Исследование процессов в усилителе сигналов быстрой одноквантовой логики на основе многоэлементных джозефсоновских структур

• Автор: Соловьев, Игорь Игоревич
• Шифр специальности: 01.04.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 99 с. : ил.

Общая характеристика диссертационной работы
• Актуальность работы
• Цель работы
• Научная новизна
• Практическая ценность работы
• Вопросы авторства и публикация результатов работы б
• Краткое содержание диссертации
Глава 1. Введение. Постановка задачи
1.1 Макроскопические квантовые эффекты в сверхпроводниках
1.1.1 Эффект Джозефсона
1.1.2 Явление макроскопической квантовой интерференции
1.1.3 Цепочки сверхпроводящих квантовых интерферометров
1.2 Быстрая одноквантовая логика
1.3 Выходные усилителя одноквантовых импульсов. Постановка задачи
Глава 2. Изучение физических основ работы функциональных частей усилителя одноквантовых импульсов
2.1 Общая структура усилителя одноквантовых импульсов
2.2 Цепь синхронного мультиплицирования одноквантовых импульсов
2.2.1 Цепочечная модель
2.2.2 Параметры сплиттерной структуры
2.2.3 Распространение кванта магнитного потока по сплиттерной структуре
2.2.4 Влияние емкости джозефсоновского перехода
2.3 Цепь уширения одноквантовых импульсов
2.3.1 Уширение и усиление выходных импульсов цепи мультиплицирования
2.3.2 Компенсация разброса параметров
2.4 Суммирующая цепочка двухконтактных квантовых интерферометров
2.4.1 Амплитудно-частотная характеристика
2.4.2 Внутренние резонансы в цепочке интерферометров
2.5 Выходная цепь
2.5.1 Согласование с выходной нагрузкой
2.5.2 Влияние выходной нагрузки на вольтамперную характеристику цепочки
интерферометров
2.5.3 Эффект синхронизации джозефсоновской генерации

2.6 Численное моделирование работы усилителя
2.7 Выходной фильтр
Глава 3. Разработка топологии и фотошаблонов
3.1 Основные характеристика ниобиевой технологии
3.2 Разработка пакета фотошаблонов
3.2.1 Расчет структур с использованием программы Ь-МЕТЕИ
3.2.2 Демпфирование резонансов в цепочке интерферометров
3.2.3 Замороженный магнитный поток
3.3 Генераторы одноквантовых импульсов
3.4 Общий вид фотошаблонов изготовленных чипов
Глава 4. Экспериментальное исследование
4.1 Техника проведения измерений
4.2 Измерения на постоянном токе
4.3 Высокочастотное тестирование
4.3.1 Усиление пакетов одноквантовых импульсов
4.3.2 Усиление одиночных одноквантовых импульсов
Выводы
Список публикаций автора по теме диссертации
Список цитируемой литературы

Общая характеристика диссертационной работы
Актуальность работы
Прогресс в области цифровых технологий в ближайшем будущем во многом связывается с использованием сверхпроводниковых устройств быстрой одноквантовой логики, известной как RSFQ-логика (Rapid Single Flux Quantum logic), которая была впервые предложена и введена в разработку в лаборатории криоэлектроники физического факультета МГУ [10]. RSFQ устройства характеризуются крайне низкой энергией переключения джозефсоновских элементов Ej = Ф01с = 2'10~15 Вбх10'4А ~ 10'18 Дж, а также высоким быстродействием, позволяющим использовать тактовые частоты до 100 ГГц и выше. Это позволяет одновременно наращивать быстродействие и степень интеграции сверхпроводниковых цифровых устройств. В то же время низкий уровень энергии представляет собой значительное препятствие для сопряжения устройств RSFQ логики с полупроводниковой электроникой. В связи с бурным развитием RSFQ технологии крайне актуальна разработка эффективных быстродействующих выходных усилителей-интерфейсов, которые должны обеспечить преобразование сигналов RSFQ устройств - одноквантовых импульсов напряжения V, соответствующих движению одиночных квантов магнитного потока: JV(t)dt = Ф0, с амплитудой порядка 50... 100 мкВ - до уровня сигналов, которые бы надежно считывались устройствами полупроводниковой электроники. Существующие сейчас разработки подобных интерфейсов для конкретных устройств, пока не удовлетворяют в полной мере всем предъявляемым к ним требованиям. Подобные выходные усилители одноквантовых сигналов крайне важны для разработок высокоэффективных сверхпроводниковых АЦП, ЦАП с дельта-сигма модулированными сигналами в цепях обратной связи, интерфейсов в цепях управления оперативной и постоянной памятью, интерфейсов для магнитно - и электрооптических модуляторов оптических телекоммуникационных систем, входных интерфейсов для передающих устройств телекоммуникационных систем гигагерцового диапазона и выше.
Цель диссертационной работы
Целью данной работы является исследование физических процессов в усилителе сигналов быстрой одноквантовой логики на основе многоэлементных джозефсоновских структур, включающих в себя последовательную суммирующую цепочку сверхпроводящих квантовых интерферометров. Данное исследование направлено на разработку физических основ нового перспективного типа интерфейса между

разбросом характерных напряжений джозефсоновских переходов Vc, при различном значении импеданса внешней нагрузки. Параметр Маккамбера переходов в цепочке Pc = 0.5. Жирной линией показано суммарное напряжение на цепочке, нормированное на количество интерферометров N.
2.6 Численное моделирование работы усилителя
В рамках оптимизации сопряжения цепи мультиплицирования с суммирующей цепочкой интерферометров был произведен расчет динамики интерферометра суммирующей цепочки, индуктивно связанного с ячейкой цепи уширения (выходной ячейкой цепи мультиплицирования) при различных значениях коэффициента взаимной индукции М. Полученные результаты представлены на рис. 2.21.
Для изучения отклика интерферометра постоянный магнитный поток задавался непосредственно из ячейки цепи уширения. Для этой цели в ячейку включался генератор постоянного тока для формирования необходимого магнитного потока. Оказалось, что максимальный размах отклика напряжения интерферометра в такой конструкции увеличивается с увеличением взаимной индуктивности М (см. рис. 2.21а).
а) б)
Рис. 2.21. (а) - Зависимость максимального размаха отклика напряжения интерферометра, индуктивно связанного с ячейкой цепи уширения, от тока смещения при различных значениях коэффициента связи М/Ь], где М- коэффициент взаимной индукции, I/ - индуктивность ячейки цепи уширения. Нормированное значение индуктивностей ячейки цепи уширения и интерферометра /|=/2 = 3. На вставке показана зависимость максимального отклика напряжения от отношения Л/7Х/ при ///с = 2. (б) - Зависимость амплитуды выходного импульса напряжения на интерферометре от тока смещения при различных значениях М/ Ь/. Амплитуда выходных импульсов не зависит от степени уширения импульсов, если их ширина т* > т*гп!п > где т= 15...30 (время нормировано на (соо)'1 )■