专利名称：一种电阻性超导异步双线逻辑与门电路的制作方法
技术领域：
本实用新型属于超导数字电路技术领域，涉及一种用于超导RSFQ(快速单磁通量 子)数字集成电路中的电阻性异步双线(Dual-Rail)逻辑与门电路结构。
背景技术：
里哈耶夫(K. K. Likharev)、马哈诺夫(0. A. Mukhanov)和赛门诺夫(V. K. Semenov) 在1985年提出了基于约瑟夫森结的逻辑电路技术，即超导快速单磁通量子(Rapid Single Flux Quantum)技术。 约瑟夫森结是由两个超导体间的弱连接(通常为隧道结)组成的。这种结可以在 皮秒量级的时间间隔上在超导态和一般态之间转换。在转换过程中会在结间产生伴随单磁 通量子的电压脉冲。快速单磁通量子数字电路技术就是用单磁通量子电压脉冲来表示数字 信息。 传统的方式如图1(a)所示，在电路中时钟线的两个电压脉冲间隙之间，信号线 上如果有电压脉冲输入，则表示信号"1"，如果没有，则表示信号"0"。这种同步方式的电 路对于输入延迟特别敏感，对于时钟频率上百GHz的超导集成电路尤其如此。昌平前泽 (M. Maezawa)等人在1996年提出了双线结构的快速单磁通量子数字电路技术，如图1 (b)所 示，双线结构由两个信号线(分别表示信号"1"和信号"0")组成，不需要单独的时钟信号。 双线结构解决了传统快速单磁通量子数字电路的时钟同步困难、对时钟抖动和偏移等敏感 问题。但其对于现有的约瑟夫森结超导电路制作工艺来说，又有着结数过多和布线困难的 问题。因此需要一种对于延迟不敏感，而又具有较少结数和布线容易的电路。
发明内容本实用新型的主要目的是在于提供一种可用于超导快速单磁通量子双线结构的
与门电路，减少其使用的约瑟夫森结的数量并且使布线更加简单方便。 本实用新型的解决技术问题的具体方案是 第一连接电感L1的一端为第一输入端，第一连接电感Ll的另一端、第二连接电感 L2的一端与第一约瑟夫森结Jl的一端连接，第一约瑟夫森结Jl的另一端接地；第二连接 电感L2的另一端、第三连接电感L3的一端与第一电流源II的输出端连接，第一电流源II 的接地端接地；第三连接电感L3的另一端、第一磁通保存电感L18的一端与第二约瑟夫森 结J2的一端连接，第二约瑟夫森结J2的另一端接地；第一磁通保存电感L18的另一端与第 三约瑟夫森结J3的一端连接； 第四连接电感L4的一端为第二输入端，第四连接电感L4的另一端、第五连接电感 L5的一端与第四约瑟夫森结J4的一端连接，第四约瑟夫森结J4的另一端接地；第五连接 电感L5的另一端、第六连接电感L6的一端与第二电流源12的输出端连接，第二电流源12 的接地端接地；第六连接电感L6的另一端、第二磁通保存电感L19的一端与第五约瑟夫森 结J5的一端连接，第五约瑟夫森结J5的另一端接地；第二磁通保存电感L19的另一端与第六约瑟夫森结J6的一端连接； 第三约瑟夫森结J3的另一端、第六约瑟夫森结J6的另一端、第三电流源13的输 出端、第七约瑟夫森结J7的一端与第七连接电感L7的一端连接；第七约瑟夫森结J7的另 一端与第十五连接电感L15的一端连接，第三电流源13的接地端接地，第七连接电感L7的 另一端与扼流电阻R的一端连接，扼流电阻R的另一端、第四电流源I4的输出端、第八连接 电感L8的一端与第八约瑟夫森结J8的一端连接，第四电流源14的接地端接地，第八约瑟 夫森结J8的另一端接地，第八连接电感L8的另一端为第一输出端； 第九连接电感L9的一端为第三输入端，第九连接电感L9的另一端、第十连接电感 