Диссертация (1104762), страница 9
Текст из файла (страница 9)
. 15)RN .На рисунке 3.3б показана зависимость линейности выходного сигнала (напряжения) практической дифференциальной ячейки, каждое плечо которой содержитN = 20 джозефсоновских элементов с индуктивностями связи l = 0,5, от амплитуды сигнала в ненагруженном состоянии при оптимальном токе смещения(кривая 1) и нагруженном состоянии (импеданс нагрузки 20RN ) при том же токесмещения (кривая 2) и уменьшенной величине тока смещения до нового оптимального значения. В таблице 3.1 приведены данные, отражающие влияние ве-481,0(3) I(1) Ibb/ I/ I/ Iccc= 1.06, R/ R= 1.06, R=ee= 1,ReN100= 10180=3,, DV/ Vc(2) I0,5b600,023240(1)-0,5120N=10l=0.5-1,0-0,18/ I= 1.04(2),IR= 20R ,I/ I= 1.04(3)R= 20R ,I/ I1.00bceennbbcc0-0,12-0,060,000,06,(а)/[00,120,180,10,20,30,4(N-1)]0,50,60,7/0,8Max(б)Рисунок 3.3 – (а) Отклик напряжения практической квантовой дифференциальной ячейки, каждоеплечо которой содержит 10 джозефсоновских элементов с нормированной величиной индуктивностей связи этих элементов l = 0,5, без нагрузки при «критическом»токе смещения Ib = IC и оптимальном смещении Ib = 1,06IC , а также нагруженнойна резистивный импеданс Re = 10RN при том же токе смещения Ib = 1,06IC , гдеRN нормальное сопротивление плеча ячейки.
Уменьшение тока смещения позволяет в значительной степени скомпенсировать влияние нагрузки и получить линейный отклик близкий к отклику, показанному кривой 2. (б) Зависимость линейностивыходного сигнала (напряжения) практической дифференциальной ячейки с нормированной индуктивностью связи l = 0,5 из N = 20 джозефсоновских элементов вкаждом плече ячейки от амплитуды сигнала в ненагруженном состоянии при оптимальном токе смещения и нагруженном состоянии (импеданс нагрузки 20RN ) притом же токе смещения и уменьшенной величине тока смещения до нового оптимального значения.личины импеданса нагрузки на линейность характеристик квантовой ячейки и,следовательно, СКР на основе таких ячеек.3.2.Разработка технических решений согласования активных устройствна основе СКР с антенно-волноводным трактом и устройствамиоцифровки сигналовСверхпроводящая квантовая решетка (СКР) так же, как и каждая из ее квантовых ячеек, является активным двухполюсником (трехполюсником).
Для того,чтобы уменьшить величину динамического изменения тока питания решетки, вызванного утекающим в нагрузку током, и, тем самым, сохранить достигнутую линейность характеристик СКР, необходимо, чтобы импеданс нагрузки был достаточно большим по сравнению с импедансом решетки. Это условие сопряжениярассматриваемого устройства активного типа с нагрузкой диаметрально противоположно стандартному условию согласования пассивного устройства, например49Таблица 3.1. Зависимость линейности отклика напряжения практической ячейки, каждое плечокоторой содержит 10 джозефсоновских элементов с индуктивностями связи l = 0,5,от импеданса нагрузки без коррекции тока (Lin_A ) и с коррекцией тока (Lin_B), атакже величина оптимального тока смещения Ib в зависимости от величины нагрузкиRe .Re /RNLin_A, дБLin_B, дБIb /IC∞1005020159565595450–908887841,06 1.055 1,05 1,04 1,025пассивной антенны, с нагрузкой – равенству импедансов устройства и нагрузки.
При использовании активного устройства отдаваемая в нагрузку мощностьобеспечивается источником тока питания. Например, обычная электрически малая антенна (ЭМА) отдает в нагрузку часть той мощности (близкую к половинепри согласованном подключении), которую она способна получить от падающейэлектромагнитной волны. Активная ЭМА способна отдавать в нагрузку бо́льшуюмощность, забирая ее у источника тока питания, и эта мощность несравнимо больше той мощности, которая могла быть получена пассивной антенной такого жеразмера от падающей волны.В силу того, что квантовые ячейки сверхпроводящей квантовой решетки независимы друг от друга и идентичны (с точностью до небольшого технологическогоразброса), линейность преобразования такой решеткой потока магнитной компоненты электромагнитного сигнала в выходное напряжение определяется линейностью отклика напряжения используемых квантовых ячеек, анализ характеристик которых представлен в предыдущем разделе.
Таким образом, основываясьна результатах изучения влияния нагрузки на отклик напряжения квантовой ячейки, можно утверждать, что при величинах импеданса нагрузки Re , превышающихнормальное сопротивление RN A решетки как двухполюсника в 10 . . . 15 раз и выше (так как рештка состоит из двух последовательно соединенных плеч), негативное влияние нагрузки на линейность характеристик решетки можно почти полностью скомпенсировать через уменьшение тока смещения Ib квантовых ячеек решетки.Для достижения требуемых значений амплитуды выходного сигнала, импеданса решетки и динамического диапазона в структуре электрического соединения ячеек решетки должны присутствовать и параллельные, и последовательныесоединения элементов. Без потери общности, структура СКР может быть пред-50Рисунок 3.4 – Схематическое изображение нагруженной СКР, состоящей из NP параллельно соединенных блоков “B”, каждый их которых состоит из NS последовательно соединенных дифференциальных квантовых ячеек.
