WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 ||

В процессе исследования интегральных схем, изготовленных в первой итерации, были получены ВАХ суммирующих цепочек, на которых отсутствовали особенности, обусловленные геометрическими резонансами в полном соответствии с использованной топологией (отсутствие единого экрана для элементов цепочки). В то же время на ВАХ отдельно размещенных цепочек с линией задания магнитного поля наблюдались ступеньки, соответствующие геометрическим резонансам. Эти резонансы соответствовали возбуждению стоячих волн в отрезке микрополосковой линии, образованной линией задания магнитного поля, размещенной над структурой цепочки (второй электрод этой линии). При задании магнитного потока в интерферометры цепочки ступеньки на ВАХ пропадали, и образовывалась характерная особенность LC резонанса внутри интерферометров, описанного в параграфе 2.4.2. Максимальный размах отклика напряжения для цепочек, состоящих из N = 128 интерферометров, составил Vmax = 9 мВ и для цепочки из N = 256 интерферометров Vmax = 18 мВ.

Исследование интегральных схем, изготовленных во второй итерации, подтвердило эффективность предпринятых мер по демпфированию геометрических и LC резонансов в цепочках интерферометров. Однако, в силу равномерного размещения дополнительных потерь вдоль структуры суммирующей цепочки, приводящего к значительному шунтированию ВАХ, было получено заметное уменьшение размаха отклика цепочек. В этой итерации был исследован последовательный СКИФ, состоящий из N = 56 интерферометров.

Отклик этой структуры имел острый пик в нуле магнитного поля.

Исследование интегральных схем, изготовленных в третьей итерации, показало, что разработанное неравномерное демпфирование геометрических резонансов в суммирующей цепочке действительно практически не шунтирует цепочку и не приводит к существенному уменьшению характерного напряжения цепочки. Примененный способ демпфирования приводил к достаточно хорошему подавлению резонансов: на ВАХ цепочек присутствовали лишь незначительные особенности, не способные препятствовать работе интегральной схемы. Выполненный цикл оптимизации параметров интегральной схемы позволил выполнить успешное тестирование схемы в режиме усиления отдельных одноквантовых импульсов.

Раздел 4.3 посвящен описанию высокочастотного тестирования прототипов усилителя.

Для проведения высокочастотного тестирования интегральная схема включала в себя два разных источника одноквантовых импульсов. Первый источник представлял собой сильно демпфированный джозефсоновский переход. Сильное демпфирование перехода применяется для обеспечения возможности плавного изменения частоты генерации. В качестве второго источника был использован стандартный преобразователь опорных низкочастотных импульсов напряжения в одноквантовые импульсы, следующих с такой же частотой (dc/SFQ преобразователь [16]). Оба источника одиночных квантов магнитного потока были подсоединены ко входу цепи изохронного мультиплицирования импульсов через объединитель импульсов Merger [16], который препятствовал прохождению импульсов от одного генератора к другому.

Первый источник импульсов использовался для генерации пакетов одноквантовых импульсов при использовании переменного тока питания IBB. Если IBB < IC, генерация импульсов отсутствует. Когда IBB > IC, формируется пакет одноквантовых импульсов с частотой, зависящей от величины IB. После прохождения цепи мультиплицирования пакеты B импульсов поступают в цепи уширения импульсов. Уширение импульсов в 5 – 10 раз (и больше) приводит к слиянию импульсов и образованию фактически прямоугольного импульса. Поэтому выходной сигнал интегральной схемы в этом случае представляет собой прямоугольные импульсы с длительностью, равной длительности пакета импульсов.