L10的一端与第九约瑟夫森结J9的一端连接，第九约瑟夫森结J9的另一端接地；第十连接 电感L10的另一端、第五电流源15的输出端与第十一连接电感Lll的一端连接，第五电流 源15的接地端接地，第十一连接电感Lll的另一端、第三磁通保存电感L20的一端与第十 约瑟夫森结J10的一端连接，第十约瑟夫森结J10的另一端接地；第三磁通保存电感L20的 另一端与第十一约瑟夫森结Jll的一端连接； 第十二连接电感L12的一端为第四输入端，第十二连接电感L12的另一端、第十三 连接电感L13的一端与第十二约瑟夫森结J12的一端连接，第十二约瑟夫森结J12的另一 端接地；第十三连接电感L13的另一端、第十四连接电感L14的一端与第六电流源16的输 出端连接，第六电流源16的接地端接地；第十四连接电感L14的另一端、第四磁通保存电感 L21的一端与第十三约瑟夫森结J13的一端连接，第十三约瑟夫森结J13的另一端接地，第 四磁通保存电感L21的另一端与第十四约瑟夫森结J14的一端连接； 第十一约瑟夫森结Jll的另一端、第十四约瑟夫森结J14的另一端、第十五约瑟 夫森结J15的一端、第七电流源17的输出端、第十五连接电感L15的另一端与第十六连接 电感L16的一端连接；第七电流源17的接地端接地，第十五约瑟夫森结的另一端接地；第 十六连接电感L16的另一端、第八电流源18的输出端、第十七连接电感L17的一端与第 十六约瑟夫森结J16的一端连接，第八电流源18的接地端接地，第十六约瑟夫森结的另一 端接地，第十七连接电感L17的另一端为第二输出端。 本实用新型相比已有技术的与门电路所需约瑟夫森结的数量更少，信号传输的时 间延迟更小。本实用新型电路采取的顺序结构使得布线更加简单方便。
图1(a)、图l(b)为约瑟夫森逻辑电路同步和双线定时方式图； 图2为本实用新型电路具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步的说明。 如图2所示，第一连接电感Ll的一端为第一输入端Al，第一连接电感Ll的另一 端、第二连接电感L2的一端与第一约瑟夫森结Jl的一端连接，第一约瑟夫森结Jl的另一 端接地；第二连接电感L2的另一端、第三连接电感L3的一端与第一电流源II的输出端连 接，第一电流源II的接地端接地；第三连接电感L3的另一端、第一磁通保存电感L18的一 端与第二约瑟夫森结J2的一端连接，第二约瑟夫森结J2的另一端接地；第一磁通保存电感L18的另一端与第三约瑟夫森结J3的一端连接； 第四连接电感L4的一端为第二输入端B1，第四连接电感L4的另一端、第五连接电 感L5的一端与第四约瑟夫森结J4的一端连接，第四约瑟夫森结J4的另一端接地；第五连 接电感L5的另一端、第六连接电感L6的一端与第二电流源12的输出端连接，第二电流源 12的接地端接地；第六连接电感L6的另一端、第二磁通保存电感L19的一端与第五约瑟夫 森结J5的一端连接，第五约瑟夫森结J5的另一端接地；第二磁通保存电感L19的另一端与 第六约瑟夫森结J6的一端连接； 第三约瑟夫森结J3的另一端、第六约瑟夫森结J6的另一端、第三电流源13的输 出端、第七约瑟夫森结J7的一端与第七连接电感L7的一端连接，第七约瑟夫森结J7的另 一端与第十五连接电感L15的一端连接，第三电流源13的接地端接地，第七连接电感L7的 另一端与扼流电阻R的一端连接，扼流电阻R的另一端、第四电流源I4的输出端、第八连接 电感L8的一端与第八约瑟夫森结J8的一端连接，第四电流源14的接地端接地，第八约瑟 夫森结J8的另一端接地，第八连接电感L8的另一端为第一输出端AB。 