Исследование процессов в усилителе сигналов быстрой одноквантовой логики на основе многоэлементных джозефсоновских структур (1103210), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Послепервой итерации для дополнительной защиты схем было применено двойное экранирование.В случае двойного экранирования, отверстия для захвата квантов замороженного магнитногопотока проделывались в обоих экранах и окружались сквозными соединениями всех слоев,образуя структуру наподобие колодца. Структуры с двойным экраном работали гораздоболее стабильно, в течение нескольких часов при измерениях в неэкранированномпомещении.Раздел 3.3 посвящен описанию используемых генераторов одноквантовых импульсов.В качестве генераторов одноквантовых импульсов на входе усилителя использовалисьдва источника сигнала: сильно демпфированный джозефсоновский переход, характеристикикоторого описаны в параграфе 2.2.3 и стандартный преобразователь импульсов постоянногонапряжения в одноквантовые импульсы, известный как dc/SFQ преобразователь [16].
Обаисточника одиночных квантов магнитного потока были подсоединены ко входу цепиизохронного мультиплицирования импульсов через объединитель импульсов Merger [16],который препятствовал прохождению импульсов от одного генератора к другому. Дляконтроля генерации одноквантовых импульсов на dc/SFQ преобразователе, импульсы такжепоступали на вход SFQ/dc преобразователя [21], который преобразовывал генерируемыеодноквантовые импульсы в широкие импульсы напряжения.Раздел 3.4 посвящен описанию состава чипов, изготовленных в трех последовательныхитерациях.В число изготовленных структур входили усилители и отдельные цепочкиинтерферометров для исследования различных параметров структур и сопоставления стеоретическими расчетами.
Среднее значение нормального сопротивления джозефсоновскихпереходов в интерферометрах суммирующих цепочек во всех итерациях составляло порядкаRN = 1.4 Ом, что соответствует βC = 0.5. Вводился также разброс нормальных сопротивленийджозефсоновских переходов в суммирующей цепочке в пределах 20%.В первой итерации были реализованы усилители с количеством интерферометров всуммирующейцепочкеN = 64,128,256,отличающиесяструктуройцепочки(регулярная / нерегулярная), наличием или отсутствием разброса шунтов джозефсоновскихпереходов, а также величиной уширения импульсов.
Помимо усилителей были реализованыотдельные цепочки интерферометров, отличающиеся также способом подключения кнагрузке: через высокоомный резистор, через емкость, LR или LCR фильтр.Во второй итерации были изготовлены усилители с числом интерферометров: N = 32,64, 128, оптимизированной цепью уширения и равномерным демпфированием суммирующей17цепочки. Один из усилителей был подключен к фильтру, описанному в разделе 2.7. Помимоусилителей была реализована СКИФ структура, состоящая из N = 56 интерферометров.В третий итерации изготавливались 4 усилителя с количеством интерферометров всуммирующей цепочке N = 32, 64, отличающихся типом неравномерного демпфирования ивременем уширения.Глава 4.
Экспериментальное исследованиеРаздел 4.1 посвящен описанию техники проведения измерений.Изготовление и измерение интегральных схем производились в лаборатории фирмыHYPRES [20]. Для проведения измерений чипов со сверхпроводниковыми схемамииспользовалась криогенная штанга, предназначенная для измерений в диапазоне частот от 0до 25 ГГц. Штанга оснащена держателем чипа, обеспечивающим электрический контакт с 40контактными площадками чипа.
Для защиты измеряемой интегральной схемы от внешнихмагнитных наводок держатель чипа снабжен двумя цилиндрическими экранами из μметалла. Держатель снабжен также пластиковым кожухом для защиты экранов отмеханического воздействия. Смонтированная штанга опускается в дьюар с жидким гелием,который также находится внутри высокого (выше дьюара) цилиндрического экрана из μметалла. Измерения проводились в специальной экранированной комнате.Для проведения экспериментальных исследований использовалось высокоточноеизмерительное оборудование фирм Agilent/HP и Tektronix. Кроме того, для измерений напостоянном токе использовалась управляемая компьютером многофункциональная системаOCTOPUX.