Высокочастотное тестирование интегральных схем, изготовленных в первой итерации, проводилось только с использованием первого источника сигналов. В связи с недостаточным демпфированием внутреннего LC резонанса интерферометров суммирующей цепочки, выходной сигнал интегральной схемы мог быть либо в фазе, либо в противофазе с опорным сигналом (переменный ток питания генератора) в зависимости от тока смещения суммирующей цепочки. Амплитуда выходных импульсов усилителя с суммирующей цепочкой из 64 интерферометров составила порядка 0.2 мВ. Низкая амплитуда выходного сигнала объясняется присутствием указанного LC резонанса в интерферометрах цепочки, а также малой величиной коэффициента индуктивной связи M / L1. Из-за отсутствия у цепочки единого экрана индуктивность ячейки уширения L1 (рис. 3а) становится большой в результате прохождения над областью разрыва экранов.

Высокочастотное тестирование интегральных схем, изготовленных в третьей итерации, проводилось с использованием как первого, так и второго генераторов одноквантовых импульсов. В экспериментах с использованием первого генератора изменялась амплитуда тока питания генератора IBB, влияющая на частоту следования одноквантовых импульсов в пакете импульсов. Увеличение частоты приводит к росту амплитуды прямоугольного импульса тока (и, следовательно, магнитного потока), который образуется в цепи уширения при слиянии импульсов. Поэтому при увеличении амплитуды тока IBB наблюдался рост амплитуды выходных импульсов интегральной схемы с N = 32 суммирующими элементами до значения 1.5 мВ, а затем происходило уменьшение амплитуды выходных импульсов. Это означает, что амплитуда импульсов магнитного потока, поступающего в ячейки суммирующей цепочки, становится больше 0/2. Следовательно, максимальный размах отклика напряжения цепочки составляет 1.5 мВ.

Использование dc/SFQ генератора позволило провести основное тестирование интегральной схемы в режиме усиления одиночных одноквантовых импульсов.

Суммирующая цепочка тестируемого прототипа усилителя состояла из N = интерферометров. В цепи усилителя использовалась схема уширения, представленная на рис. 3а с отношением сопротивлений R1/R2 = 4 и временем уширения = 0.7 нс.

Осциллограммы, полученные в процессе тестирования, представлены на рис. 5. На нижней осциллограмме показан опорный сигнал, подаваемый на dc/SFQ преобразователь, а на верхней осциллограмме показано выходное напряжение на суммирующей цепочке усилителя с 50-омной нагрузкой.

Рис. 5. Усиление одиночных одноквантовых импульсов генерируемых dc/SFQ преобразователем. Нижняя осциллограмма - опорный сигнал, подаваемый на dc/SFQ преобразователь, верхняя осциллограмма – выходные импульсы усилителя на 50-омной нагрузке. Шкала напряжения 2 мВ/дел, частота опорного сигнала 0.5 ГГц.

Ширина выходного импульса составляет имп = 500 пс и соответствует тому уширению импульсов, которое было заложено в данной схеме. Форма импульса также соответствует форме токового импульса, полученной при моделировании цепи уширения импульсов (параграф 2.3.1) для этих параметров. Амплитуда выходного импульса составляет около 1 мВ и находится в полном соответствии с оценкой величины выходного импульса для N = 32 и M / L1 = 0.5, сделанной в результате численного моделирования интегральной схемы (раздел 2.6). Полученная экспериментально оценка максимального отклика суммирующей цепочки 1.5 мВ и амплитуда выходных импульсов 1 мВ достаточно хорошо соответствуют величине коэффициента индуктивной связи M / L1 = 0.45, полученной при расчетах с помощью L-METER.

В заключении сформулированы основные выводы диссертационной работы.

ВЫВОДЫ 1. Предложен и исследован новый тип выходного импульсного усилителя для передачи сигналов сверхпроводниковой быстрой одноквантовой логики в цепи полупроводниковой электроники. Показано, что предложенная концепция позволяет увеличивать число суммирующих элементов и поднимать амплитуду выходного сигнала до 5 – 10 мВ без ограничения быстродействия усилителя.

2. Впервые использован режим усиления сигналов быстрой одноквантовой логики на цепочке сверхпроводящих квантовых интерферометров в резистивном состоянии. Для этой цели была предложена специальная техника мультиплицирования и уширения одноквантовых импульсов.

