JPH0256844B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ジヨセフソンデジタル回路用として
好適なジヨセフソン電流増幅器に関する。

ジヨセフソン効果素子乃至ジヨセフソン接合を
用いたジヨセフソンデジタル回路は、これ迄の半
導体回路素子によるデジタル回路に比し、極めて
高速であることや、低消費電力であること、高密
度化の期待が持てること等から、将来に亘つて極
めて有望視されている。ジヨセフソン接合を利用
してスイツチングゲートその他の論理回路要素を
組む場合、大別して二種類の動作原理に従うこと
ができる。磁界誘導型と電流柱入型である。現在
の所、これ等両者は併存しており、どちらの方式
に依るかは要求される設計仕様等に応じて選択さ
れる問題であるが、いづれに依ろうと共、こうし
た論理回路は、基本スイツチングゲートや論理
和、論理積ゲート、シフトレジスタ、マルチバイ
ブレータその他論理機能に係る回路要素のみにて
構成できるものではなく、各回路要素の出力電流
を増幅するジヨセフソン電流増幅器をも重要な構
成子として要求するものである。

殊に、現在開発されているジヨセフソン論理回
路要素は上記いづれの方式に依るものでも単体で
は十分なフアンアウトが取り難いことや、動作マ
ージンを大きく取つて安定な動作をさせるべきで
あること等に就いて考えると、回路出力電流の増
幅機能は殆ど必須的に要求されてくるものであ
る。

こうした回路要素出力電流増幅という点に就き
もう少し詳しく考えるために、第１図を参照して
みる。

或る回路要素Ｇがあつて、その入力端子Tiに
電流次元でのデジタル信号Iiが入力し、この回路
要素に固有に与えられて成る特性の処理機能によ
つてこの回路要素Ｇの出力に出力電流信号Imが
得られたとする。そして、この回路要素出力電流
Imは、入力電流Isとして電流増幅器Ａの入力端
子Tsに入力され、該電流増幅器にてその利得倍
に増幅された後、出力電流Ioとして増幅器出力端
子Toから流出して行くものとする。当然、増幅
器Ａには外部からの供給エネルギが必要である
が、その外部エネルギ供給端子乃至回路電流端子
をTg、供給エネルギ乃至回路電流をIgとしてお
く。

ところで、各種ゲート等の回路要素において
は、一般に入出力は分離されている必要がある。
そうでないと、出力電流Imが入力側に帰還する
ことにより前段の他の回路要素に誤動作を起こさ
せたり、その分、出力電流が低下して実効的なフ
アンアウトが減り、次段の回路要素を駆動できな
い等の問題が起きるからである。

然し、この第１図に示すように、或る回路要素
Ｇと、その出力電流Imを増幅して論理的には同
一の情報を持つ出力電圧Ioを出力する増幅器Ａ
と、から成る実質的に一段分の論理回路段におい
ては、この論理回路段の入出力間、即ち、入力電
流Iiと増幅された出力電源Ioとの間で入出力Ａの
分離が図られていれば良く、増幅器Ａの入力電流
Is乃至Imと出力電流Ioとの間は特には分離され
ている必要はない。

寧ろ、消費電力を低減する意味からは、増幅器
に与えられる外部供給エネルギ乃至回路電流Igに
重畳的に入力電流Isを加えて出力電流Ioとして取
り出す方がエネルギ利用効率上、望ましいことに
なる。

一方、電流増幅器としては、当然のことながら
利得は大きく取れることが望ましく、設計性の良
いことも要求される。また、増幅すべき出力電流
を発する回路要素Ｇの動作マージンを制限するも
のでないことも必要な一つの条件となる。

このように、この種のジヨセフソン電流増幅器
としての必要事項を簡単にまとめた上で、第２図
に従来のジヨセフソン電流増幅器の概既構成を示
して説明する。

従来における代表的なジヨセフソン電流増幅器
は、この第２図に示すように、ジヨセフソン接合
Ｊを一つだけ用いた、ジヨセフソン単接合型のも
のであつた。前段の回路要素からの出力電流とし
ての入力電流Isの流入する入力端子Tsと、回転
電流Igの流入する回路電流端子乃至乃至ゲート端
子Tgは、夫々、電流加算抵抗Ｒ１，Ｒ２を介し
た後、ジヨセフソン接合Ｊの一端に接続され、こ
の接続点から同様に出力電流Ioの出力端子Toが
引出されている。ジヨセフソン接合Ｊの他端は一
般に接地に落とされ、出力電流Ioは出力端子To
と接地間に接続された出力負荷抵抗RL中に選択
的に得られる。

