[科普中国]-超导逻辑电路

1967年，J.Matisoo发表了约瑟夫逊结逻辑器件。由于这种器件具有高速低功耗的突出优点，因而吸引了人们对这类电路进行广泛和深入的研究。以约瑟夫逊结作为有源元件构成的各种逻辑门、触发器以及存贮器电路已有了很大发展并将日趋成熟。

超导逻辑电路即用超导器件完成的逻辑电路，超导计算机是其最重要的应用领域之一。1965年起，美国IBM公司开始探索在数字电路中采用的约瑟夫逊结。七十年代以来，特别是近几年，采用约瑟夫逊结的超导计算机研究工作，有了很大发展，已进入了大规模集成阶段。最早用于数字电路的超导器件是1965年Buok提出的冷子管，它的原理是利用金属从超导态向正常态的转变来执行逻辑功能的。这是一个相变过程，其时间数量级约为10个毫微秒。由于冷子管的开关速度慢，有较大功耗，没有得到多大发展。在数字电路中采用约瑟夫逊器件的原理是利用器件从约瑟夫逊隧道效应（超导态）向正常电子隧道效应（电压态）的转变来起开关作用的。器件中没有发生相的变化，而仅仅是隧道效应类型的变化。因此这个变化可以非常之快,变化时间主要决定于约瑟夫逊结的时问常数。

其结构如图1所示。它依靠外加磁场使结由零电压态（超导态）转变为电压态。图中超导体1与超导体2之间隔以氧化势垒层构成约瑟夫逊隧道结。超导体3是控制线，它用比较厚的绝缘层与结电极隔开，其中流过的电流 所产生的磁场用以控制结的开关。若开始电源电流（亦叫门电流）小于结的临界电流，则结处于零电压态，当控制线上加上脉冲电流后便会产生一个平行结层的磁场，使结由超导态转变到电压态。

图1

图2是这种逻辑器件的临界电流 与控制电流 的相依关系曲线，称之为控制特性曲线或临界特性曲线。曲线之上的区域代表结处于电压态，曲线之下的区域，在多数情况下结处于零电压态。

图2

实验观测和理论分析表明，控制特性曲线形状与结长L和约瑟夫逊穿透深度λ的比值有关，L/λ较小时， 是 的单值函数，L/λ较大时， 是 的多值函数。图2（a）是相应L/λ=2的情况。图2（b）是相应于L/λ=5的情况。图中数码N=0，1，-1，……，分别相应于穿过隧道结的磁通量为0个，1个，2个，……磁通量子1。

用超导电感将几个约瑟夫逊结并联起来即得到一种称之为约瑟夫逊干涉仪的逻辑器件。图3示出了这种逻辑器件的结构示意图及其等效电路。

图3

对称双结干涉仪的控制特性如图4（a）所示。对于三结干涉仪，在三个结的临界电流之比为1：2：1时，其控制特性如图4（b）所示。若 的馈入位置是非对称的（从一边注入），则得到有倾斜的曲线（c）。图中N=0、1、2、……，表示穿过干涉器件环孔中的磁通量为0、1、2、……个磁通量子。图中曲线之下的区域为零电压态，曲线之上的区域为电压态。图中（b）（c）两个主包络线中间的小包络线，对应于两个环路中一个磁通量子为零，另一个为一个磁通量子的状态。在非对称馈电的情形，小包络线变大了，不论双结或三结干涉仪，改变 ，都能改变包络线间的间距。对于选用哪种控制一特性最为有利则完全取决子应用。基于上述原因，给这类器件应用于不同场合时带来很大的灵活性。量子干涉仪逻辑器件比约瑟夫逊结逻辑器件具有磁场灵敏度高，电流增益大以及开关速度快，功耗低等优点，因而获得了较大发展。

图4

下面是几种常见的超导逻辑电路。作为衡量这些电路的重要标准，通常是增益高，功耗低，开关速度快，有足够的设计容限，尺寸尽可能小，到最小传输线的阻抗要匹配，可靠性尽可能高。