3. Исследованы процессы распространения одноквантовых импульсов по цепям структуры изохронного мультиплицирования. Обоснована необходимость использования структуры с эффективным коэффициентом мультиплицирования не выше 2.

4. Исследована динамика процессов усиления одноквантовых импульсов. Показано, что уширение одноквантовых импульсов в 5 – 10 раз (до 50 – 100 пс при плотности критического тока jc = 1 кА/см2) является достаточным для реализации режима усиления импульсов на цепочке интерферометров в резистивном состоянии, а также для компенсации неизохронности мультиплицированных импульсов. Кроме того, показано, что уширение импульсов тока приводит к увеличению их амплитуды в 1.5 – раза.

5. Исследованный принцип построения усилителя позволяет максимально поднять предельную частоту следования одноквантовых импульсов до 10% - 20% характерной частоты джозефсоновских элементов интегральной схемы. В случае ниобиевой технологии джозефсоновских структур с плотностью критического тока jc = 1 кА/смпредельная частота следования импульсов составляет 9 - 18 ГГц и увеличивается соответственно в 2 и 4 раза при переходе на технологию с плотностью критического тока 4.5 кА/см2 и 20 кА/см2.

6. Разработана и оптимизирована топология послойных фотошаблонов интегральной схемы усилителя–интерфейса на основе ниобиевой технологии с плотностью критического тока jc = 1 кА/см2. Экспериментально продемонстрировано усиление одноквантовых импульсов до уровня 1 мВ на нагрузке 50 Ом при использовании схемы усилителя с 32-мя суммирующими элементами.

Список публикаций автора по теме диссертации 1. V. K. Kornev, I. I. Soloviev, and O. A. Mukhanov, “Possible Approach to the Driver Design Based on Series SQIF,” IEEE Transaction on Applied Superconductivity, 2005, vol. 15, p. 388391.

2. V. K. Kornev, I. I. Soloviev, N. V. Klenov, O. A.. Mukhanov, “Splitting circuits for SFQ-pulse driver based on SQIF,” Ext. Abstracts, Int. Supercond. Electronics Conf. (ISEC’05), 5-9 Sept.

2005, The Netherlands, p. P-B.10;

3. V. K. Kornev, I. I. Soloviev, N. V. Klenov, O. A.. Mukhanov, “Splitting circuits for SFQ-pulse driver based on SQIF,” Superconducting Science and Technology (SUST), 19 (2006) S390-S393.

4. I. I. Soloviev, V. K. Kornev, O. A. Mukhanov, “Proposal for high-performance SFQ-pulse amplifier,” Proceedings of 12-th Int. Student’s Seminar on Microwave Applications of New Physical Phenomena, Saint Petersburg, Russia, 17-19 October, 2005, p. 37-39.

5. N. V. Klenov, V. K. Kornev, I. I. Soloviev, “Splitting tree for SFQ pulses,” Proceedings of 12-th Int. Student’s Seminar on Microwave Applications of New Physical Phenomena, Saint Petersburg, Russia, 17-19 October, 2005, p. 34-36.

6. Кислинский Ю.В., Комиссинский Ф.В., Константинян К.И., Овсянников Г.А., Карминская Т.Ю., Соловьев И.И., Корнев В.К.” Сверхпроводящий ток гибридных гетеропереходов металлооксидных сверхпроводников: размерная и частотная зависимости”, ЖЭТФ, 2005 г., том 128, выпуск 3, с. 575-585.

Список цитируемой литературы [1] K. K. Likharev, O. A. Mukhanov, and V. K. Semenov, “Resistive single flux quantum logic for the Josephson-junction technology”, in: H. Hahlbohm and H. Luebbig (eds.) SQUID’85, W. de Gruyter, Berlin, 1985, p. 1103-1108.

[2] M. Tanaka, F. Matsuzaki, T. Kondo, N. Nakajima, Y. Yamanashi, H. Terai, S. Yorozu, N.