動作を簡単に説明すると、ゲート電流Igは、そ
れ自身ではジヨセフソン接合Ｊを電圧状態にスイ
ツチンさせることのない大きさに選ばれており、
従つて、入力電流Isが無い時には当然、出力電流
の値は零である。入力電流Isが加えられると、こ
の入力電流Isとゲート電流Igは加算抵抗を介して
加算され、ジヨセフソン接合Ｊに流入して当該接
合の臨界電流値を越え、もつてジヨセフソン接合
Ｊは電圧状態乃至高インピーダンス状態にスイツ
チする。

このようになると、加算された両電流は、高イ
ンピーダンス状態になつたジヨセフソン接合Ｊを
バイパスするかのように、この時点で相対的に低
抵抗となつた出力負荷抵抗RLの方に流出し、出
力端子Toを経る出力電流Ioとなる。

先に述べたジヨセフソン電流増幅器としての望
ましい諸要素に即してこの従来例のジヨセフソン
電流増幅器を考えてみると、入力電流Isが回路電
流乃至ゲート電流Igに重畳的に加算されて出力電
流Ioとなる点に就いては、この従来の単接合型の
ジヨセフソン電流増幅器も評価される価値があ
る。

然し、良く知られているように、こうした単接
合型の素子においては、閾他値曲線上での簡単な
作図により、その動作マージンは一律に約33％と
定まつてしまう。従つて、増幅すべき前段の回路
要素における動作マージンがこの値よりも小さけ
れば問題は無いが、大きい場合には、回路要素Ｇ
と増幅器Ａとで構成する一段分の論理回路段の総
体的な動作マージンはこの増幅器のそれ、即ち、
約33％に制限されてしまうことになる。そして、
実際上はこの恐れの方が強い。

例えば、先に述べた電流注入型の論理回路要素
においては、基本スイツチングゲートとして本出
願人が開発した我が国独自の四接合電流注入型閉
ループスイツチングゲート（特開昭56−32830号、
同57−99034号）を始めとし、これを利用した各
種の回路要素があるが、この種の回路要素におい
ては60％以上の動作マージンは楽に取ることがで
き、従つて、このような回路要素の出力電流増幅
用として第２図示の従来のジヨセフソン電流増幅
器Ａを用いたのでは、その本来的な動作マージン
の広さというものは犠牲にされてしまうことにな
る。尚、上記の四接合電流注入型閉ループスイツ
チングゲートは、上記出願を契機としてのその後
の研究、発表を介して当業者に周知となつてお
り、4JLゲートを略称され、この用語はまた、こ
の業界において準学術用語的な扱いを受けてい
る。

本発明は、以上、述べたような従来例の欠点を
除去し得るジヨセフソン電流増幅器の提供を主目
的として成されたものである。即ち、出力電流を
増幅すべき論理回路要素の動作マージンを損なう
ことなく、電力利用効率が良好で大きな増幅度を
取得、設計性も良好なジヨセフソン電流増幅器を
提供せんとするものである。

第３図には、本発明の望ましい一実施例として
のジヨセフソン電流増幅器１が示されている。そ
して、本発明のジヨセフソン電流増幅器１は、そ
の主要な構成部分の一つに、先に述べた4JLゲー
ト構成を採用している。即ち、四個のジヨセフソ
ン接合Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，で一つの閉ルー
プを構成し、この閉ループの対向する二点に
夫々、回路電流端子乃至ゲート端子ｇと接地端子
ｅを設け、この二点を界にして閉ループを左右の
枝回路乃至ブランチに分け、各枝回路中に二個づ
つのジヨセフソン接合が入るようにしている。

ジヨセフソン接合Ｊ１，Ｊ２の設けられている
方の枝回路においては、これ等二個のジヨセフソ
ン接合の間に制御電流端子ｃが設けられている。

先に挙げた公開公報中に見られるように、一般
にはこの基本ゲート構成においては、制御端子の
ある方の枝回路中のジヨセフソン接合Ｊ１，Ｊ２
の臨界電流Io１，Io２は、他方の枝回路中のジヨ
セフソン接合Ｊ３，Ｊ４の臨界電流Io３，Io４の
１／２乃至1/3程度に選ばれる。その理由の詳細は既
に当業者に公知となつているので省略するが、所
定のシーケンス依存性の動作を確保し、電流利得
を取るためである。

更にまた、本発明のジヨセフソン電流増幅器１
では、基本ゲートの回路電流端子乃至ゲート端子
ｇを、本ジヨセフソン電流増幅器１の回路電流端
子乃至ゲート端子Tgとして結果としてはそのま
ま用い、基本ゲートにおける制御端子ｃも本増幅
器１の信号入力端子Tsとして用いている。

出力端子Toも、また同様に、通常の基本ゲー
トにおけるようにゲート端子から引出され、等価
的に閉ループと並列になる負荷抵抗RLの一端に
接続される。閉ループ接地端子ｅは、この回路系
の基準電位、一般に接地に接続される。

