Цифровые устройства на основе СКВИДов

Ранее нами были рассмотрены цифровые устройства на основе Д-криотронов. Следующим этапом разработки стали устройства на основе СКВИДов, туннельная логика была заменена интерференционной логикой, элементами на основе СКВИДов, управляемых токами в индуктивно связанных с ними пленках. Как известно, характеристика управления СКВИДов имеет периодический вид. Чтобы увеличить глубину модуляции, а также отодвинуть второй максимум, в интерференционной логике используют трех- и четырехконтактные СКВИДы (рис. 3.17, а).

а) б)

Рис. 3.17. Схема СКВИДа (а) и его характеристика управления (б):
1 – трехконтактный, 2 – четырехконтактный СКВИД

Расчеты параметров СКВИДов показали, что вид характеристики управления сильно зависит от LI₀, и только благодаря расчету можно найти компромиссный выбор глубины модуляции, коэффициента усиления и расстояния между двумя соседними максимумами. На рис. 3.17, б приведены результаты расчетов характеристики управления трех- и четырехконтактного СКВИДа. Видимо, при увеличении числа контактов крутизна основной ветви характеристики возрастает. Очевидны и другие достоинства четырехконтактного СКВИДа, в связи с чем он может оказаться предпочтительнее для индукционного способа управления.

Схемы элементов «или» и «или-не» с индукционным управлением приведены на рис. 3.18.

а) б)

Рис. 3.18. Схемы интерференционных элементов ИЛИ (а) и ИЛИ-НЕ (б)

В интерференционной логике также используют туннельные контакты. При правильном выборе демпфирующих резисторов ВАХ СКВИДа не отличается от ВАХ единичного Д-перехода. Исходя из этих соображений интерференционная логика, как и туннельная, требует отключения источника питания в каждом такте. Отличием является то, что питание на элементы подается не от источника тока, а от источника напряжения.

Наряду с магнитным управлением существует способ воздействия на СКВИД с помощью инжекции тока непосредственно на Д-контакт. Благодаря этому удается преодолеть некоторые недостатки элементов на основе трехконтактных СКВИДов. На рис. 3.19 показана схема устройства И на основе двух Д-переходов с инжекцией тока.

Рис. 3.19. Устройство И с инжекцией тока

Характеристику управления СКВИДа с инжекцией рассчитывают аналитически, но ее можно получить непосредственно из характеристики СКВИДа с магнитным управлением при I_а=I_в=0.

Для развязки входных сигналов в элементах инжекционной логики используют трехконтактные СКВИДы с магнитным управлением. Такую развязку можно осуществить также с помощью элементов с резистивными связями. На рис. 3.20 показан вариант элемента ИЛИ такого типа.

Рис. 3.20. Элемент ИЛИ с резистивными связями

Д-контакт G1 здесь использован для исключения попадания выходного сигнала во входные цепи. Если входные сигналы отсутствуют, то все Д-контакты открыты и ток в нагрузку R_H не поступает. При поступлении хотя бы одного из сигналов на вход х, у, z, сначала запирается контакт G2, а затем вследствие этого и G1.

По сравнению с интерференционными, элементы резистивной логики имеют по крайней мере в 4 раза меньшие размеры при сопоставимых рабочих областях и коэффициентах усиления. Кроме того, в связи с отсутствием управляющего тока они менее трудоемки в изготовлении. Благодаря малым индуктивностям элементы резистивной логики имеют более высокое быстродействие, чем интерференционные (τ_пер<10 пс). СКВИДы используются также для создания запоминающих устройств. К настоящему времени определились два основных класса сверхпроводниковых элементов памяти: один – для быстродействующей буферной памяти малой емкости, второй – для главной оперативной памяти сверхбольшой емкости. Основой всех запоминающих устройств является сверхпроводящий контур, носителем информации в котором является циркулирующий ток. Величина тока для первого класса элементов соответствует нескольким квантам (или их множеству), во втором случае – одиночному кванту.

В качестве примера приведем схему элемента памяти на основе двухконтурного СКВИДа (рис. 3.21).

Рис. 3.21. Схема запоминающего элемента на основе двухконтактного СКВИДа

Запоминающий контур состоит из двух пленок, разделенных в центре диэлектриком и образующих по краям два туннельных контакта. Над контуром помещаются управляющие пленки, предназначенные для координатной выборки элемента.

Переводом СКВИДа из состояния «0» в состояние «1» или наоборот осуществляется запись информации. Считывание выполняется за счет того, что при переходе СКВИДа из одного состояния в другое при определенных условиях на нем возникает импульс напряжения, который и регистрируется как считанный сигнал.

Известны два типа Д-элементов памяти: оперативные устройства памяти без разрушения информации при считывании и устройства памяти с разрушением информации. Первые устройства имеют следующие параметры: информационная емкость – 4 Кбит, время выборки – 0,6 нс, время цикла – 1,2 нс, рассеиваемая мощность – 6 мВт. Параметры устройств с разрушением информации: информационная емкость –16 кбит, время выборки – 15 нс, время цикла– 30 нс, рассеиваемая мощность – 40 мкВт. Такое различие параметров соответствует назначению устройств и специфике их работы.

Таким образом, использование СКВИДа позволяет создавать цифровые устройства, имеющие несомненные преимущества перед традиционными цифровыми устройствами.