Для проведения высокочастотного тестирования интегральной схемы ивизуализациивыходныхимпульсовисследуемогоусилителябылиспользованстробоскопический осциллограф Tektronix CSA 803, который позволял проводить измеренияв режиме, характеризуемом шкалой по оси напряжений 2 мВ/дел и по оси времени 20 пс/дел.Раздел 4.2 посвящен описанию результатов измерений на постоянном токе.В процессе исследования интегральных схем, изготовленных в первой итерации, былиполученыВАХсуммирующихцепочек,накоторыхотсутствовалиособенности,обусловленные геометрическими резонансами в полном соответствии с использованнойтопологией (отсутствие единого экрана для элементов цепочки). В то же время на ВАХотдельно размещенных цепочек с линией задания магнитного поля наблюдались ступеньки,соответствующие геометрическим резонансам.
Эти резонансы соответствовали возбуждениюстоячих волн в отрезке микрополосковой линии, образованной линией задания магнитногополя, размещенной над структурой цепочки (второй электрод этой линии). При заданиимагнитного потока в интерферометры цепочки ступеньки на ВАХ пропадали, иобразовывалась характерная особенность LC резонанса внутри интерферометров, описанного18в параграфе 2.4.2.
Максимальный размах отклика напряжения для цепочек, состоящих изN = 128 интерферометров, составил Vmax = 9 мВ и для цепочки из N = 256 интерферометровVmax = 18 мВ.Исследование интегральных схем, изготовленных во второй итерации, подтвердилоэффективность предпринятых мер по демпфированию геометрических и LC резонансов вцепочках интерферометров. Однако, в силу равномерного размещения дополнительныхпотерьвдольструктурысуммирующейцепочки,приводящегокзначительномушунтированию ВАХ, было получено заметное уменьшение размаха отклика цепочек. В этойитерации 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, чторазработанное неравномерное демпфирование геометрических резонансов в суммирующейцепочке действительно практически не шунтирует цепочку и не приводит к существенномууменьшению характерного напряжения цепочки.
Примененный способ демпфированияприводил к достаточно хорошему подавлению резонансов: на ВАХ цепочек присутствовалилишь незначительные особенности, не способные препятствовать работе интегральнойсхемы. Выполненный цикл оптимизации параметров интегральной схемы позволилвыполнить успешное тестирование схемы в режиме усиления отдельных одноквантовыхимпульсов.Раздел 4.3 посвящен описанию высокочастотного тестирования прототипов усилителя.Для проведения высокочастотного тестирования интегральная схема включала в себядва разных источника одноквантовых импульсов. Первый источник представлял собойсильно демпфированный джозефсоновский переход.
Сильное демпфирование переходаприменяется для обеспечения возможности плавного изменения частоты генерации. Вкачестве второго источника был использован стандартный преобразователь опорныхнизкочастотных импульсов напряжения в одноквантовые импульсы, следующих с такой жечастотой (dc/SFQ преобразователь [16]). Оба источника одиночных квантов магнитногопотока были подсоединены ко входу цепи изохронного мультиплицирования импульсовчерез объединитель импульсов Merger [16], который препятствовал прохождению импульсовот одного генератора к другому.Первый источник импульсов использовался для генерации пакетов одноквантовыхимпульсов при использовании переменного тока питания IB.
Если IB < IC, генерацияBBимпульсов отсутствует. Когда IB > IC, формируется пакет одноквантовых импульсов сBчастотой, зависящей от величины IB. После прохождения цепи мультиплицирования пакетыBимпульсов поступают в цепи уширения импульсов. Уширение импульсов в 5 – 10 раз (и19больше) приводит к слиянию импульсов и образованию фактически прямоугольногоимпульса. Поэтому выходной сигнал интегральной схемы в этом случае представляет собойпрямоугольные 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 недостаточнымдемпфированием внутреннего LC резонанса интерферометров суммирующей цепочки,выходной сигнал интегральной схемы мог быть либо в фазе, либо в противофазе с опорнымсигналом (переменный ток питания генератора) в зависимости от тока смещениясуммирующей цепочки.
Амплитуда выходных импульсов усилителя с суммирующейцепочкой из 64 интерферометров составила порядка 0.2 мВ. Низкая амплитуда выходногосигнала объясняется присутствием указанного LC резонанса в интерферометрах цепочки, атакже малой величиной коэффициента индуктивной связи M / L1. Из-за отсутствия у цепочкиединого экрана индуктивность ячейки уширения L1 (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
