用于量子测控电路的数模转换器

1.本公开涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种应用于量子测控电路的、工作于极低温环境下的数模转换器。


背景技术：

2.目前超导量子比特需要工作在一个密闭的稀释制冷机中，该制冷机提供超导量子比特所需的低温环境(10mk左右)，其中每个量子比特都需要特定的微波信号进行控制。这些微波信号通常是使用室温下的任意信号发生器和微波源通过iq混频的方式得到，因此需要大量微波设备(微波源、任意信号发生器、电压源、混频器、衰减器、功分器等)产生这些微波控制信号，再通过同轴电缆进行室温设备与低温量子芯片的互连，这种方法在控制少量量子比特的情况下可行，但面对集成了大量量子比特的量子芯片来说是不可行的：首先，大量微波设备使得系统复杂度、成本提高；其次，大量互连线连接了高低温区，导致过多的热量通过互连线泄露至低温量子芯片，造成量子比特的退相干，影响比特性能；最后，过长的线缆带来较大的信号延迟，不利于量子计算机信号的高速传递。


技术实现要素：

3.(一)要解决的技术问题
4.基于上述问题，本公开提供了一种能够直接用于量子测控电路的数模转换器，代替室温下工作的任意信号发生器，在极低温环境直接合成量子比特需要的控制信号，减少量子计算机测控电路的复杂度。
5.(二)技术方案
6.本公开提供一种用于量子测控电路的数模转换器，包括：输入寄存器，温度计译码器，虚拟译码器，开关驱动阵列，电流源阵列。
7.输入寄存器用于接收数字信号并进行同步处理得到高位数字信号数据和低位数字信号数据；温度计译码器与所述输入寄存器相连，用于接收高位数字信号数据并转换为第一数字信号；虚拟译码器与所述输入寄存器相连，用于接收低位数字信号数据并进行延时处理得到第二数字信号；开关驱动阵列包括高位开关驱动阵列，低位开关驱动阵列。电流源阵列包括高位电流源阵列，低位电流源阵列。高位开关驱动阵列，与高位电流源阵列和所述温度计译码器相连，用于在所述第一数字信号的作用下输出高位控制信号以控制所述高位电流源阵列输出高位电流信号；以及低位开关驱动阵列，与低位电流源阵列和所述虚拟译码器相连，用于在第二数字信号的作用下输出低位控制信号以控制所述高位电流源阵列输出低位电流信号；所述高位电流信号和低位电流信号用于作用于负载从而产生电压信号。
8.根据本公开实施例，输入寄存器接收10比特数字信号，输出6位高位数字信号数据和4位低位数字信号数据。
9.根据本公开实施例，温度计译码器接收所述6位高位数字信号数据并转换为63位
温度计码。
10.根据本公开实施例，所述虚拟译码器用于确保第一数字信号和第二数字信号同步抵达高位开关驱动阵列和低位开关驱动阵列。
11.根据本公开实施例，所述温度计译码器包括：三位二进制转七位温度计码的行译码器；以及三位二进制转七位温度计码的列译码器；温度计译码器通过行、列选择的方式实现6位高位数字信号数据转换为63位温度计码。
12.根据本公开实施例，高位开关驱动阵列和低位开关驱动阵列中包括多个低交叉点开关驱动电路，每个低交叉点开关驱动电路，包括：第一nmos管nm1，第二nmos管nm2，第一pmos管pm1，第三nmos管nm3、第二pmos管pm2，第六nmos管nm6，第四nmos管nm4，第五nmos管nm5，以及首尾相连的反相器组；第一nmos管nm1的栅极接收时钟信号，漏极接连正输入节点din+，源极分别连接至第一pmos管pm1的栅极、第三nmos管nm3的栅极，以及反相器组的一端；第一pmos管pm1的漏极连接至第三nmos管nm3的漏极，第三nmos管nm3的源极接地；第二nmos管nm2的栅极接收时钟信号，漏极连接负输入节点din-，源极分别连接至第二pmos管pm2的栅极、第六nmos管nm6的栅极，以及反相器组的另一端；第二pmos管pm2的漏极连接至第六nmos管nm6的漏极，第六nmos管nm6的源极接地；第四nmos管nm4的源极接地，漏极与第一pmos管pm1的漏极相连并共同连接至负输出节点out-，栅极连接至正输出节点out+；第五nmos管nm5的源极接地，漏极与第二pmos管pm2的漏极相连并共同连接至正输出节点out-，栅极连接至负输出节点out-；第四nmos管nm4和第五nmos管nm5提供正反馈通路。
13.根据本公开实施例，高位电流源阵列和低位电流源阵列采用共源共栅结构。
14.根据本公开实施例，低位电流源阵列采用二进制结构，高位电流源阵列采用温度计结构。
15.根据本公开实施例，数模转换器，还包括偏置模块，与所述高位电流源阵列和低位电流源阵列相连，用于提供偏置电压。
16.根据本公开实施例，数模转换器，还包括时钟驱动电路，与输入寄存器、高位开关驱动阵列、低位开关驱动阵列相连，用于接收外部时钟，并为输入寄存器、高位开关驱动阵列、低位开关驱动阵列提供足够驱动能力的时钟信号。
17.(三)有益效果