Yoshikawa, A. Fujimaki, H. Hayakawa, “Prototypic design of the single-flux-quantum microprocessor, CORE1”, Superconductor Science and Technology (2003), 16 (12), pp. 14601463.

[3] N. Nakajima, F. Matsuzaki, Y. Yamanashi, N. Yoshikawa, M. Tanaka, T. Kondo, A.

Fujimaki, H. Terai, S. Yorozu, “Design and implementation of circuit components of the SFQ microprocessor CORE1”, Superconductor Science and Technology (2004), 17 (3), pp. 301307.

[4] Superconductor Week, Vol. 20, No. 20., October 2, 2006.

[5] A. Kirichenko, S. Sarwana, D. Gupta, and D. Yohannes, “Superconductor Digital Receiver Components”, IEEE Trans. on App. Supercond., vol 15, no 2, June 2005, pp. 249-254.

[6] O. A. Mukhanov, D. Gupta, A. M. Kadin, and V. K. Semenov, “Superconductor Analog-toDigital Converters”, (invited) Proceedings of the IEEE, vol. 92, no. 10, October 2004, pp.

1564-1584. (also available at: http://www.hypres.com/ ) [7] J. X. Przybysz, J. H. Kang, S. S. Martinet, A. H. Worsham, “Interface circuits for input and output of gigabit per second data,“ in Extended Abstracts of ISEC’95, Nagoya, Japan, Sep.

1995, pp. 304-306.

[8] M. Suzuki, M. Maezawa, H. Takato, H. Nakagawa, F. Hirayama, S. Kiryu, M. Aoyagi, T.

Sekigawa and A. Shoji, “An interface circuit for a Josephson-CMOS hybrid digital system,” IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 9, Jun. 1999, pp. 3314-3317.

[9] Q. Liu, T. Van Duzer, K. Fujiwara, and N. Yoshikawa, “Hybrid Josephson-CMOS Memory in Advanced Technologies and Larger Sizes,” Journ. of Phys.: Conf. Series 43 (2006) 11711174.

[10] C. J. Fourie and W. J. Perold, “A single-clock asynchronous input COSL set-reset flip-flop and SFQ to voltage state interface,” IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 15, Jun. 2005, pp.

263-266.

[11] D. F. Schneider, J. C. Lin, S. V. Polonsky, and V. K. Semenov, “Broadband interfacing of superconducting digital systems to room temperature electronics,“ IEEE Trans. Appl.

Supercond., vol. 5, Jun. 1995, pp.3152-3155.

[12] V. K. Semenov, and Y. A. Polyakov, “Circuit improvements for a voltage multiplier,” IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 11, Jun. 2001, pp.550-553.

[13] Q. P. Herr, “Stacked double-flux-quantum output amplifier,” IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 15, Jun. 2005, pp. 259-262.

[14] O. A. Mukhanov, S. R. Rylov, D. V. Gaidarenko, N. B. Dubash, and V. V. Borzenets, “Josephson output interfaces for RSFQ Circuits”, IEEE Trans. Applied Supercond., vol. 7, Jun. 1997, pp. 2826-2831.

[15] R. Koch, P. Ostertag, E. Crocoll, M. Goetz, M. Neuhaus, T. Scherer, M. Winter and W. Jutzi, “A NRZ – output amplifier for RSFQ circuits”, IEEE Trans. Applied Supercond., vol. 9, Jun.

1999, pp. 3549-3552.

[16] http://pavel.physics.sunysb.edu/RSFQ/Lib/contents.html [17] J. Oppenlaender, Ch. Haeussler, and N. Schopohl, “Non-0-periodic macroscopic quantum interference in one-dimensional parallel Josephson junction arrays with unconventional grating structure”, Phys. Rev. B, vol 63, 1 Jan. 2001, pp. 024511-1-9.

[18] V. Kaplunenko et al., J. Appl. Phys., 74 (9), 1 Nov. 1993, p. 5854-5858.

[19] Лихарев К.К., Введение в динамику джозефсоновских переходов, М.: Наука. 1985.

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 ||






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