Исследование процессов в усилителе сигналов быстрой одноквантовой логики на основе многоэлементных джозефсоновских структур (1103210), страница 4
Текст из файла (страница 4)
В случае синхронного режима генерациисуммарная амплитуда джозефсоновских осцилляций на последовательной цепочке из Nэлементов будет в N раз больше, чем амплитуда осцилляций на одном элементе, в то времякак в асинхронном режиме генерации среднеквадратичная величина размаха осцилляций нацепочке увеличится только вN раз по сравнению с амплитудой осцилляций на одномэлементе. Отличие в размахе осцилляционного процесса вN раз очень важно с точкизрения задачи фильтрации, т е. задачи отделения выходного сигнала от джозефсоновскихосцилляций близкой частоты.
Если в качестве последовательной суммирующей цепочкииспользовать СКИФ-структуру (сильно нерегулярная цепочка), то в этом случаеприложенный магнитный поток обуславливает разную модуляцию ВАХ элементов этойцепочки и, как следствие, асинхронный режим джозефсоновской генерации. Прииспользовании регулярной структуры цепочки асинхронный режим генерации может бытьдостигнут путем задания некоторого разброса (20…30%) величин характерного напряженияVC джозефсоновских переходов в цепочке от элемента к элементу. Практически такаяквазирегулярная цепочка интерферометров может быть сформирована путем введениясоответствующего разброса (заложенного в фотошаблон регулярной цепочки) шунтовтуннельных Nb джозефсоновских переходов.Раздел 2.6 посвящен численному моделированию совместной работы цепей усилителя.В разделе представлен расчет динамики интерферометра суммирующей цепочки,индуктивно связанного с ячейкой цепи уширения (выходной ячейкой сплиттерного дерева)при различных значениях коэффициента взаимной индукции M.
Полученные результатыпредставлены на рис. 4.Для изучения отклика интерферометра постоянный магнитный поток задавалсянепосредственно из ячейки цепи уширения. Для этой цели в ячейку включался генераторпостоянного тока для формирования необходимого магнитного потока. Оказалось, что13максимальныйразмахоткликанапряженияинтерферометрав такойконструкцииувеличивается с увеличением взаимной индуктивности M (см.
рис. 4а). Это можно объяснитьвлиянием на интерферометр подключенной к нему ячейки, в результате чего эффективнаяиндуктивность интерферометра уменьшается с ростом коэффициента M:()L эфф = L2 1 − k 2 ,(2)где κ 2 = M 2 /( L1 L2 ) , L2 – индуктивность ячейки интерферометра, L1 – индуктивность ячейкицепи уширения.Для изучения динамики рассматриваемой цепи в режиме усиления одноквантовыхимпульсов ячейка цепи уширения подключалась к сплиттерному дереву. Одноквантовыйимпульс, поступавший из сплиттерного дерева, уширялся в выходной ячейке ивоздействовал магнитным образом на интерферометр.
На рис. 4б показана зависимостьамплитуды выходных импульсов от тока смещения интерферометра при различныхзначениях отношения M / L1. Численное моделирование показало, что амплитуда выходныхимпульсов не зависит от степени уширения импульсов, если их ширина τ* ≥ τ*min , гдеτ*min = 15…30. Указанное значение τ*min допускает максимальную частоту следованияимпульсов на уровне 10% - 20% характерной частоты ωC.Важно отметить, что при M / L1 > 0.5 разность между максимальной величиной откликаинтерферометра и амплитудой выходного импульса существенно сокращается с ростом M.а)б)Рис. 4.
а) Зависимость максимального размаха отклика напряжения интерферометра,индуктивно связанного с ячейкой цепи уширения, от тока смещения при различныхзначениях коэффициента связи M / L1 , где M – коэффициент взаимной индукции, L1 –индуктивность ячейки цепи уширения. Нормированное значение индуктивностей ячейкицепи уширения и интерферометра l1 = l2 = 3. На вставке показана зависимостьмаксимального отклика напряжения от отношения M / L1 при I / IC = 2. б) Зависимостьамплитуды выходного импульса напряжения на интерферометре от тока смещения приразличных значениях M / L1.14Поэтому при разработке топологии схемы крайне важно добиваться наибольшегокоэффициента связи, когда M / L1 > 0.5.Для проверки предлагаемой конструкции было также произведено численноемоделирования работы прототипа усилителя, с суммирующей цепочкой, состоящей из N = 16интерферометров, не подключенной к выходной нагрузке.
