Диссертация (1104762), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Следует отметить, что в данной системе наблюдается не один пик с высокой линейностью, а три. Самой высокой линейностью характеризуется второй (средний) пик.Первый пик характеризуется линейностью сопоставимой с линейностью второгопика, однако он смещается в зависимости от амплитуды входного сигнала. Третий пик характеризуется низкой линейностью и наблюдается только при малыхамплитудах входного сигнала.
На рисунке 2.9в приведена характеристика линейности основного (центрального) пика от смещения по магнитному потоку, выраженному в относительных единицах. Следует отметить, что ширина пика посмещению больше ширины пика при нулевых индуктивностях (изображен на рисунке пунктиром).На рисунке 2.9г показана зависимость результирующей линейности в оптимальной точке ΦOp по магнитному смещению от амплитуды сигнала. Как виднопри сравнении с линейностью при конкретной амплитуде (пунктир), результирующая амплитуда при амплитуде входного сигнала меньше 55% ограничиваетсялинейностью при малых амплитудах входного сигнала (плато на характеристике результирующей линейности), в отличие от случая нулевых индуктивностей,когда результирующая линейность ограничивается линейностью при максимальной амплитуде рассматриваемого входного сигнала.
Такое поведение обусловленосмещением положения пика зависимости линейности от величины смещения приизменении амплитуды входного сигнала.2.3. Заключение к главе 2В настоящей главе были рассмотрены методы анализа линейности радиоэлектронных структур и методы оптимизации базовых ячеек сверхпроводящей квантовой решетки – дифференциальных квантовых ячеек.На основании предложенной аппроксимационной модели дифференциальнойквантовой ячейки можно сформулировать основной принцип, лежащий в основе такой ячейки: достижению высоколинейной функции отклика напряжения навнешний магнитный сигнал соответствует некая рабочая точка по смещению магнитного потока δΦ, в которой поправки высших порядков (выше второго) к функ-44ции отклика напряжения плеча ячейки становятся малыми, степень этой малостии определяет результирующую линейность.Линейность функции отклика напряжения на внешний магнитный поток дифференциальной квантовой ячейки с нулевыми индуктивностями связи (идеализированный случай) в оптимальной рабочей точке смещения по магнитному потокудостигает значений выше 100 дБ, однако даже при малом отклонении смещенияот рабочей точки линейность резко падает.
Уменьшить влияние точности задания рабочей точки позволяет применение структур с нерегулярными площадямиячеек плеча дифференциальной квантовой структуры – СКИФ-структур.Кардинальным отличием дифференциальной ячейки с конечными индуктивностями является ограниченный «радиус взаимодействия» – влияние каждого перехода на другие зависит от суммарной индуктивности между ними и неодинаково для различных участков отклика напряжения. Линейность дифференциальнойквантовой ячейки при токе смещения равном критическому току в таком случаеоказывается меньше линейности при нулевых индуктивностях.
Тем не менее, увеличение тока смещения до величины на 4% − 6% выше критического позволяетдостичь линейности выше 100 дБ. При этом необходимая точность задания рабочей точки оказывается меньше, чем для идеализированного случая. В случаемалого влияния «размерных» эффектов, применение СКИФ-структур вместо регулярной цепочки не имеет преимуществ перед обычной цепочкой параллельныхпереходов. При равнозначных параметрах предпочтителен выбор параллельнойцепочки, так как использование неравномерного распределения потока по технологическим причинам уменьшает общий поток, задаваемый в систему.Необходимо отметить, что высокая линейность преобразования магнитногосигнала в напряжение (порядка 100 дБ и выше), достигается при практически реализуемых параметрах ячеек и диапазонах токового и магнитного смещения ячеек.Таким образом, можно сказать, что дифференциальная квантовая ячейка позволяет достичь высокой линейности функции отклика напряжения на внешнеемагнитное поле путем выбора строго определенных параметров, характеризующих рабочую точку устройства.
Высоколинейные свойства такой ячейки позволяют использовать ее в качестве базового элемента сверхпроводящей квантовойрешетки.45Глава 3. Сопряжение сверхпроводящих квантовых решеток3.1. Изучение влияния нагрузки на дифференциальные квантовые ячейкиКлючевым требованием предъявляемым к квантовой ячейке, к СКР на основе таких ячеек и активным электрически малым антеннам является высокая линейность отклика напряжения квантовой ячейки. Поэтому для компенсации негативного влияния нагрузки на линейность отклика напряжения квантовой ячейкинеобходимо знать характер и степень влияния нагрузки.На рисунке 3.1 схематически показана дифференциальная ячейка с подключенной нагрузкой Re .
Квантовая ячейка является двухполюсником, управляемыммагнитным сигналом (в этом смысле – трехполюсником, как полевой транзистор,управляемый электрическим полем), поэтому напряжение, являющееся выходным сигналом ячейки, снимается с тех же полюсов, к которым подключается токсмещения. В силу этого, отдаваемый в нагрузку ток (пропорциональный выходному напряжению V ) – это часть приложенного к ячейке тока смещения. Такоединамическое изменение тока смещения даже при небольшой величине отбираемого в нагрузку тока, может приводить к заметному ухудшению линейности отклика ячейки.Токи смещения правого и левого плеч ячейки IR и IL изменяются с изменениемвыходного напряжения V при подключении резистивной нагрузки в противофазе:IR = Ib − V /Re ,IL = Ib + V /Re ,(3.1)Ток смещения каждого из плеч ячейки уменьшается тогда, когда напряжениеотклика этого плеча далеко от своего острого пика и изменяется очень медленновблизи значения V ≈ RN IR,L ≈ VC (см.
