Квантрон

(23) 6 11 С 11/14 Государствеииый комитет СССР ио дедам изобретений и открытий(3) УДК 681, 327,6 (088,8) Дата опубликования описания 250183 П.А. Бахтин, А,А. Зубков, В.И. Махов.и А,Н,. Самус(54) КВАНТРОН Изобретение относится к микроэлектронике и вычислительной технике, в частности, к переключазельным элементам на эффекте Джозефсона, и может быть использовано в вычиолнтельных системах.Известен переключательный элемент, названный впоследствии параметрическим квантроном, который содержит замкнутый сверхпроводащнй контур с .включенным в него джозефсоновскнм переходом, индуктивно связанные с контуром управляющие шины, а также шину управления, прйлегающую к джозефсоновскому переходу и образующую с ним крнотрон. Индуктивность контура и критический ток перехода выбираются таким образом, что захваченный магнитный поток в отсутствие внешнего магнитного поля может принимать либо нулевое значение (состояние "0") либо значение, близкое к кванту:.магнитного потока фо - 2 1 У сй (состояние "1")Параметрический квантрон может служить универсальным элементом памяти и логики ( 1).Недостатком параметрического . квантрона является сложность реали зации этого элемента. Это связано с наличием в контуре криотрона, для Управлениякоторым необходимо, чтобыв образующем криотрон.джозефсоновс. ком контакте при подаче тока в вянууправления наводился магнитный потокпорядка фо. Это возможно, если индуктивность вентиля криотрона имеетвеличину, сравнимую с величинойиндуктивности самого контура. Этоусловие накладывает жесткие ограни Е чення на геометрические размеры иконструкцию параметрического квантрона. Кроме того, время переключенияпараметрического квантрона ограничено временем переключения самого 15 криотрона.Известен квантрон, содержащийзамкнутый сверхпроводящий контурс включенньве в него джозефсоновским контактом и индуктивно связанныес контуром шины управления.Указанный квантрон отлйчается отпараметрического квантрона тем,что вместо криотрона он соцержитсосредоточенный джозефсоновский кон такт, Отсутствие криотрона снимаетвсе ограничения, присущие параметркческому квантрону. Квантрон, какэлемент памяти, широко используется при изготовлении интегральных 30 сверхпроводннковых схем 2).г0 Недостатком указанного квантронаявляется то, что для его переключения необходимо подавать на управляющие шины импульсы тока с амплитудой,сравнимой с максимальным циркулирующим в нем током. Это исключает возможность непосредственного управлечния одного элемента сигналом, сиитанным с другого такого же элемента.Это обстоятельство не позволяеторганизовать на квантронах какиелибо логические схемы, что снижаетфункциональные возможности квантрона.Целью изобретения является расширение Функциональных воэможностей 15квантрона за счет выполнения логических операций.указанная цель достигается тем,что н контур включен дополнительныйсосредоточенный джозефсоновский кон 2 Отакт с которым гальванически связана дополнительная шина управления.На фиг.1 предстанлена электрическая схема предлагаемого элемента,"на Фиг.2 - зависимость внутреннегомагнитного потока ф в квантроне отвнешнего магнитного потока фВ, пркразличных значениях тока управления 1.Квантрон содержит элемент памяти,ныполненный в виде замкнутого сверхпроводящего контура 1 с включеннымв него сосредбточенным джозефсоновским контактом 2, индуктивно связанные с контуром входные шины 3 и шину смещения 4, дополнительный сосредоточенный джоэефсоновский контакт5 и гальванически соединенные с нимшины управления б.Квантрон работает следующим об- разом. 40Через шину 4 смещения пропускается постоянный ток смещения, обеспечивающий магнитный поток в контуре величиной Фо/2. Исходному состоянию элемента при этом соответствуют два зна чения внутреннего магнитного потока, близкие к О и фо(точки А и В кривой 1, фиг.2). Точка А соответствуетсостоянию логический "О". точка В -состоянию логическая "1", Для переклюО чения элемента из состояния А н состояние В по шине б управления на джозефсоновский контакт 5 подается ток, близкий к критическому току джозефсоновского контакта 5. При этом разность Фаз на джозефсоновском контакте5 близка к Ь/2, а в контуре наводится дополнительный циркулирукщкй ток. Направление тока в шине б выбирается таким образом, чтобы дополнительный магнитный поток совпадал по знаку фф с потоком смещения фс/2. На фиг.1 в шинах 4 к 6 стрелками показаны направления токов для этого случая. . Ток управления вызывает смещение одновременно и по внутреннему потоку 63( й /2), поскольку он жестко связан с Фазой на втором контакте, и по внешнему потоку вследствие дополнительного наведенного циркулирующего тока. В результате кривая 1 сдвигается так, что теперь зависимость внутреннего магнитного потока от внешнего описывается кривой 2.