第九连接电感L9的一端为第三输入端A0，第九连接电感L9的另一端、第十连接电 感LIO的一端与第九约瑟夫森结J9的一端连接，第九约瑟夫森结J9的另一端接地；第十连 接电感LIO的另一端、第五电流源15的输出端与第十一连接电感Lll的一端连接，第五电 流源15的接地端接地，第十一连接电感Lll的另一端、第三磁通保存电感L20的一端与第 十约瑟夫森结J10的一端连接，第十约瑟夫森结J10的另一端接地；第三磁通保存电感L20 的另一端与第十一约瑟夫森结Jll的一端连接； 第十二连接电感L12的一端为第四输入端BO，第十二连接电感L12的另一端、第 十三连接电感L13的一端与第十二约瑟夫森结J12的一端连接，第十二约瑟夫森结J12的 另一端接地；第十三连接电感L13的另一端、第十四连接电感L14的一端与第六电流源16 的输出端连接，第六电流源I6的接地端接地滞十四连接电感L14的另一端、第四磁通保存 电感L21的一端与第十三约瑟夫森结J13的一端连接，第十三约瑟夫森结J13的另一端接 地，第四磁通保存电感L21的另一端与第十四约瑟夫森结J14的一端连接； 第十一约瑟夫森结J11的另一端、第十四约瑟夫森结J14的另一端、第十五约瑟夫 森结J15的一端、第七电流源17的输出端、第十五连接电感L15的另一端与第十六连接电 感L16的一端连接，第七电流源17的接地端接地，第十五约瑟夫森结的另一端接地；第十六 连接电感L16的另一端、第八电流源18的输出端、第十七连接电感L17的一端与第十六约 瑟夫森结J16的一端连接，第八电流源18的接地端接地，第十六约瑟夫森结的另一端接地， 第十七连接电感L17的另一端为第二输出端丽。 该电路包含四个约瑟夫森量子干涉器，分别为第一约瑟夫森量子干涉器(由J2、 L18、J3、J7、L15、J15组成)、第二约瑟夫森量子干涉器(由J5、L19、 J6、 J7、L15、 J15组成)、 第三约瑟夫森量子干涉器(由J10、L20、J11、J15组成)、第四约瑟夫森量子干涉器(由J13、 L21、 J14、 J15组成)。第七约瑟夫森结J7和第十五约瑟夫森结J15为第一输入端Al和第 二输入端Bl连接的第一约瑟夫森量子干涉器和第二约瑟夫森量子干涉器共用的两个串联 的约瑟夫森结，第十五约瑟夫森结J15是第一、第二、第三、第四约瑟夫森量子干涉器共用 的约瑟夫森结。当第一输入端Al和第二输入端Bl分别有一个电压脉冲输入，分别造成第 一约瑟夫森结Jl和第四约瑟夫森结J4翻转时，第二约瑟夫森结J2和第五约瑟夫森结J5分别翻转，此时第一约瑟夫森量子干涉器和第二约瑟夫森量子干涉器的电流之和大于其共 用的第七约瑟夫森结J7的临界电流，第七约瑟夫森结J7翻转，从而第八约瑟夫森结J8翻 转，第一输出端AB输出一个电压脉冲信号。当第三输入端AO和第四输入端BO分别由一个 电压脉冲输入，分别造成第九约瑟夫森结J9和第十二约瑟夫森结J12翻转时，第十约瑟夫 森结J10和第十三约瑟夫森结J13分别翻转，此时第三约瑟夫森量子干涉器和第四约瑟夫 森量子干涉器的电流之和大于其共用的第十五约瑟夫森结的临界电流，第十五约瑟夫森结 J15翻转，从而第十六约瑟夫森结J16翻转第二输出端M输出一个电压脉冲。