Цифровые устройства на Д-криотронах

Как уже показано выше, на криотронах удобно реализуются логические схемы, в частности, по двухпроводной системе, в которой каждая переменная А представляется парафазным кодом, т.е. ток течет по одной из двух шин А или Ā. Парафазная система имеет преимущества перед однофазной в надежности и помехоустойчивости. В этой системе легко организовать контроль или восстановление ошибочных кодов благодаря значительной структурной и информационной избыточности. Кроме того, парафазная система в криотронных цепях позволяет обеспечить энергонезависимость, т.е. сохранение информации в виде циркулирующих токов при отключении источника питания. Инверторы в парафазной системе не нужны, т.к. отрицание легко обеспечить, поменяв местами два провода данной переменой. Коэффициент разветвления логических схем может быть весьма большим

На рис. 3.8 представлены некоторые варианты конструкций криотронов, выполняющих логические функции и форма управляющих характеристик.

Рис. 3.8. Организация логических функций на многоходовых криотронах:
а – двухфазовый с симметрическим подводом тока; b, с – двух- и трехфазовый с несимметричным подводом тока

Конструкция криотронов обеспечивает алгебраическое суммирование воздействия управляющих токов в управляющих шинах-затворах. Первый вариант (рис. 3.8, а) обладает симметричной характеристикой с коэффициентом усечения по току – 2. Если выбрать рабочий ток I_q=2/3 I_С0, то криотрон переключается при подаче тока любой полярности по одному из входов (а→в,в’).

При подаче токов I_С1 I_С2 разной полярности переключения не происходит, при одинаковой полярности криотрон переключается (а→c,c’).

Другие варианты криотрона (рис. 3.8, b, с) отличаются асимметричной характеристикой и позволяют получить переключение криотрона с порогом срабатывания, который не зависит от вентильного тока (левая часть характеристики). Криотроны, имеющие три шины управления (рис. 3.8, с), при уровне рабочего тока I_q=2/3 I_С0 и соответствующей полярности переключаются при наличии управляющего тока, по крайней мере, на двух входах (а→c,d) и не переключаются при наличии тока только на одном входе (а→в).

Основной задачей при создании криотронных элементов логики и памяти является получение криотрона, характеристика управления которого (т.е. зависимость критического тока контакта от тока в управляющей шине) имела бы с точки зрения схемотехники выпуклую форму, близкую к прямоугольной, усиление по току более двух и малый остаточный ток. Для этого следует выбирать такую конструкцию контакта и подводящих шин, чтобы обеспечить пороговый характер переключения криотрона при возрастании тока управления.

Джозефсоновские логические устройства построены в основном на элементах, общая схема которых приведена на рис. 3.9.

Рис. 3.9. Джозефсоновский логический элемент с резистивной нагрузкой

К источнику питания последовательно с ограничивающими резисторами подключен джозефсоновский вентиль D₁, зашунтированный выходной шиной. В качестве вентиля используется либо одиночный джозефсоновский контакт, либо несколько контактов, соединенных друг с другом.

При отсутствии входных сигналов критический ток вентиля I_С0 превышает ток источника питания I и вентиль остается открытым. Если входные переменные поступают на входы x,y в сочетании, соответствующем выполняемой логической функции, критический ток становится ниже тока питания и вентиль запирается. В результате этого часть тока источника питания ответвляется в нагрузку и является входным сигналом для следующего элемента D₂. Входной сигнал действует на вентиль либо за счет создаваемого магнитного поля, либо инжекцией дополнительного тока непосредственно в джозефсоновский контакт.

Первой функционально полной системой логических элементов на эффекте Джозефсона стала джозефсоновская туннельная логика, базовый логический элемент которой изображен на рис. 3.10.