Для переключения квантронон в одну или несколько нходных шин подает ся входной.ток (это может быть выходной сигнал с аналогичного квантрона), который наводит дополнительный магнитный поток, так что состоянию квант- рона соответствует точка А на кривой 2. Поскольку это состояние является неустойчивым, то кнантрон самопроизвольно перейдет в состояние когда внутренний магнитный поток близок к Фо (состояние В на кривой 2). При выключении тока управления состоянию квантрона соответствует точка В на кривой 1, таким образом квантрон оказался в состоянии логическая "1".Чтобы снова перевести квантрон в состояние логический "О" надо на шину управления подать ток обратной полярности. При этом состояние квант- рона описывается кривой 3. Переключение "1" н "О" аналогично описанному выше переключению "О" в "1" показано на Фиг,2 стрелками ЬСС-Л).Поскольку шина управления б связана с контуром гальнанически, то ток управления вводится в контур непосредственно, т,е. инжектируется, Поэтому естественно назвать указанный элемент инжекционным квантроном. Гальваническая связь в данном случае используется потому, что кндуктинно связаться с контуром малых размеров и соответственно малой индуктивности весьма сложно, Кроме того, гальваническая связь позволяет изготовить шины управления и сам сверхпроводящий контур в одном слое, что значительно упрощает технологию изготовления таких приборов.Кривые 1-3 (фиг,2) и процессы переключения рассчитаны для следующих параметров: отношения критических токов ЭсЗс =5, ток управления Й=4:)с(киная 2), 1=4 Эс(кривая 3) .Выходной сигнал с предлагаемого элемента может быть передан на другие такие же элементы, поскольку как и н случае параметрического квантрона, величина входного сигнала переключающего элемент, может быть значительно меньше величины выход" ного сигнала. Это означает, что коэфФициент усиления такого элемента может быть осуществлен больше единицы и поэтому на его основе возможна организация любых логических схем, В соответствии с расчетами величина коэффициента усиления опре991509 формула изобретенияделяется отношением критйческих то- . ков контаЙов са3 с и током управ ления Э и может достйгать 5 при ЭсяЭса=5Выбор критических токов контактов и тока управления определяется сле дующим образом,Необходимо, чтобы при подаче тока управления кривые 2 и 3 были макси" мально адвинуты .относительно кривой 1. Это достигается при условии, ес ли ток управления близок к .критическому току второго контакта, При этом необходимо, чтобы циркулирующие в контуре токи мало влияли на состояние второго контакта, тогда положение кривых 2 и 3 будет фиксировано. Для эеого необходимо, чтобы ток управления и критический ток второго контакта были существенно больше циркулирующих токов, величина которых определяется критическим током первого контакта. Поэтому должны выполняться следующие условия.Предлагаемое изобретение может найти применение при создании сверхпроводящих элементов ЭВИ, Квантрон может быть использован одновременно как элемент памяти, так и элемент логики при.создании вычислительных систем; Квантрон, содержащий элемент памяти, выполненный в виде шины сверхпроводника, джозефсоновский контакти индуктивно связанные с шиной сверхпроводника шины управления, первыйвывод джозефсоновского контакта соединен с первым концом шины сверхпроводника, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью расширения Функциональных возможностей за счет выполнения логических операций, он .содержит дополнительный джозефсоновский контакт , первый вывод которого подключен к второму выводу основного джозефсоновского контакта, авторой вывод - к второму концу шинысверхпровадника, причем первый ивторой выводы дополнительного джозеФсоновсиого контакта являются входамиквантрона.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССР9 539333, кл. 0 11 С 11/14, опублик.1975.2. Патент США Ю 3705393,кл. 340-173.1, опублик. 1972 (прототип).991509Составитель В. Теленковедактор Н, Гунько Техред И.Гергель Корректор Е, РоааоЮЬйт ндиал ППП фПатент"., г. У д, ул, Проектна Заказ 146/71 Т ВИИИПИ Государс по делам изобр 113035, Москва, Ж-35, Раущск Подписноеомитета СССРрытийя наб д, 4/5