B1 , B2 , …, BNP – плечи блоков“B” (последовательно соединенные плечи дифференциальных квантовых ячеек).L1 , L2 , . . . LNP – индуктивности соединения.ставлена как параллельное соединение NP одинаковых блоков, каждый из которых состоит из NS последовательно соединенных квантовых ячеек. Такая структура на основе дифференциальных квантовых ячеек показана схематически нарис. 3.4 В этом случае нормальное сопротивление СКР можно выразить черезнормальное сопротивление одной ячейки RN 1 следующим образом:RN A = RN 1 · NS /NP(3.2)и отношение NS /NP должно удовлетворять условию:Re> 10 . .
. 15.RN 1 · NS /NP(3.3)В то же время, общее число ячеек NA = NP NS определяет динамический диапазон, достижимый для устройства на основе СКР:√DR = DR1 NA ,(3.4)где DR1 – динамический диапазон одной ячейки.Под блоками “B” могут подразумеваться не только группы ячеек (последовательно соединенных) в пределах одного чипа, но и группы ячеек на разных чипах.Для того чтобы параллельное сопротивление таких блоков приводило не только куменьшению импеданса СКР, но и давало увеличение динамического диапазона√СКР как NP , то есть, чтобы выполнялась формула (3.4) для динамического диа-51пазона такой решетки, импеданс индуктивностей ΩL соединения блоков “B” (индуктивности L1 , L2 , .
. . LNP на рис. 3.4) на сигнальной частоте должен быть многоменьше, чем импеданс блоков (нормальное сопротивление). Это проще выполнить для блоков с большим количеством последовательно включенных квантовыхячеек.Динамический диапазон DR1 дифференциальной квантовой ячейки определяется параметрами используемых джозефсоновских переходов и ихколичеством N в каждой из параллельных цепочек – плечах дифференциальнойячейки. Полный размах отклика напряжения дифференциальной ячейки, как описано в главе 2, составляет ∼ 1,4VC , где VC = IC RN – характерное напряжениеджозефсоновских переходов (с критическим током IC и нормальным сопротивлением RN ), и, следовательно, максимальная амплитуда выходного сигнала ячейкиVmax может достигать величины ∼ 0,7VC . Минимальная амплитуда напряжениявыходного сигнала не может быть меньше среднеквадратичной величины напряжения тепловых флуктуаций выходного напряжения дифференциальной ячейкиVF 1 .
Флуктуации в джозефсоновских переходах могут быть описаны по методуЛанжевена через подключение к нешумящим резисторам RN (нормальное сопротивление джозефсоновского элемента) источников флуктуационного тока. В случае тепловых флуктуаций подключением источника δ-коррелированного флуктуационного тока со спектральной плотностью SI (F ) = 4kB T /RN (определеннойв области только положительных частот).
В силу независимости флуктуаций вплечах дифференциальной ячейки, а также независимости флуктуаций в N джозефсоновских переходах параллельной цепочки (плеча ячейки), полагая, что в рабочей точке (средняя точка дифференциального отклика) дифференциальное сопротивление Rd ≈ RN , можно записать спектральную плотность флуктуаций напряжения на дифференциальной ячейке:SV 1 = 2 · N (4kB T /RN ) · (RN /N )2 = 8kB T · RN /N.(3.5)Поэтому для полосы частот ∆F динамический диапазон одной квантовой ячейки(в децибелах):()√DR1 = 20log (0,7 · VC /VF 1 ) = 20log IC RN /2 2kB T (RN /N )∆F .(3.6)В рамках стандартной ниобиевой технологии с плотностью критического то-52ка джозефсоновских элементов jc = 4,5 кА/см2 используются шунтирование туннельных переходов для уменьшения величины параметра Маккамбера до значения β ≈ 0,2, при котором влияние емкости пренебрежимо малым.
Полагая критический ток перехода IC=125 мкА и нормальное сопротивлениеRN ≈ (1,2 . . . 1,6) Ом при числе джозефсоновских переходов в каждом плечеN = 20 . . . 40, получаем оценку достижимой величины динамического диапазонадифференциальной квантовой ячейки на уровне равном или близком к 60 дБ.Последовательность выбора параметров квантовых ячеек, конфигурации СКРна одном чипе или нескольких чипах должна быть следующей.— Выбирается технология изготовления СКР с определенной плотностью критического тока jc джозефсоновских структур и номинальной величиной критического тока IC1 джозефсоновских элементов.— В рамках выбранной технологии определяется требуемая величина резистивного шунтирования туннельных джозефсоновских переходов для уменьшенияемкостного параметра Маккамбера, по крайней мере, до значения β≈0,2.
Величина резистивного шунта будет являться нормальным сопротивлением RN 1джозефсоновского элемента, произведение IC1 · RN 1 ≡ VC – характерным напряжением используемых джозефсоновских элементов.— Выбирается число N джозефсоновских элементов в плече (параллельной цепочке) дифференциальной квантовой ячейки (не менее 10 . . . 15), определяются топология и размер квантовой ячейки (зависящие от выбранного числа N ),исходя из требуемых параметров квантовой ячейки: динамический диапазонDR1, импеданс (нормальное сопротивление) и площадь ячейки.— Определяется число квантовых ячеек в СКР для достижения необходимого динамического диапазона, исходя из величины динамического диапазона однойячейки.— Определяется общая конфигурация СКР, то есть число последовательно включенных ячеек в блоке “B” и число таких блоков, включенных параллельно, исходя из импеданса одной ячейки и величины импеданса подключаемой к СКРнагрузки.Все СКР-устройства, в том числе активные ЭМА на основе СКР, требуют достаточно высокого импеданса нагрузки (большого импеданса волноводного тракта).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