特徴的なのは、本ジヨセフソン電流増幅器１に
おいては、信号入力端子Tsとゲート端子Tgとの
間に、第一の接合Ｊ１をバイパスするようにこの
第一の接合Ｊ１に並列にバイパス抵抗Rbが設け
られていることである。逆に言えば、本ジヨセフ
ソン電流増幅器１は、上述した特開昭56−328360
号公報に開示の基本ゲート構成に対して、最小の
改変で以下述べるような効果的なジヨセフソン電
流増幅器を提供することに成功したものである。
本ジヨセフソン電流増幅器１の動作を説明すると
次のようになる。

ゲート電流Igのみが与えられている条件下で
は、このゲート電流は閉ループ中の左右の枝回路
のインピーダンス比に応じて該枝回路中を分流
し、接地に流出して行く。この場合、先に述べた
ように、 Io1＝Io2＝Io ……(1) Io3＝Io4＝NIo Ｎ＝２〜３ ……(2) に選ばれているものとすると、ゲート電流Igの値
は、左枝回路中への分流分がこの左枝回路中のジ
ヨセフソン接合Ｊ１，Ｊ２を電圧状態にスイツチ
ンさせることのない大きさに選んで置く。

この状態において、前段の適当な回路要素から
の出力電流として、信号入力端子Tsに信号電流
Isが流入してくると、この信号電流の殆どは、当
初、最もインピーダンスの小さい電流路としての
ジヨセフソン接合Ｊ２中を流れるようになる。

この信号電流の大部分と、既述した回路電流乃
至ゲート電流Igの枝回路分流分との相剰は、この
ジヨセフソン接合Ｊ２を電圧状態にスイツチンさ
せるだけの大きさを持つように当該ゲート電流値
を選んで置くため、このジヨセフソン接合Ｊ２は
電圧状態乃至高インピーダンス状態になる。

すると、入力信号電流は、左枝回路中で残つて
いるジヨセフソン接合Ｊ１を介して右枝回路中に
流入するようになるが、このジヨセフソン接合Ｊ
１に関しては、信号電流Isとゲート電流Igの分流
分とが逆の位相となるため、単体での閾値電流値
が小さいのにも係らず、この接合Ｊ１は電圧状態
にスイツチすることはなく、右枝回路中の直列ジ
ヨセフソン接合Ｊ３，Ｊ４の方に両電流が重畳的
に流れるようになる。

右枝回路中の両接合Ｊ３，Ｊ４の臨界電流値
は、既述したように、或る程度大きいとは言え、
信号電流、ゲート電流の両電流値でこの値を越え
るように設定することは比較的容易であり、また
そのように設定されているため、両電流Ig，Isの
流入でこの右枝回路中の両接合Ｊ３，Ｊ４は電圧
状態にスイツチする。

このようになると、負荷抵抗RLが適当な値で
あれば、回路電流乃至ゲート電流Igは、その殆ど
が当該負荷抵抗に出力端子Tsを介して流出して
行くようになる。一方、信号電流Isは、最後迄、
零電圧状態のままに残つているジヨセフソン接合
Ｊ１を介して出力端子Tsから流出して行く回路
電流Igに重畳しようとするが、本書で述べている
ような目的に本増幅器を応用する場合にも、そも
そも前段の適当な回路要素の出力電流としての入
力信号電流Isの値は或る程度以上に大きいことが
見込まれるから、通常、この最後迄残つているジ
ヨセフソン接合Ｊ１も、この信号電流の通過によ
り電圧状態にスイツチする。すると、今度は、最
後に電圧状態にスイツチしたジヨセフソン接合Ｊ
１に対してバイパス的に並列に設けられているバ
イパス抵抗Rbを介してこの信号電流Isは回路電
流Igに重畳するようになり、結局、本ジヨセフソ
ン電流増幅器１の出力端子Toにて規定できる出
力電流Ioはこれ等両者の電流の相剰分となる。即
ち、先に述べた望ましい要件の一つとしての、入
力信号電流の出力電流への利用、という課題が満
足されていることになる。

然も、本ジヨセフソン電流増幅器１は、実質的
なスイツチング部に既述した基本ゲート構成を援
用しているため、同様に大きな電流利得を取るこ
とができ、動作マージンもこの種の基本ゲートと
同様に大きく取ることができる。

