WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

В разделе 1.3 приведен обзор основных типов существующих выходных усилителейинтерфейсов. Приводится обоснование концепции построения высокоэффективного быстродействующего выходного усилителя-интерфейса на основе последовательной цепочке сверхпроводящих квантовых интерферометров.

В заключение первой главы производится постановка задачи.

Глава 2. Изучение физических основ работы функциональных частей усилителя одноквантовых импульсов Раздел 2.1 посвящен описанию предлагаемой конструкции выходного усилителя интерфейса. Основными частями усилителя являются: цепь изохронного мультиплицирования одноквантовых импульсов, цепь уширения импульсов и суммирующая цепочка двухконтактных квантовых интерферометров (рис. 1). Цепь мультиплицирования импульсов представляет собой сплиттерное дерево (от англ. splitter - разветвитель), состоящее из K колонок, осуществляющее мультиплицирования каждого входного одноквантового импульса в набор 2K изохронных одноквантовых импульсов [16].

Полученные импульсы с 2K параллельных выходов цепи мультиплицирования через буферные JTL (JTL – Josephson Transmission Line – джозефсоновская передающая линия) поступают в цепи уширения импульсов, в которых происходит увеличение длительности и амплитуды импульсов тока. Магнитное поле импульсов тока воздействует на интерферометры суммирующей цепочки, вызывая модуляцию ВАХ. Изохронность Рис.1. Принципиальная схема выходного усилителя-интерфейса. Основными частями усилителя являются: (1) цепь изохронного мультиплицирования одноквантовых импульсов, (2) цепь уширения импульсов и (3) суммирующая цепочка двухконтактных квантовых интерферометров.

импульсов тока приводит к сложению импульсов напряжения на интерферометрах последовательной цепочки.

Основным преимуществом предложенной концепции усилителя является возможность увеличения числа суммирующих элементов и повышение амплитуды выходного сигнала без ограничения быстродействия усилителя и уменьшения допусков на технологический разброс параметров интегральной схемы.

Раздел 2.2 посвящен изучению цепи изохронного мультиплицирования одноквантовых импульсов.

В параграфе 2.2.1 описывается модель сплиттерного дерева, которая представляет собой JTL с переменными параметрами ячеек: индуктивностью Ln = L qn и критическим током джозефсоновских переходов Icn = IC qn, где L и IC – соответственно индуктивность и критический ток в первой ячейке сплиттерного дерева, q – коэффициент преобразования, а n – номер колонки сплиттерного дерева. В такой модели каждая ячейка JTL представляет собой колонку сплиттерного дерева. В случае одинакового значения параметров ячеек (L и Рис. 2. Зависимость порогового значения тока смещения от индуктивностей ячеек l при различных значениях коэффициента трансформации q.

Ic) сплиттерного дерева во всех его колонках, коэффициент ветвления k и соответствующий ему коэффициент трансформации q в модели совпадают. Уменьшение (или увеличение) коэффициента трансформации q по сравнению с коэффициентом ветвления k будет означать неоднородную сплиттерную структуру, характеризующуюся монотонным уменьшением (увеличением) критического тока переходов Ic в сплиттерном дереве и пропорциональным увеличением (уменьшением) индуктивности ячеек L с номером колонки n.

В параграфе 2.2.2 определяются наиболее оптимальные параметры сплиттерного дерева, для чего проводится исследование времени распространения одноквантового импульса по сплиттерному дереву (с использованием предложенной модели) в зависимости от коэффициента трансформации q, токов смещения джозефсоновских переходов IBB, а также значений индуктивностей ячеек L. Определяются значения пороговых токов смещения для различных параметров q и L. Выше порогового значения, по мере увеличения тока время распространения импульса быстро уменьшается и в диапазоне токов IBB = 0.8…1 IC выходит примерно на константу, величина которой зависит от q и L.

Зависимость порогового значения тока смещения от нормированного значения индуктивностей ячеек l (l = (2/0)ICL) для различных значений коэффициента преобразования q представлена на рис. 2. Следует отметить, что характер зависимости порогового значения тока для сплиттерных структур (q > 1) принципиально отличается от той зависимости, которая имеет место в случае обычной JTL (q = 1).

В результате проведенного исследования была обоснована необходимость использования структуры с эффективным коэффициентом мультиплицирования (коэффициент трансформации q) не выше 2.

В параграфе 2.2.3 проводится рассмотрение динамики распространения кванта магнитного потока и соответствующего ему одноквантового импульса по сплиттерному дереву. В результате проведенного исследования обоснована необходимость обеспечения условий, при которых отсутствует взаимодействие между квантами магнитного потока. Это может быть достигнуто в двух случаях: когда расстояние между квантами потока в сплиттерной структуре больше, чем радиус взаимодействия или когда по этой структуре распространяется (с мультиплицированием) только один квант потока.

