超導邏輯電路

超導邏輯電路即用超導器件完成的邏輯電路。超導計算機是其最重要的套用領域之一。1967年，J.Matisoo發表了約瑟夫遜結邏輯器件，這種器件具有高速低功耗的突出優點，以約瑟夫遜結作為有源元件構成的超導邏輯電路已有了很大發展並將日趨成熟。

基本介紹

• 中文名：超導邏輯電路
• 外文名：Superconducting logic circuit                    
• 學科：計算機科學與技術
• 類別：邏輯電路
• 器件：超導器件
• 起源：約瑟夫遜結邏輯器件的誕生

背景

1967年，J.Matisoo發表了約瑟夫遜結邏輯器件。由於這種器件具有高速低功耗的突出優點，因而吸引了人們對這類電路進行廣泛和深入的研究。以約瑟夫遜結作為有源元件構成的各種邏輯門、觸發器以及存貯器電路已有了很大發展並將日趨成熟。

超導邏輯電路即用超導器件完成的邏輯電路，超導計算機是其最重要的套用領域之一。1965年起，美國IBM公司開始探索在數字電路中採用的約瑟夫遜結。七十年代以來，特別是近幾年，採用約瑟夫遜結的超導計算機研究工作，有了很大發展，已進入了大規模集成階段。最早用於數字電路的超導器件是1965年Buok提出的冷子管，它的原理是利用金屬從超導態向正常態的轉變來執行邏輯功能的。這是一個相變過程，其時間數量級約為10個毫微秒。由於冷子管的開關速度慢，有較大功耗，沒有得到多大發展。在數字電路中採用約瑟夫遜器件的原理是利用器件從約瑟夫遜隧道效應（超導態）向正常電子隧道效應（電壓態）的轉變來起開關作用的。器件中沒有發生相的變化，而僅僅是隧道效應類型的變化。因此這個變化可以非常之快,變化時間主要決定於約瑟夫遜結的時問常數。

超導邏輯器件

約瑟夫遜結邏輯器件

其結構如圖1所示。它依靠外加磁場使結由零電壓態（超導態）轉變為電壓態。圖中超導體1與超導體2之間隔以氧化勢壘層構成約瑟夫遜隧道結。超導體3是控制線，它用比較厚的絕緣層與結電極隔開，其中流過的電流 所產生的磁場用以控制結的開關。若開始電源電流（亦叫門電流）小於結的臨界電流，則結處於零電壓態，當控制線上加上脈衝電流後便會產生一個平行結層的磁場，使結由超導態轉變到電壓態。

圖1

圖2是這種邏輯器件的臨界電流 與控制電流 的相依關係曲線，稱之為控制特性曲線或臨界特性曲線。曲線之上的區域代表結處於電壓態，曲線之下的區域，在多數情況下結處於零電壓態。

圖2

實驗觀測和理論分析表明，控制特性曲線形狀與結長L和約瑟夫遜穿透深度λ的比值有關，L/λ較小時， 是 的單值函式，L/λ較大時， 是 的多值函式。圖2（a）是相應L/λ=2的情況。圖2（b）是相應於L/λ=5的情況。圖中數碼N=0，1，-1，……，分別相應於穿過隧道結的磁通量為0個，1個，2個，……磁通量子。

用作邏輯單元的超導量子干涉器件

用超導電感將幾個約瑟夫遜結並聯起來即得到一種稱之為約瑟夫遜干涉儀的邏輯器件。圖3示出了這種邏輯器件的結構示意圖及其等效電路。

圖3

對稱雙結干涉儀的控制特性如圖4（a）所示。對於三結干涉儀，在三個結的臨界電流之比為1：2：1時，其控制特性如圖4（b）所示。若 的饋入位置是非對稱的（從一邊注入），則得到有傾斜的曲線（c）。圖中N=0、1、2、……，表示穿過干涉器件環孔中的磁通量為0、1、2、……個磁通量子。圖中曲線之下的區域為零電壓態，曲線之上的區域為電壓態。圖中（b）（c）兩個主包絡線中間的小包絡線，對應於兩個環路中一個磁通量子為零，另一個為一個磁通量子的狀態。在非對稱饋電的情形，小包絡線變大了，不論雙結或三結干涉儀，改變 ，都能改變包絡線間的間距。對於選用哪種控制一特性最為有利則完全取決子套用。基於上述原因，給這類器件套用於不同場合時帶來很大的靈活性。量子干涉儀邏輯器件比約瑟夫遜結邏輯器件具有磁場靈敏度高，電流增益大以及開關速度快，功耗低等優點，因而獲得了較大發展。