18.从上述技术方案可以看出，本公开用于量子测控电路的数模转换器至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
19.(1)可直接用于极低温下量子测控电路的数模转换器，可代替室温的任意信号发生器，因此可在极低温环境直接合成量子比特需要的控制信号，减少量子计算机测控电路的复杂度；
20.(2)使用的工艺经过极低温下测试表征，因此电路仿真能够很好的预测实际极低温性能，使得该数模转换器能够工作在极低温环境中；
21.(3)通过分段译码的方法，使得该数模转换器在性能、功耗和成本之间的平衡；
22.(4)温度计译码器使用了行列译码的方法减少了设计的复杂程度。
附图说明
23.图1为本公开实施例的用于量子测控电路的数模转换器的组成示意图。
24.图2为本公开实施例的温度计译码器的示意图。
25.图3为本公开实施例的开关驱动电路的示意图。
26.图4为本公开实施例的电流源阵列的示意图。
具体实施方式
27.本公开提供了一种用于量子测控电路的数模转换器，在电路结构的设计上避免极低温带来的器件性能变化的影响，针对低温下晶体管特性变化，基于极低温下可用的cmos紧凑模型(传统的商用模型bsim、psp、ekv等适用温度为-40/50℃～120℃)，在器件的参数设置、选型以及电路结构进行创新以使得用于量子测控电路的数模转换器更适合低温环境应用。
28.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
29.在本公开实施例中，提供一种用于量子测控电路的数模转换器，如图1所示，所述数模转换器，包括：输入寄存器，温度计译码器，虚拟译码器，开关驱动阵列，电流源阵列。
30.输入寄存器用于接收数字信号并进行同步处理得到高位数字信号数据和低位数字信号数据；
31.温度计译码器，与所述输入寄存器相连，用于接收高位数字信号数据并转换为第一数字信号；
32.虚拟译码器，与所述输入寄存器相连，用于接收低位数字信号数据并进行延时处理得到第二数字信号；
33.开关驱动阵列包括：高位开关驱动阵列，低位开关驱动阵列。
34.电流源阵列包括：高位电流源阵列和低位电流源阵列。
35.高位开关驱动阵列，与高位电流源阵列和所述温度计译码器相连，用于在所述第一数字信号的作用下输出高位控制信号以控制所述高位电流源阵列输出高位电流信号；
36.低位开关驱动阵列与低位电流源阵列和所述虚拟译码器相连，用于在第二数字信号的作用下输出低位控制信号以控制所述高位电流源阵列输出低位电流信号；
37.所述高位电流信号和低位电流信号用于作用于负载从而产生电压信号。
38.根据本公开实施例，输入寄存器接收10比特数字信号，输出6位高位数字信号数据和4位低位数字信号数据。
39.根据本公开实施例，温度计译码器接收所述6位高位数字信号数据并转换为63位温度计码。虚拟译码器用于确保第一数字信号和第二数字信号同步抵达高位开关驱动阵列和低位开关驱动阵列。
40.根据本公开实施例，如图2所示，温度计译码器通过行、列选择的方式实现6位高位数字信号数据转换为63位温度计码。温度计译码器包括：三位二进制转七位温度计码的行译码器；以及三位二进制转七位温度计码的列译码器。温度计译码器利用两个三位二进制转七位温度计码译码器，再通过行列选择的方式实现6-63温度计译码器，这种方法减少了设计复杂度。
41.根据本公开实施例，高位开关驱动阵列和低位开关驱动阵列中包括多个低交叉点开关驱动电路，如图3所示，每个低交叉点开关驱动电路，包括：第一nmos管nm1，第二nmos管
nm2，第一pmos管pm1，第三nmos管nm3、第二pmos管pm2，第六nmos管nm6，第四nmos管nm4，第五nmos管nm5，以及首尾相连的反相器组；其中：第一nmos管nm1的栅极接收时钟信号，漏极接连正输入节点din+，源极分别连接至第一pmos管pm1的栅极、第三nmos管nm3的栅极，以及反相器组的一端；第一pmos管pm1的漏极连接至第三nmos管nm3的漏极，第三nmos管nm3的源极接地；第二nmos管nm2的栅极接收时钟信号，漏极连接负输入节点din-，源极分别连接至第二pmos管pm2的栅极、第六nmos管nm6的栅极，以及反相器组的另一端；第二pmos管pm2的漏极连接至第六nmos管nm6的漏极，第六nmos管nm6的源极接地；第四nmos管nm4的源极接地，漏极与第一pmos管pm1的漏极相连并共同连接至负输出节点out-，栅极连接至正输出节点out+；第五nmos管nm5的源极接地，漏极与第二pmos管pm2的漏极相连并共同连接至正输出节点out-，栅极连接至负输出节点out-；第四nmos管nm4和第五nmos管nm5提供正反馈通路。