Если расстояние между квантами потока меньше радиуса взаимодействия, то происходит формирование групп с фиксированным количеством квантов магнитного потока внутри структуры, которое было предсказано и описано в [18]. В этом случае при монотонном изменении периода следования входных импульсов период выходных импульсов будет изменяться немонотонно (скачкообразно).

Сформулированное условие накладывает ограничение на максимальную частоту входных импульсов.

В параграфе 2.2.4 описывается влияние емкости джозефсоновских переходов на характеристики сплиттерного дерева. Наличие этой емкости дает некоторое уменьшение порогового значения тока смещения, которое пропадает с увеличением индуктивности l.

Уменьшение порогового значения продолжается с увеличением емкостного параметра Маккамбера C (C = (2/0)ICRN2C) до 0.5. Сплиттерная структура может правильно работать даже при наличии небольшого гистерезиса на ВАХ джозефсоновских переходов (C = 1…2), однако дальнейшего уменьшения порогового значения тока смещения при этом не наблюдается.

Раздел 2.3 посвящен разработке цепи уширения одноквантовых импульсов.

В параграфе 2.3.1 обсуждается уширение импульсов тока непосредственно в цепи сопряжения выходных ячеек сплиттерного дерева с интерферометрами суммирующей цепочки, а также рассматриваются возможные конструкции схем уширения. Предлагаемая конструкция усилителя отличается использованием цепочки интерферометров в резистивном состоянии. Это означает, что скорость изменения сигнала должна быть меньше, чем частота джозефсоновской генерации J переходов цепочки (din/dt < J, где in – входной магнитный поток в интерферометр цепочки), что диктует необходимость уширения импульсов тока и соответствующих импульсов магнитного потока, воздействующих на интерферометры. Уширение одноквантового импульса напряжения, который имеет постоянную площадь = 0, означает соответствующее уменьшение амплитуды Vdt импульса. При этом происходит обеднение спектра импульса гармониками, в результате чего энергия импульса сосредотачивается в самых первых гармонических компонентах, упрощая проблему фильтрации сигналов. В тоже время, амплитуда импульса тока через а) б) Рис. 3. Схема предложенной цепи уширения (а) и форма уширенного импульса при различных значениях шунтирующих резисторов R1 и R2 (б). Жирной линией представлен одноквантовый импульс в буферной JTL (до уширения). Частота следования импульсов /C = 0.04.

индуктивность выходной ячейки не только не уменьшается, но даже увеличиваться в 1.5 – раза (см. рис. 3б). Максимальное уширение ограничено частотой следования импульсов.

Предложенное уширение достигается путем дополнительного шунтирования джозефсоновских переходов в выходных ячейках сплиттерного дерева. На рис. представлена схема выходной ячейки, осуществляющей уширение импульсов, и форма уширенного импульса тока в индуктивности ячейки. Резистор R2, шунтирующий выходной переход, определяет основное уширение и спад импульса, в то время как шунт R1 влияет на фронт импульса. Выходной джозефсоновский переход может быть заменен низкоомным резистором для предотвращения паразитных круговых токов в рассматриваемой ячейке, однако, импульс в таком случае будет иметь более острую форму.

В параграфе 2.3.2 обсуждается компенсация неизохронности мультиплицированных импульсов, возникающей вследствие технологического разброса критических токов джозефсоновских переходов.

В рамках современной технологии разброс критических токов переходов составляет порядка 5% значения критического тока, т.е. для Ic = 125 мкА, Ic = 6.25 мкА. В соответствии с резистивной моделью джозефсоновского перехода величина тепловых флуктуаций ICF = (2e/ћ)kBT [19] составляет порядка 0.35 мкА при T = 4.2 K (фактор = ICF/IC порядка 0.003). Поэтому мы можем пренебречь ICF и учитывать только Ic.

Существование разброса критического тока накладывает ограничение на ток смещения джозефсоновских переходов IBB < IC - IC, а также приводит к различному времени прохождения одноквантового импульса по ветвям сплиттерного дерева и, следовательно, неизохронному сложению импульсов на суммирующей цепочке. Для оценки среднеквадратичного временного сдвига между одноквантовыми импульсами на выходах сплиттерного дерева можно сложить временные сдвиги во всех выходных ячейках как случайные величины, что приводит к выражению:

IC IB d =, (1) IC dIB M где - время распространения одноквантового импульса по сплиттерному дереву, M – число выходных ячеек. В таблице 1 представлены значения для IBB / IC = 0.85. Здесь время и Таблица 1. Нормированный среднеквадратичный временной сдвиг.

l = 2 l = 7 l = q = 3/2 1 2.6 q = 2 3 4.7 нормированы на характерное время (C)-1, где C – характерная частота джозефсоновских переходов.