Рис. 3.10. Схема базового логического элемента джозефсоновской туннельной логики

Базовый элемент состоит из туннельного криотрона К₁, вентиль которого зашунтирован выходной ветвью, выполняющей роль затвора в других криотронах (К₂, К₃). Схема располагается над сверхпроводящим экраном, так что все ее проводники представляют собой полосковые линии. Выходные полуветви ав и cd нагружены на согласующее сопротивление.

Асимметрия характеристики управления продольного криотрона дает возможность реализовать как элементы ИЛИ (токи I и i направлены в одну сторону), так и элементы И и мажоритарные элементы при встречном направлении токов. Если затвор выходного криотрона включить в ветвь ас, то указанные элементы можно дополнить инвертором.

Джозефсоновская элементная база может быть эффективно использована лишь в том случае, если она позволяет создавать не только логику, но и память.

Существует большое разнообразие элементов памяти, но с одной и той же основой. В каждом таком элементе имеется сверхпроводящий контур, в который записывается циркулирующий незатухающий ток. Запись циркулирующего тока осуществляется с помощью включенного в контур управляемого вентиля, запирание которого равнозначно потере сверхпроводимости в контуре. В качестве вентиля может быть использован туннельный криотрон.

Квантроны

Существует два способа использования джозефсоновских элементов в цифровых устройствах в ячейках логики и памяти вычислительных систем. При обоих способах единица информации организуется в виде тока в сверхпроводящем контуре, джозефсоновские элементы используются для управления этими токами их генерации, переключения, уничтожения. Отличие способов состоит лишь в величине магнитного потока, находящегося в сверхпроводниковом контуре.

Если единица информации запоминается током I в контуре с индуктивностью L так, что LI>>Ф₀, где Ф₀ – квант магнитного потока, эффект квантования практически не сказывается на работе устройства. При этом управляющие элементы называют криотронами, такие элементы мы рассматривали в предыдущих разделах (п.п. 3.3.1, 3.3.2).

Если LI ≈ Ф₀, единицы информации записываются одиночными квантами магнитного потока, что вызывает принципиальные изменения в построении цифровых устройств. Все устройства на одиночных квантах магнитного потока можно разбить на две группы: устройства на дискретных джозефсоновских переходах и устройства на распределенных переходах. Здесь мы рассмотрим особенности работы устройств первой группы, поскольку в технологии создания однородных качественных ВТСП распределенных переходов сегодня имеются нерешенные проблемы.

В устройствах на дискретных переходах используется эффект квантования магнитного потока (п. 1.2). Наиболее простая конфигурация, в которой наблюдается это явление, представляет собой кольцо из сверхпроводящего материала, в которое включен джозефсоновский переход. Максимальное количество квантов потока, которое может содержаться в кольце, определяется величиной критического тока контакта I_С0 и индуктивностью кольца L:

N=I_С0L/Ф₀. (3.22)

Очевидно, что такое кольцо может находиться в (2N+1) состояниях. Именно эти состояния кольца с током и могут использоваться для хранения информации.

Удобным для практической реализации является универсальный переключательный элемент, получивший название параметрический квантрон(рис. 3.11, а).

а) б)

Рис. 3.11. Параметрический квантрон: а – эквивалентная схема; б – зависимость полного магнитного потока от внешнего потока

Квантрон представляет собой кольцо из сверхпроводящего материала 1 замкнутое, управляемым джозефсоновским переходом – криотроном 2. С кольцом гальванически или индуктивно связаны шина смещения 3, шины записи и считывания 4. Квантрон работает следующим образом. По шине смещения пропускают ток такой величины, чтобы его магнитный поток Ф_см сместил состояние равновесия в точку Ф₀/2 (рис. 3.11, в). Как видно из рисунка, это состояние может быть устойчивым при I_С0=I_{С0 min} (кривая 1) или неустойчивым при I_С0=I_{С0 max} (кривая 2). Направление тока в контуре будет определяться знаком дополнительного потока ΔФ, вызванного, например токами, текущими в соседних контурах гальванически или индуктивно связанных с данным контуром. Таким образом, можно осуществить запись в контур состояния, соответствующую знаку ΔФ, т.е. элемент осуществляет мажоритарную функцию. На этом элементе можно реализовать любые логические функции. Существенным является то, что в рассмотренном квантроне критический ток может быть весьма малым (10 мкА). Это вызвано тем, что в данном случае не требуется большого коэффициента усиления.