圖4

邏輯電路

下面是幾種常見的超導邏輯電路。作為衡量這些電路的重要標準，通常是增益高，功耗低，開關速度快，有足夠的設計容限，尺寸儘可能小，到最小傳輸線的阻抗要匹配，可靠性儘可能高。

磁禍合控制的邏輯電路

（1）約瑟夫遜結邏輯電路（JTL）

這種邏輯電路的基本結構如圖5（a）所示。它是以約瑟夫遜結邏輯器件構成的。由於邏輯電路一般有多個輸入端，所以控制線設定有多條（如圖中A、B、C）。電源通過阻抗為 的超導線對電路供電。輸出電路則由接在端點上的傳輸線構成，它們是特性阻抗先 的微帶線，端接匹配電阻 ；在開關過程中該傳輸線也作為下級門的控制線。這種連線形式允許任意的扇出，但是具有隨扇出增加的門延遲。根據結的動態特性和負載阻抗值的不同，這種邏輯電路具有鎖定和非鎖定兩種工作方式。

圖5

鎖定式JTL邏輯電路

約瑟夫遜結的伏-安特性如圖5（b），當負載電阻為 時，可在該圖上作出負載線，其斜率為（ ）。這裡負載線與結的單粒子隧道曲線相交於B點。若在t=0時刻，通過輸入門的電流由零變到I，結便處於零電壓態。當輸入門的任一控制線通以適當的控制電流時，根據圖5（c）的 到 曲線，結的臨界電流將下降到低於I，即從圖5（c）中a點移到b點。於是，輸入門從零電壓態轉換為電壓態 。圖5（b）中工作點由A沿負載線移到B；流入負載 的電流為 。如果匹配得好，使 ，則電流波前以最訣速度到達端接電阻 ；不然會產生反射，使開關速度降低。對於圖5（b）所示的負載線，當控制電流除去後，由於結的伏一安曲線的滯後特性，輸入門並不回到零電壓態。為使輸入門回到零電壓態，以便為下次邏輯操作做好準備，必須瞬時將門電流幾減小，使結電壓和結電流達到某個臨界值 ，在此臨界值下，結才自動回到零電壓態。這種工作方式，一般就稱之為鎖定式。

非鎖定式JTL邏輯電路

在上述鎖定式JTL邏輯電路中，在一個邏輯操作完成後，為了給下一次邏輯操作做好準備，門電流需要瞬時減小到 。這就要求電源是高頻脈衝式的。這時超導積體電路的設計製造帶來不少問題。為此有人研究了用直流電源工作的非鎖定式JTL邏輯電路。通過降低傳輸線和匹配負載的阻抗，或者通過採用小的非匹配負載阻抗（ 使之構成一個對門的電感性負載） ，可以實現非鎖定式JTL門邏輯功能。

（2）超導量子干涉儀邏輯電路

這是又一類磁耦合控制的邏輯電路,記為JIL。這種干涉儀的控制特性已於圖4所示,它與約瑟夫遜結的控制特性是很類似的。以它構成的邏輯電路也有鎖定式和非鎖定式兩種方式。

電流注入控制邏輯電路（CIL）

R·Gheewala提出了一個稱為電流注入邏輯的新型約瑟夫遜邏輯電路，它是把磁耦合的干涉器與新型的非線性注入門結合起來，從而得到了現今最快的約瑟夫邏輯電路，而且它具有較寬的工作範圍和較大的扇入扇出能力。對二輸入，四輸入或門和與門測得平均每門的延遲為30ps（對應於平均扇出等於4.5，平均扇入等於2.5）。實臉電路的平均功耗是6μw/每門。

這種電流注入控制邏輯是基於如下的思想，即通過驅動門的電流超過最大臨界值 時，結轉換到電壓態，圖6是雙結電流注入控制邏輯器件。為了達到較寬的注入電流容限，臨界電流需選擇滿足 。當兩個約瑟夫遜結的臨界電流的比值約等於3時，可得圖7所示的控制特性曲線。曲線以下的陰影部分為零電壓態，曲線以上的部分為電壓態。

圖6

圖7

CIL電路的主要特點：

①有高的過驅動：在CIL電路中，輸出電流對閡值電流的額定比是三，高的過驅動導致一個較快的開關速度。

②CIL電路中，在施加控制電流之前，門電流 已經建立，僅需要控制電流超過閾值電流 。因為電路的鎖定性質，不需要嚴格規定控制電流的最大幅值。這不僅改善了控制電流的工作範圍，也允許邏輯門以一個較大的過驅動工作。

③包括四輸入與門和或門的大扇入能力。這些電路能夠很容易的擴展到八輸入的或門和與門。

④扇出能力是並聯扇出能力加上約瑟夫遜邏輯電路的串聯扇出能力。