42.通过上述低交叉点开关驱动电路，时钟信号clk为高电平时，正输入节点din+的输入信号与负输入节点din-的输入信号将分别通过pm1和nm3、pm2和nm6反向输出至负输出节点out-和正输出节点out+，而nm4和nm5提供正反馈通路，它们会加速正输出节点out+的输出信号或负输出节点out-的输出信号向低电平的转化，因此该结构能够实现低交叉点输出，更易于实现用于量子测控电路的数模转换器的极低温环境下的工作；两首尾相连的反相器i1、i2具有一定的锁存功能，能够在clk为低电平时保持原本输出，也能够减少din+与din-之间不同步。
43.根据本公开实施例，如图4所示，电流源阵列采用“4+6”分段结构，低4位电流源阵列采用二进制结构，高6位电流源阵列采用温度计结构，以取得性能、功耗和成本之间的平衡。电流源采用共源共栅结构，提高电流源的输出阻抗，有利于性能提高。
44.根据本公开实施例，如图1所示，数模转换器还包括偏置模块，与所述高位电流源阵列和低位电流源阵列相连，用于提供偏置电压。
45.根据本公开实施例，如图1所示，数模转换器还包括时钟驱动电路，与输入寄存器、高位开关驱动阵列、低位开关驱动阵列相连，用于接收外部时钟，并为输入寄存器、高位开关驱动阵列、低位开关驱动阵列提供足够驱动能力的时钟信号。时钟驱动电路可接收外部时钟，并且经过多级尺寸递增的反相器为内部模块提供时钟信号。偏置模块用于为内部的电流源阵列提供偏置电压。
46.上述方案中所使用的晶体管均通过极低温下(4k)测试表征，建立了可用于商用eda工具的bsim模型，用于该极低温用于量子测控电路的数模转换器的设计。
47.综上，通过本公开的用于量子测控电路的数模转换器，输入10比特数字信号(例如b0-b9)首先通过10位输入寄存器(input register)进行同步处理，之后高六位(b4-b9)利用6-63温度计译码器(binary-thermometer decoder)进行6位二进制码到63位温度计码的转换，而低4位(b0-b3)数据则通过虚拟译码器(dummy decoder)以保证高低位数据抵达后级电路时间一致，温度计译码和延时后的数字信号将分别控制高低位的开关驱动阵列(switch driver array)。开关驱动电路一方面对输入数字信号进行同步处理，另一方面优化开关控制信号以提高dac性能。高低位的开关驱动器输出将分别控制高位电流源阵列(msb current source array)和低位电流源阵列(lsb current source array)的电流输出，最后电流源阵列的输出电流将汇总至外部50ω负载rl上产生电压。时钟驱动电路
(clock dirver)用于接收外部时钟，并且为dac内部输入寄存器和开关驱动电路提供足够驱动能力的时钟信号，对数字信号进行同步处理。偏置电路(bias)为电流源阵列提供直流偏置。
48.至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
49.依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开用于量子测控电路的数模转换器有了清楚的认识。
50.综上所述，本公开提供了一种用于量子测控电路的数模转换器，可在极低温环境直接合成量子比特需要的控制信号，减少量子计算机测控电路的复杂度。
51.还需要说明的是，以上为本公开提供的不同实施例。这些实施例是用于说明本公开的技术内容，而非用于限制本公开的权利保护范围。一实施例的一特征可通过合适的修饰、置换、组合、分离以应用于其他实施例。
52.应注意的是，在本文中，除了特别指明的之外，具备“一”元件不限于具备单一的该元件，而可具备一或更多的该元件。
53.此外，在本文中，除了特别指明的之外，“第一”、“第二”等序数，只是用于区别具有相同名称的多个元件，并不表示它们之间存在位阶、层级、执行顺序、或制程顺序。一“第一”元件与一“第二”元件可能一起出现在同一构件中，或分别出现在不同构件中。序数较大的一元件的存在不必然表示序数较小的另一元件的存在。
54.在本文中，除了特别指明的之外，所谓的特征甲“或”(or)或“及/或”(and/or)特征乙，是指甲单独存在、乙单独存在、或甲与乙同时存在；所谓的特征甲“及”(and)或“与”(and)或“且”(and)特征乙，是指甲与乙同时存在；所谓的“包括”、“包含”、“具有”、“含有”，是指包括但不限于此。
55.此外，在本文中，所谓的“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、或“之间”等用语，只是用于描述多个元件之间的相对位置，并在解释上可推广成包括平移、旋转、或镜像的情形。此外，在本文中，除了特别指明的之外，“一元件在另一元件上”或类似叙述不必然表示该元件接触该另一元件。
56.此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
57.以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。