Эти значения сопоставимы с характерной шириной одноквантового импульса 0 3.

Сложение неизохронных импульсов на последовательной цепочке двухконтактных интерферометров приведет к формированию растянутого импульса с малой амплитудой вместо образования выходного импульса с большой амплитудой. При задании максимальной частоты следования импульсов /c = 0.1 ширина уширенного импульса может достигать значения *=30, которое уверенно превышает величину сдвига импульсов. Таким образом, уширение импульсов позволяет компенсировать неизохронность мультиплицированных импульсов.

Раздел 2.4 посвящен исследованию суммирующей цепочки двухконтактных квантовых интерферометров.

В параграфе 2.4.1 исследуется амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) интерферометров суммирующей цепочки. Воздействие на интерферометр внешнего высокочастотного магнитного потока приводит к синхронизации джозефсоновской генерации, в результате чего на ВАХ интерферометра формируются ступеньки на частоте внешнего сигнала и ее гармониках. Это явление очень близко к хорошо известному явлению образования ступенек Шапиро на ВАХ джозефсоновских переходов. Результаты моделирования показывают, что процессы синхронизации, приводящие к искажению АЧХ цепочки интерферометров, начинаются, когда частота сигнала превышает 0.2 J, где J – средняя частота джозефсоновской генерации в рабочей точке. Таким образом, существует определенное ограничение на частоту сигнала.

В параграфе 2.4.2 производится рассмотрение внутренних резонансов интерферометров суммирующей цепочки, а также геометрических резонансов цепочки в целом.

Наличие емкости переходов обуславливает существование LC резонанса в петле интерферометра цепочки, в результате которого на ВАХ интерферометра появляется резонансная особенность, наиболее выраженная при задании внешнего магнитного потока 0/2. Это приводит к взаимному пересечению ВАХ при различных приложенных магнитных потоках. С увеличением емкости джозефсоновских переходов (или индуктивности петли интерферометра), частота LC резонанса уменьшается, и точка пересечения ВАХ смещается в область низких напряжений. Если точка пересечения ВАХ находится вблизи выбранной рабочей точки, то модуляция ВАХ под действием внешнего магнитного потока существенно уменьшается. Для устранения этого эффекта нормированное значение емкости джозефсоновских переходов должно быть достаточно малым (C 0.5 для нормированного значения индуктивности петли интерферометра l 3). Более полное подавление LC резонанса возможно с помощью подключения параллельно индуктивности интерферометра демпфирующего сопротивления порядка нормального сопротивления джозефсоновского перехода RN.

Возникновение геометрических резонансов в суммирующей цепочке интерферометров обусловлено конкретной реализацией цепочки в экспериментальной интегральной схеме. В экспериментальной схеме суммирующая цепочка располагается между экранирующими слоями для уменьшения индуктивностей интерферометров и ячеек цепи уширения, а также для защиты этих цепей от замороженных магнитных потоков. В такой конструкции суммирующая цепочка представляет собой отрезок микрополосковой линии, в котором могут возбуждаться стоячие волны. Демпфирование геометрических резонансов возможно путем подключения высокоомных резисторов, задающих волновые потери в этой структуре.

Раздел 2.5 посвящен изучению согласования усилителя с выходной цепью.

В параграфе 2.5.1 проводится оценка возможности согласования суммирующей цепочки интерферометров с внешней нагрузкой. Для этой цели проведена оценка реальной и мнимой части импеданса цепочки на частоте = 0.1C. Показано, что импеданс цепочки на этой частоте является в основном реальным. Учитывая типичное значение нормального сопротивления RN = 2 джозефсоновского перехода в стандартной ниобиевой технологии [20], значение импеданса цепочки, состоящей из N = 50 интерферометров, значение импеданса будет соответствовать стандартному входному импедансу СВЧ приборов (50 Ом).

В параграфе 2.5.2 рассматривается влияние импеданса выходной нагрузки на ВАХ суммирующей цепочки интерферометров. В то время как подключение выходной нагрузки к цепочке напрямую шунтирует цепочку, уменьшая наклон ВАХ, подключение нагрузки через емкость осуществляет шунтирование цепочки только по высокой частоте. Численный расчет показывает, что дополнительное шунтирование цепочки по высокой частоте внешним сопротивлением порядка нормального сопротивления последовательной цепочки NRN/2 даже несколько увеличивает отклик цепочки в области напряжения V = (0.8…2)NVC. Увеличение отклика напряжения происходит за счет уменьшения эффективного значения параметра Маккамбера в этом диапазоне частот.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»