第一输入端 Al和第四输入端B0分别有电压脉冲输入或者第二输入端Bl和第三输入端A0分别有电压 脉冲输入，分别造成第一约瑟夫森结Jl和第十二约瑟夫森结J12翻转，或者分别造成第四 约瑟夫森结J4和第九约瑟夫森结J9翻转时，第二约瑟夫森结J2和第十三约瑟夫森结J13 分别翻转，或者第五约瑟夫森结J5和第十约瑟夫森结J10分别翻转，此时第一约瑟夫森量 子干涉器和第四约瑟夫森量子干涉器的电流之和或者第二约瑟夫森量子干涉器和第三约 瑟夫森量子干涉器的电流之和大于第十五约瑟夫森结J15的临界电流，第十五约瑟夫森结 J15翻转，从而第十六约瑟夫森结J16翻转，第二输出端丽输出一个电压脉冲，从而实现与 门的功能。 扼流电阻R是用来在第一输入端Al 、第四输入端B0分别有电压脉冲信号输入或者 第二输入端Bl、第三输入端A0分别有电压脉冲输入，第十五约瑟夫森结J15翻转后在电路 中残留的环路电流。 由于约瑟夫森量子干涉器可以在一端约瑟夫森结翻转后在其中保持一个持续的 电流，因此任意两个电压脉冲输入可以不用同时到达，而且不分先后，这样就保证了该电路 工作在异步状态。 该电路各器件参数的一组典型值为第一连接电感L1值为2皮亨，第二连接电感 L2值为1皮亨，第三连接电感L3值为1皮亨，第四连接电感L4值为2皮亨，第五连接电感 L5值为1皮亨，第六连接电感L6值为1皮亨，第七连接电感L7值为2皮亨，第八连接电感 L8值为2皮亨，第九连接电感L9值为2皮亨，第十连接电感L10值为1皮亨，第十一连接电 感Lll值为1皮亨，第十二连接电感L12值为2皮亨，第十三连接电感L13值为1皮亨，第 十四连接电感L14值为1皮亨，第十五连接电感L15值为1皮亨，第十六连接电感L16值为 6皮亨，第十七连接电感L17值为2皮亨；第一磁通保存电感L18值为9. 4皮亨，第二磁通保 存电感L19值为9. 4皮亨，第三磁通保存电感L20值为9. 4皮亨，第四磁通保存电感L21值 为9. 4皮亨；扼流电阻R值为1. 8欧姆；第一约瑟夫森结Jl的临界电流值为250微安，第二 约瑟夫森结J2的临界电流值为250微安，第三约瑟夫森结J3的临界电流值为125微安，第 四约瑟夫森结J4的临界电流值为250微安，第五约瑟夫森结J5的临界电流值为250微安， 第六约瑟夫森结J6的临界电流值为125微安，第七约瑟夫森结J7的临界电流值为132微 安，第八约瑟夫森结J8的临界电流值为213微安，第九约瑟夫森结J9的临界电流值为250 微安，第十约瑟夫森结J10的临界电流值为250微安，第十一约瑟夫森结J11的临界电流值 为125微安，第十二约瑟夫森结J12的临界电流值为250微安，第十三约瑟夫森结J13的临 界电流值为250微安，第十四约瑟夫森结J14的临界电流值为125微安，第十五约瑟夫森结 J15的临界电流值为200微安，第十六约瑟夫森结J16的临界电流值为275微安；第一电流 源II的值为230微安，第二电流源12的值为230微安，第三电流源13的值为55微安，第四电流源14的值为270微安，第五电流源15的值为230微安，第六电流源16的值为230 微安，第七电流源17的值为145微安，第八电流源18的值为168微安。
权利要求一种电阻性超导异步双线逻辑与门电路，其特征在于第一连接电感L1的一端为第一输入端，第一连接电感L1的另一端、第二连接电感L2的一端与第一约瑟夫森结J1的一端连接，第一约瑟夫森结J1的另一端接地；第二连接电感L2的另一端、第三连接电感L3的一端与第一电流源I1的输出端连接，第一电流源I1的接地端接地；第三连接电感L3的另一端、第一磁通保存电感L18的一端与第二约瑟夫森结J2的一端连接，第二约瑟夫森结J2的另一端接地；第一磁通保存电感L18的另一端与第三约瑟夫森结J3的一端连接；第四连接电感L4的一端为第二输入端，第四连接电感L4的另一端、第五连接电感L5的一端