Одним из вариантов квантрона с расширенными функциональными возможностями является логический элемент, содержащий дополнительный джозефсоновский переход в контуре, с которым связана дополнительная шина управления (рис. 3.12).

Рис. 3.12. Инжекционный квантрон

Поскольку шина управления связана с контуром гальванически, ток управления вводится в контур непосредственно т.е. инжектируется. Поэтому рассматриваемый квантрон можно назвать инжекционным квантроном. Гальваническая связь, в отличие от индуктивной, позволяет осуществить связь с контуром малых размеров. Кроме того, гальваническая связь позволяет создать шины управления и сам сверхпроводящий контур в одном слое, что заметно упрощает технологию изготовления таких элементов.

Рассмотренные элементы с параметрическим управлением обладают минимальной энергией переключения, ограниченной лишь квантовыми эффектами.

Приемные устройства

Необычные нелинейные свойства джозефсоновских элементов легли в основу создания радиоэлектронных устройств с рекордно высокими параметрами. К ним можно отнести приемные устройства миллиметрового диапазона волн на джозефсоновских элементах. В зависимости от поданного напряжения, джозефсоновский элемент может работать как нелинейный реактивный или активный элемент цепи, обладающий уникальными параметрами: очень высокой степенью нелинейности ВАХ и крайне низкими шумами. По этой причине на джозефсоновских элементах можно реализовать широкий набор приемных устройств в миллиметровом диапазоне: смесители, параметрические усилители, квадратичные видеодетекторы. Сложная нелинейность джозефсоновского элемента в смесителе с внешней накачкой вызывает сильное отличие его параметров от характеристики резистивного смесителя. Так, потери преобразования существенно снижаются и могут быть даже отрицательными, т.е. возможно преобразование с небольшим (≤ 3 дБ) усилением по мощности. К достоинствам смесителей с внешней накачкой можно отнести относительно высокое выходное сопротивление и большой динамический диапазон. Недостатком этих устройств является малая мощность насыщения.

К достоинствам параметрических усилителей на джозефсоновских элементах следует отнести, во-первых, возможность получения высокого коэффициента усиления, что резко снизит требования к шумам следующих каскадов приемного устройства; во-вторых, параметрические усилители могут обеспечить меньшие шумовые температуры, чем смеситель; в-третьих, возможность использования в них джозефсоновских элементов с относительно большой собственной емкостью.

Основным недостатком параметрических усилителей на джозефсоновских переходах является их малый динамический диапазон.

Квадратичные видеодетекторы являются наиболее простым типом приемных устройств на джозефсоновских контактах, используют изменение ВАХ элемента при его облучении принимаемым сигналом. Видеосигнал на выходе такого детектора и его зависимость от напряжения смещения представлены на рис. 3.13.

Рис. 3.13. Зависимость видеоотклика ΔU от постоянного напряжения на джозефсоновском переходе

Как видно на рисунке, видеосигнал имеет два максимума: плавный при малых напряжениях и резкий асимметричный при U ≈ U_f, U_f =ħf/2е. Последний связан с процессом частотной синхронизации собственной генерации джозефсоновского элемента и сильно зависит от частоты последнего. Свойства видеодетектора в этих двух режимах детектирования (широкополосном и сегментированном) сильно различаются. Наибольшее распространение получил широкополосный режим работы детекторов, вследствие того, что для элементов с сопротивлением порядка 10² Ом, которые могут быть хорошо согласованы с СВЧ трактами, линия селективного отклика существенно уширяется, а его максимальная величина падает.

