SFQ circuit, and the output of various superconducting devices may be used as the input. It is.
[0048]
In each of the above embodiments, a high-temperature superconducting junction is assumed, but it goes without saying that the present invention is also applied to a metal superconducting junction of Nb or the like.
[0049]
Further, in each of the above embodiments, a series connection is formed by eight Josephson junctions, and a superconducting driver circuit is formed by connecting two of the series connection in parallel. It is not limited to two rows, and the number of Josephson junctions forming the series connection body is not limited to eight. For example, it is desirable to connect in a range of 4 to 52.
[0050]
In this case, the number of connections may be increased to increase the amplification factor, but is desirably 10 or less for high-speed operation.
[0051]
Further, in each of the above embodiments, a Josephson effect element in a narrow sense in which a superconducting tunnel current flows is used as a Josephson effect element. However, the present invention is not limited to a Josephson effect element in a narrow sense, and a so-called Any element that exhibits an effect may be used.
[0052]
Here, referring to FIG. 1 again, the detailed features of the present invention will be described again.
Again, see FIG. 1 (Supplementary Note 1) In a superconducting driver circuit in which a plurality of serially connected Josephson effect elements 1 are connected in series, a plurality of serially connected bodies are connected to one of the series connected bodies closest to the ground point. Characterized in that at least one Josephson junction effect element 1 on the side is replaced by a switching gate using a superconducting quantum interferometer 2 and an input terminal of the superconducting quantum interferometer 2 is used as an input terminal of the superconducting driver circuit. Superconducting driver circuit.
(Supplementary Note 2) The Josephson junction effect element 1 to be replaced with the switching gate is the one Josephson junction effect element 1 on the side closest to the ground point, and the superconducting quantum interferometer 2 includes two Josephson junction elements. 3. The superconducting driver circuit according to claim 1, comprising:
(Supplementary note 3) The superconducting driver according to Supplementary note 1 or 2, wherein the input terminal and the single flux quantum circuit are connected via any one of a resistor, a capacitor, and a Josephson effect element or a combination thereof. circuit.
(Supplementary note 4) The superconducting driver circuit according to any one of supplementary notes 1 to 3, wherein an input from the input terminal is directly input to the switching gate.
(Supplementary Note 5) The superconducting driver circuit according to any one of Supplementary notes 1 to 3, wherein the input from the input terminal is applied to the switching gate via magnetic coupling.
(Supplementary note 6) The superconducting device according to any one of Supplementary notes 1 to 3, wherein the input from the input terminal is directly input to the switching gate and is applied to the switching gate via magnetic coupling. Driver circuit.
(Supplementary Note 7) A superconducting device comprising the superconducting driver circuit according to any one of Supplementary Notes 1 to 6.
[0053]
【The invention's effect】
According to the present invention, since the Josephson junction closest to the ground point of the Josephson junction series connection constituting the superconducting driver circuit is replaced with the SQUID gate, a superconducting driver circuit having a wide bias margin and high input sensitivity is provided. It can be realized and greatly contributes to the improvement of the performance and the yield of the superconducting system using the Josephson element.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of a basic configuration of the present invention.
FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of the superconducting driver circuit according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of a superconducting driver circuit according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of a superconducting driver circuit according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of a superconducting driver circuit according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of a superconducting driver circuit according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is an equivalent circuit diagram of a superconducting driver circuit according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is an equivalent circuit diagram of a superconducting driver circuit according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 9 is an equivalent circuit diagram of a conventional superconducting driver circuit.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Josephson effect element 2 Superconducting quantum interferometer 11 Josephson junction 12 Resistance 13 Resistance 14 SQUID
15 Inductance 16 Inductance 17 SQUID
18 Inductance 19 Inductance 20 Josephson junction 21 Resistance 22 SFQ circuit 23 Josephson junction 24 Resistance 25 Capacitor 31 Josephson junction 32 Resistance 33 Resistance

Claims

複数個のジョセフソン効果素子を直列に接続した直列接続体を、複数個並列に接続した超電導ドライバ回路において、前記直列接続体の一方の最も接地点に近い側の少なくとも一個のジョセフソン接合効果素子を超電導量子干渉計を用いたスイッチングゲートに置き換え、前記超電導量子干渉計の入力端子を前記超電導ドライバ回路の入力端子として用いたことを特徴とする超電導ドライバ回路。In a superconducting driver circuit in which a plurality of serially-connected Josephson effect elements are connected in series, and a plurality of parallel-connected superconducting driver circuits, at least one Josephson junction-effect element on one of the series-connected bodies closest to a ground point is provided. Is replaced by a switching gate using a superconducting quantum interferometer, and an input terminal of the superconducting quantum interferometer is used as an input terminal of the superconducting driver circuit.

上記入力端子と単一磁束量子回路が、抵抗、キャパシタ、ジョセフソン効果素子のいずれかあるいはそれらの組み合わせを介して接続されたことを特徴とする請求項１記載の超電導ドライバ回路。2. The superconducting driver circuit according to claim 1, wherein the input terminal and the single flux quantum circuit are connected via any one of a resistor, a capacitor, and a Josephson effect element or a combination thereof.

上記入力端子からの入力が、上記スイッチングゲートに直接入力されることを特徴とする請求項１または２に記載の超電導ドライバ回路。3. The superconducting driver circuit according to claim 1, wherein an input from the input terminal is directly input to the switching gate.

上記入力端子からの入力が、磁気結合を介してスイッチングゲートに印加されることを特徴とする請求項１または２に記載の超電導ドライバ回路。3. The superconducting driver circuit according to claim 1, wherein an input from the input terminal is applied to a switching gate via a magnetic coupling.

請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超電導ドライバ回路を備えたことを特徴とする超電導機器。A superconducting device comprising the superconducting driver circuit according to any one of claims 1 to 4.