（1）约瑟夫逊结逻辑电路（JTL）

这种逻辑电路的基本结构如图5（a）所示。它是以约瑟夫逊结逻辑器件构成的。由于逻辑电路一般有多个输入端，所以控制线设置有多条（如图中A、B、C）。电源通过阻抗为 的超导线对电路供电。输出电路则由接在端点上的传输线构成，它们是特性阻抗先 的微带线，端接匹配电阻 ；在开关过程中该传输线也作为下级门的控制线。这种连接形式允许任意的扇出，但是具有随扇出增加的门延迟。根据结的动态特性和负载阻抗值的不同，这种逻辑电路具有锁定和非锁定两种工作方式。

图5

锁定式JTL逻辑电路

约瑟夫逊结的伏-安特性如图5（b），当负载电阻为 时，可在该图上作出负载线，其斜率为（ ）。这里负载线与结的单粒子隧道曲线相交于B点。若在t=0时刻，通过输入门的电流由零变到I，结便处于零电压态。当输入门的任一控制线通以适当的控制电流时，根据图5（c）的 到 曲线，结的临界电流将下降到低于I，即从图5（c）中a点移到b点。于是，输入门从零电压态转换为电压态 。图5（b）中工作点由A沿负载线移到B；流入负载 的电流为 。如果匹配得好，使 ，则电流波前以最诀速度到达端接电阻 ；不然会产生反射，使开关速度降低。对于图5（b）所示的负载线，当控制电流除去后，由于结的伏一安曲线的滞后特性，输入门并不回到零电压态。为使输入门回到零电压态，以便为下次逻辑操作做好准备，必须瞬时将门电流几减小，使结电压和结电流达到某个临界值 ，在此临界值下，结才自动回到零电压态。这种工作方式，一般就称之为锁定式。

非锁定式JTL逻辑电路

在上述锁定式JTL逻辑电路中，在一个逻辑操作完成后，为了给下一次逻辑操作做好准备，门电流需要瞬时减小到 。这就要求电源是高频脉冲式的。这时超导集成电路的设计制造带来不少问题。为此有人研究了用直流电源工作的非锁定式JTL逻辑电路。通过降低传输线和匹配负载的阻抗，或者通过采用小的非匹配负载阻抗（ 使之构成一个对门的电感性负载） ，可以实现非锁定式JTL门逻辑功能。

（2）超导量子干涉仪逻辑电路

这是又一类磁耦合控制的逻辑电路,记为JIL。这种干涉仪的控制特性已于图4所示,它与约瑟夫逊结的控制特性是很类似的。以它构成的逻辑电路也有锁定式和非锁定式两种方式。

R·Gheewala提出了一个称为电流注入逻辑的新型约瑟夫逊逻辑电路，它是把磁耦合的干涉器与新型的非线性注入门结合起来，从而得到了现今最快的约瑟夫逻辑电路，而且它具有较宽的工作范围和较大的扇入扇出能力。对二输入，四输入或门和与门测得平均每门的延迟为30ps（对应于平均扇出等于4.5，平均扇入等于2.5）。实脸电路的平均功耗是6μw/每门。

这种电流注入控制逻辑是基于如下的思想，即通过驱动门的电流超过最大临界值 时，结转换到电压态，图6是双结电流注入控制逻辑器件。为了达到较宽的注入电流容限，临界电流需选择满足 。当两个约瑟夫逊结的临界电流的比值约等于3时，可得图7所示的控制特性曲线。曲线以下的阴影部分为零电压态，曲线以上的部分为电压态。

图6

图7

CIL电路的主要特点：

①有高的过驱动：在CIL电路中，输出电流对阂值电流的额定比是三，高的过驱动导致一个较快的开关速度。

②CIL电路中，在施加控制电流之前，门电流 已经建立，仅需要控制电流超过阈值电流 。因为电路的锁定性质，不需要严格规定控制电流的最大幅值。这不仅改善了控制电流的工作范围，也允许逻辑门以一个较大的过驱动工作。

③包括四输入与门和或门的大扇入能力。这些电路能够很容易的扩展到八输入的或门和与门。

④扇出能力是并联扇出能力加上约瑟夫逊逻辑电路的串联扇出能力2。