Селективный режим более предпочтителен для относительно низкоомных контактов, поскольку ширина селективного видеосигнала на выходе соответствует ширине линии джозефсоновской генерации и для получения, например Δf ≈ 1 ГГц сопротивление элемента должно быть не более нескольких Ом. К настоящему времени приемники миллиметрового диапазона еще не получили широкого распространения. Это связано с тем, что попытки создания чувствительных устройств опирались в основном на применение одиночных контактов. Как отмечалось ранее, одиночные контакты не обеспечивают необходимых параметров систем из-за противоречивых требований к ним. Для хорошего согласования с внешними цепями необходимо получить большое сопротивление джозефсоновского элемента.

Успехи криогенной СВЧ электроники позволили создать на основе торцевых джозефсоновских переходов (ТДП, рис. 3.7) приемные устройства миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длины волн. Стабильность современных ТДП и программируемость их параметров при изготовлении позволяют создавать последовательные цепочки из этих элементов (ЦТДП). Применение ЦТДП в ряде случаев предпочтительнее, чем одиночных ТДП: в приемных устройствах можно реализовать значительно больший динамический диапазон, их легче согласовать с сигнальным трактом, они лучше защищены от электротоков и т.д.

Приемники на джозефсоновских элементах традиционно создавались без учета их специфических особенностей – наличия собственной генерации, динамических свойств, вольт-амперных характеристик и т.д. Использование этих особенностей для поиска более рациональных схем построения приемных устройств позволяет улучшить шумовые характеристики приемника и увеличить за счет этого его чувствительность.

В связи с появлением ВТСП возник естественный интерес к созданию на их основе джозефсоновских переходов. Этот интерес обусловлен не только эксплуатационными и материальными выгодами при переходе от гелиевых к азотным температурам, но и наличием у ВТСП большего, чем у низкотемпературных сверхпроводников, значения энергетической щели. Последнее способствует значительному расширению частотного диапазона, в котором могут эффективно использоваться ВТСП джозефсоновские приемные устройства [22].

Генераторы

Для создания приемных устройств субмиллиметрового диапазона волн одной из наиболее сложных является проблема источников излучения. Традиционно в этом диапазоне используют следующие типы генераторов.

1. Линии обратной волны обладают узкой полосой генерации (менее 1 МГц), возможностью электрической перестройки частоты, выходной мощностью порядка милливольта, высокой частотой генерации (1,5 ТГц). Однако для их работы необходимы массивные постоянные магниты и высокое напряжение (до 6 кВ).

2. Широкополосные источники теплового излучения на основе ртутно-кварцевых ламп в сочетании с интерферометрами позволяют получить спектральное разрешение до 1 ГГц в терагерцовом диапазоне. Эти конструкции громоздки и обладают малым уровнем мощности в полосе пропускания линии (<0,1 нВт).

3. Полупроводниковые диоды Ганна генерируют только в отдельных точках, содержат большое число механических настроек и не позволяют получить частоты генерации существенно выше 1 ТГц.

4. Субмиллиметровые газовые лазеры позволяют генерировать достаточную мощность в терагерцовом диапазоне тоже только в отдельных точках. Они громоздки, потребляют большую мощность.

В качестве малогабаритных и дешевых источников субмиллиметрового излучения, совместимых температурно и технологически с криоэлектронными приемными системами, могут быть использованы устройства на базе джозефсоновских переходов в ВТСП материалах. Эти переходы потенциально могут генерировать излучение на частотах вплоть до десятков терагерц, что определяется большой величиной энергетической щели такого сверхпроводника.