рис. 2.2в), поэтому небольшое уменьше-Рисунок 3.1 – Квантовая дифференциальная ячейка с подключенной нагрузкой Re . A1 и A2 – плечи ячейки (параллельные цепочки джозефсоновских элементов), Ib – ток смещения.46ние тока смещения плеча минимально влияет на его отклик напряжения. В то жевремя, увеличение тока смещения плеча ячейки происходит в тот момент, когдаотклик напряжения плеча быстро изменяется, приближаясь к своему пиковомузначению, которое очень чувствительно к току смещения. Поэтому даже небольшое увеличение тока смещения сильно изменяет отклик, уменьшая высоту егопика. Вследствие этого негативное влияние нагрузки можно в значительной степени скомпенсировать, уменьшая ток смещения Ib примерно на такую же величину, на которую он возрастает на границе линейной части отклика под влияниемнагрузки.На первом этапе исследования было проведено подробное изучение влияниянагрузки на вид отклика и его линейность в случае идеализированной дифференциальной ячейки в пределе нулевых индуктивностей связи джозефсоновских элементов в плечах ячейки (параллельных цепочках) и возможности компенсацииэтого влияния.
На рисунке 3.2а показаны отклики ненагруженной дифференциальной ячейки при оптимальном токе смещения и нагруженной на резистивныйимпеданс, равный 100RN и 10RN . Видно, что чем меньше импеданс нагрузки,тем больше изменяется отклик напряжения и ухудшается его линейность. В то жевремя, рис. 3.2б показывает, что уменьшение тока смещения ячейки позволяет взначительной степени скомпенсировать негативное влияние нагрузки, восстанавливая линейность отклика. Достаточно высокая компенсация возможна в пределах уменьшения импеданса нагрузки до значений (20 . . . 15)RN .На следующем этапе исследований было проведено изучение влияния нагрузки на форму и линейность отклика практической квантовой дифференциальнойячейки при небольших, но реально достижимых значениях нормированных индуктивностей связи l = (0,3 . . . 0,8) джозефсоновских элементов в плечах ячейки.На рисунке 3.3а показаны рассчитанные численно отклики напряжения практической дифференциальной ячейки, каждое плечо которой содержит 10 джозефсоновских элементов с нормированной величиной индуктивностей связи этих элементов l = 0,5.
В ненагруженном состоянии отклик ячейки при «критическом»токе смещения Ib = IC (оптимальном для идеализированной ячейки) имеет сильно нелинейные участки на своих краях (кривая 1). Это является следствием того, что отклик практической параллельной цепочки (плеча ячейки) вблизи своегопика при таком смещении выпадает из области параболической аппроксимации.Однако, небольшое увеличении тока смещения до значения Ib = 1,06IC позволяет471,20,4Reee0,8== 100 R= 10 RNNI= II= 0,9263IBcRcDV/VRDV/V0,81,20,40,00,0-0,4-0,4BCCN=20-0,8N=20-0,8l=0l=0I =IB-1,2-0,6-0,4-0,20,00,20,4/(а)R =10RCe0,6-1,2-0,6-0,4-0,20,00,20,4/0N0,60(б)Рисунок 3.2 – (а) Отклик напряжения DV идеализированной квантовой дифференциальной ячейки (СКР на основе таких ячеек) в пределе пренебрежимо малых индуктивностейсвязи джозефсоновских элементов l при различном импедансе нагрузки Re в единицах нормального сопротивления плеч ячейки (плеч СКР) и токе смещения Ib = IC ,оптимальном для ненагруженной ячейки.
(б) Отклик ячейки, нагруженной на резистивный импеданс Re = 10RN , при токе смещения Ib = IC и уменьшенном токеIb = 0,93IC , позволяющим, в значительной степени, компенсировать негативноевлияние нагрузки на линейность отклика квантовой ячейки.изменить этот участок отклика цепочки в нужную сторону, в результате чего отклик дифференциальной ячейки становится максимально близким к линейному(кривая 2). Подключение резистивной нагрузки изменяет вид отклика и значительно ухудшает его линейность (кривая 3).
Это изменение очень близко к тому,которое наблюдается для отклика ненагруженной ячейки при дальнейшем увеличении тока смещения выше найденного оптимального значения Ib = 1,06IC . Поэтому уменьшение тока смещения нагруженной ячейки позволяет в значительнойстепени скомпенсировать влияние нагрузки и получить отклик, близкий к отклику, показанному кривой 2. Как указывалось при обсуждении идеализированнойдифференциальной ячейки, достаточно высокая компенсация негативного влияния нагрузки возможна в пределах уменьшения импеданса нагрузки до значений(20 . .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