Было показано, что приM / L1 = 0.5 и токе смещения IB/IC = 2.2 амплитуда выходного импульса напряженияBсоставляет порядка Vвых ≈ 4VC. По проведенным оценкам с учетом 50-омной нагрузки инеобходимое количество интерферометров для получения амплитуды выходного сигналаV = 0.8…1.2 мВ будет составлять N ≈ 32 при использовании стандартной ниобиевойтехнологии HYPRES с плотностью критического тока jC = 1 кА/см2 [20].Раздел 2.7 посвящен разработке выходного фильтра усилителя.Выходнойфильтрразрабатывалсясовместнослабораториеймикроволноймикроэлектроники СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Выходной фильтр предназначался для отделениявыходного сигнала с максимальной частотой FS = 9 ГГц от джозефсоновской генерации.Характерная частота джозефсоновских переходов в суммирующей цепочке FC ≈ 90 ГГц.
Былразработан выходной фильтр второго порядка с емкостью на выходе, включеннойпоследовательно.Входнойивыходнойимпедансыфильтраначастотесигналасоответствовали требованию согласования цепочки из N = 64 интерферометров с 50-омнойвыходной линией. На высокой частоте (частоте джозефсоновской генерации) входнойимпеданс фильтра был достаточно высоким (больше 100 Ом) и, следовательно, практическине вызывал шунтирования цепочки.
Разработанный фильтр характеризуется резкой границейпропускания и обеспечивает подавление джозефсоновской генерации более чем в 100 раз(согласно характеристике пропускания S21).Глава 3. Разработка топологии и фотошаблоновРаздел 3.1 посвящен описанию характеристик используемой ниобиевой технологии.Стандартный процесс изготовления интегрированных схемы в HYPRES [20] включает всебя использование 10 слоев из которых 2 резистивных слоя и 4 слоя металлизации, сминимальным характерным размером формируемой структуры 1 мкм2. В качествесверхпроводящего материала используется ниобий. Для формирования джозефсоновскихпереходов Nb/AlOx/Nb на первом этапе производится напыление на всю подожку слоев Nb,Al, с последующим окислением, и Nb.
На следующем этапе производится выделениеобластей джозефсоновских переходов методом 1 мкм2 литографии и последующеготравления. Для шунтирования джозефсоновских переходов, формирования резисторов вцепях питания и прочих сопротивлений используется слой молибдена с погоннымсопротивлением 1 Ом/квадрат (при температуре 4.2 К). Второй резистивный слой PdAu с15сопротивлением 0.02 Ом/квадрат используется в основном для металлизации контактныхплощадок. Для обеспечения изоляции между джозефсоновскими переходами, резисторами,земляным слоем и различными соединениями напыляется диоксид кремния. В процессеизготовления используются подложки из оксида кремния. Размер чипов 5х5 мм2.Раздел 3.2 посвящен описанию оптимизации топологии разрабатываемых структур.В параграфе 3.2.1 описывается программа L-METER [21] для расчета индуктивностейсверхпроводящих цепей, проектируемых в фотошаблоне.
Помимо топологии анализируемойструктуры, входными данными программы служат описание эквивалентной схемы ихарактеристикииспользуемыхслоев.Выходнымиданнымипрограммыявляютсясобственные и взаимные индуктивности рассчитываемой цепи. В качестве примера вдиссертации приводится расчет сопряжения ячейки цепи уширения с интерферометромсуммирующей цепочки.В параграфе 3.2.2 описывается поэтапная оптимизация топологии для подавлениягеометрических резонансов в суммирующей цепочке. В первой итерации была использованатопология, в которой каждая ячейка цепочки имела индивидуальный экран, не соединенныйгальванически с экранами других ячеек. Это позволяет избежать формирования единоймикрополосковой линии по всей длине цепочки. Недостатком такой топологии являетсяЗначительное увеличение индуктивности элементов схемы, расположенных между экранамиячеек. Кроме того, оказалось, что такая топология способствует захвату магнитных потокови их фиксированию в области ячеек цепочки.В следующей итерации был использован общий экран.
Для подавления геометрическихрезонансов было использовано равномерное подключение к цепочке высокоомныхрезисторов,задающихдемпфированияволновыерезонансов,какпотеривпоказалиэтойструктуре.измерения,Недостаткомявляетсятакогодополнительноешунтирование цепочки, которое особенно сильно сказывается при использовании цепочек сбольшим числом ячеек.Для устранения этого недостатка в третий итерации было использовано неравномерноераспределение потерь вдоль цепочки.
При таком способе демпфировании резонансовсохраняетсясуммарнаяпроводимостьподключенныхкцепочкерезисторов,нопроводимости резисторов уменьшаются по линейному или квадратичному закону отзаземленного конца цепочки примерно до ее середины. Такое неравномерное демпфированиепозволяетэффективноподавлятьгеометрическиерезонансыбезсущественногошунтирования цепочки.В параграфе 3.2.3 описана оптимизация защиты цепей усилителя от влияниязамороженногомагнитногопотока.Для16этихцелейсоздавалисьспециальныенеоднородности в топологии структуры, такие как прорези в экранирующем слое.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