Как мы уже отмечали (п. 1.5), одиночный джозефсоновский переход при подаче на него постоянного напряжения смещения U генерирует колебания на частоте, определяемой джозефсоновским соотношением:

ω=2еU/ħ. (3.23)

Согласовав такой источник с приемным трактом, можно построить электрически перестраиваемый в широкой полосе генератор субмиллиметрового излучения. На основе ниобиевых распределенных переходов построены генераторы на потоке флаксонов, которые позволяют формировать колебания на частотах до 600 ГГц и подавать их на туннельные сверхпроводниковые переходы гетеродина. Для ниобиевых переходов более высокие частоты недостижимы, поскольку величина энергии кванта превышает величину энергетической щели в этом сверхпроводнике. Однако в джозефсоновских переходах на основе Y-123 величина щели превышает 20 мВ, что соответствует частоте
10 ТГц.

К недостаткам простого джозефсоновского генератора следует отнести сравнительно малую мощность излучения, составляющую в случае оптимального согласования:

P_max=I_С0V_С0/8, (3.24)

где I_С0 – критический ток;

V_С0=I_С0R – характерное напряжение;

R_Н – нормальное сопротивление перехода.

Обычно эта величина не превышает 1 мкВт. Корме того, линия джозефсоновской генерации слишком широка:

Δf=(2ħ/Ф₀²)R_HkT, (3.25)

или

Δf [МГц]=40R_H [Ом]T [K]. (3.26)

Для одиночного перехода ширина генерации оказывается равной 10 ГГц, для ее сужения можно уменьшить сопротивление перехода и температуру; однако при снижении сопротивления могут уменьшаться характерное напряжение и мощность генерации, а снижение температуры не всегда возможно. Более перспективным оказывается синхронизация колебаний нескольких джозефсоновских генераторов. Примером применения таких цепочек является гетеродин для интегральных смесителей и стандарт напряжения.

Интеграция элементов может осуществляться с использованием квазисосредоточенных элементов, когда группы джозефсоновских переходов сосредотачиваются в области линии передачи размером менее четверти длины волны. В таких структурах эквивалентная схема представляет собой сосредоточенные емкости и индуктивности, а потери определяются паразитным излучением и рассогласованием отдельных переходов и питающего тракта. В этих конструкциях джозефсоновские переходы объединяются в цепочки, включенные в общую приемную антенну или линию передачи как квазисосредоточенную структуру.

В цепочках для гетеродинов используются одномерные или двумерные топологии, но при превышении частоты более 100 ГГц трудно синхронизировать большое количество переходов на площади менее миллиметра. С ростом частоты возрастают потери, и ухудшается согласование импедансов. Одной из причин возрастания потерь являются микрополосковые линии, которые обладают высокими потерями при низких импедансах. В ниобиевых схемах характерный импеданс составляет порядка 1 Ом, что определяется шириной проводника и толщиной изолятора. Увеличение импеданса может быть достигнуто увеличением толщины изолятора и ширины полоски, но это приводит к возрастанию потерь на излучение и ухудшению совместимости с технологией формирования джозефсоновских переходов.

Проблему интеграции и синхронизации джозефсоновских переходов решают посредством резонансного взаимодействия колебаний решетки планарных антенн. В этом случае каждый переход включен в свою планарную атенну и участвует в процессе интерференции излученных волн. Излучение превращается из паразитного эффекта рассеяния мощности в позитивный механизм взаимодействия. Квазиоптические лучеводные системы отличаются меньшими потерями на частотах более 100 Гц. Такое решение позволяет непосредственно согласовать решетку антенн детектора или стандарта напряжения с источником внешнего излучения, или решетку генераторных переходов с потребителем излучения или СДС-смесителем.

Контрольные вопросы

1. Опишите конструкции Д-переходов и их особенности.

2. Перечислите основные свойства Д-криотронов.

3. Каковы особенности ВТСП Д-криотронов?

4. Какие типы логических элементов на Д-криотронах существуют?

5. Опишите работу джозефсоновского логического элемента.

6. Опишите работу квантрона.

7. Назовите приемные устройства на Д-криотронах.

8. Опишите принцип генерации и устройство на Д-переходах.