与第四约瑟夫森结J4的一端连接，第四约瑟夫森结J4的另一端接地；第五连接电感L5的另一端、第六连接电感L6的一端与第二电流源I2的输出端连接，第二电流源I2的接地端接地；第六连接电感L6的另一端、第二磁通保存电感L19的一端与第五约瑟夫森结J5的一端连接，第五约瑟夫森结J5的另一端接地；第二磁通保存电感L19的另一端与第六约瑟夫森结J6的一端连接；第三约瑟夫森结J3的另一端、第六约瑟夫森结J6的另一端、第三电流源I3的输出端、第七约瑟夫森结J7的一端与第七连接电感L7的一端连接；第七约瑟夫森结J7的另一端与第十五连接电感L15的一端连接，第三电流源I3的接地端接地，第七连接电感L7的另一端与扼流电阻R的一端连接，扼流电阻R的另一端、第四电流源I4的输出端、第八连接电感L8的一端与第八约瑟夫森结J8的一端连接，第四电流源I4的接地端接地，第八约瑟夫森结J8的另一端接地，第八连接电感L8的另一端为第一输出端；第九连接电感L9的一端为第三输入端，第九连接电感L9的另一端、第十连接电感L10的一端与第九约瑟夫森结J9的一端连接，第九约瑟夫森结J9的另一端接地；第十连接电感L10的另一端、第五电流源I5的输出端与第十一连接电感L11的一端连接，第五电流源I5的接地端接地，第十一连接电感L11的另一端、第三磁通保存电感L20的一端与第十约瑟夫森结J10的一端连接，第十约瑟夫森结J10的另一端接地；第三磁通保存电感L20的另一端与第十一约瑟夫森结J11的一端连接；第十二连接电感L12的一端为第四输入端，第十二连接电感L12的另一端、第十三连接电感L13的一端与第十二约瑟夫森结J12的一端连接，第十二约瑟夫森结J12的另一端接地；第十三连接电感L13的另一端、第十四连接电感L14的一端与第六电流源I6的输出端连接，第六电流源I6的接地端接地；第十四连接电感L14的另一端、第四磁通保存电感L21的一端与第十三约瑟夫森结J13的一端连接，第十三约瑟夫森结J13的另一端接地，第四磁通保存电感L21的另一端与第十四约瑟夫森结J14的一端连接；第十一约瑟夫森结J11的另一端、第十四约瑟夫森结J14的另一端、第十五约瑟夫森结J15的一端、第七电流源I7的输出端、第十五连接电感L15的另一端与第十六连接电感L16的一端连接；第七电流源I7的接地端接地，第十五约瑟夫森结的另一端接地；第十六连接电感L16的另一端、第八电流源I8的输出端、第十七连接电感L17的一端与第十六约瑟夫森结J16的一端连接，第八电流源I8的接地端接地，第十六约瑟夫森结的另一端接地，第十七连接电感L17的另一端为第二输出端。
专利摘要本实用新型涉及一种电阻性超导异步双线逻辑与门电路。目前已有的超导异步双线电路的逻辑门结构具有使用约瑟夫森结的数量过多和布线困难的缺陷。本实用新型包括四个约瑟夫森量子干涉器和一个扼流电阻，第一约瑟夫森量子干涉器和第二约瑟夫森量子干涉器均由四个约瑟夫森结和二个连接电感组成，第三约瑟夫森量子干涉器和第四约瑟夫森量子干涉器均由三个约瑟夫森结和一个连接电感组成。本实用新型提出的逻辑与门结构，利用电阻消耗掉逻辑门触发后残留在门电路中的环路电流，而使得所需的约瑟夫森结的数量大大减小。本实用新型很好的兼顾了布线的方便性，顺序结构的电路布局比已有技术更容易应用在大规模超导集成电路中。
文档编号H03K19/20GK201479114SQ20092019022
公开日2010年5月19日 申请日期2009年8月3日 优先权日2009年8月3日
发明者吴爱婷, 官伯然, 张忠海, 方志华, 王磊 申请人:杭州电子科技大学