例えば、第４図示のように、本実施例のジヨセ
フソン電流増幅器１を、既述した特開昭57−
99034号に開示のスイツチングゲートＧの出力電
流の増幅に用いる場合、このゲートＧとジヨセフ
ソン電流増幅器１とを一段分の回路と考えると、
電流増幅機能が追加されたがためにゲート部Ｇの
本来的に持つている大きな動作マージンが損なわ
れるということもなく、ゲート部Ｇの動作マージ
ンにてのみこの段の動作マージンを規定すること
ができる。先に述べたように、このゲート部Ｇの
動作マージンが例えば60％、あつたとすると、増
幅機能部乃至スイツチング部に同様な構成を持つ
本ジヨセフソン電流増幅器１においても同じ60％
程度の動作マージンは容易に確保することができ
る。

この第４図示の入力抵抗Ri付のゲート部Ｇの
詳細は既述の特開昭57−99034号公報中に顕かで
あり、従つて簡単な動作説明に留めるが、入力信
号電流Iiが入力端子Tiに入力すると、先ず、左枝
回路中の下側のジヨセフソン接合Jbが回路電流
Ig₁の分流分とこの入力電流Iiの重畳で電圧状態
にスイツチし、次いで右枝回路中の直列な両ジヨ
セフソン接合Jc，Jdが回路電流Ig₁とジヨセフソ
ン接合Jaを介して右回りに転換した入力信号電
流Iiとの重畳で電圧状態にスイツチする。最後
に、回路電流Ig₁が、零電圧状態のままに残つて
いるジヨセフソン接合Jaを介して入力抵抗Ri中
に流入していく時の過渡期において当該ジヨセフ
ソン接合Jaも電圧状態にスイツチし、もつて、
回路電流Ig₁は負荷抵抗Rmに出力電流Imとして
流出して行く。この状態においては、回路電流端
子Tg₁に流入する回路電流Ig₁乃至出力電流Imと
入力信号電流Iiの分離は確実に行なわれている。
閉ループの全てのジヨセフソン接合が電圧状態に
スイツチし、回路電流はこのループ中に流入する
ことはないし、入力信号電流Iiも同様に閉ループ
中に流入することなく入力抵抗Ri中を流れるか
らである。

尚、ゲート部Ｇの各ジヨセフソン接合の臨界電
流値に対し、本ジヨセフソン電流増幅器１の既述
の各ジヨセフソン接合の臨界電流値を、相対的関
係は既述の(1)，(2)式の双方を満足さながらも適当
な値に選ぶことは通常の設計的事項で行なわれる
ことである。例えば、ゲート部Ｇにおいても本ジ
ヨセフソン電流増幅器１においても、左右の枝回
路中のジヨセフソン接合間の臨界電流値関係は
１：３と同じに選びながらも、ジヨセフソン接合
Ｊ１，Ｊ２の上記各臨界電流値Ioはゲート部Ｇの
ジヨセフソン接合Ja，Jbのそれに対して二倍程
度に選ぶ等が考えられる。

第４図示の基本ゲートＧは、入力信号と同一の
論理値乃至肯定論理を電流増幅した形で得たいと
の目的で本来開発されたものであり、従つて、見
方を変えれば第４図示の回路系は二段のカスケー
ド・アンプとも考えられる。然し勿論、これに限
定されるものではなく、ゲート部Ｇは電流出力を
有するものであればどのようなものであつても、
本ジヨセフソン電流増幅器１による電流増幅作用
を受けることができる。冒頭に述べたように、本
ジヨセフソン電流増幅器１はまた、電流注入型の
論理回路要素Ｇに限定的に作用するものではな
く、磁界結合型のものに対しても有効に用いるこ
とができる。

ともかくも以上詳記のように、本発明によれ
ば、ジヨセフソンコンピユータ実現のために重要
な一つの構成子として要求されるジヨセフソン電
流増幅器を従来のような欠点を伴なわずに実現で
き、入力信号電流の出力電流への重畳によるエネ
ルギ利用効率の向上、利得の確保、動作マージン
の低減の阻止、構成の簡素性、等々、極めて大き
な効果を得ることのできるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ジヨセフソン論理回路要素にジヨセ
フソン電流増幅器を接続する場合の説明図、第２
図は、従来のジヨセフソン電流増幅器の代表的な
一例の概略構成図、第３図は、本発明のジヨセフ
ソン電流増幅器の一実施例の概略構成図、第４図
は、第３図示実施例の応用例の回路構成図、であ
る。 図中、１は全体としての本発明ジヨセフソン電
流増幅器、Ｊ１乃至Ｊ４は、夫々、ジヨセフソン
接合、RLは負荷抵抗、Rbはバイパス抵抗、であ
る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 四個のジヨセフソン接合を用いて閉ループを
   構成し、該閉ループ中の対向する二点に回路電流
   端子と接地端子を設け、出力端子は該回路電流端
   子から引出すようにする一方で、該回路電流端子
   と接地端子を界に上記閉ループを左右の枝回路に
   分け、各枝回路中には上記四個のジヨセフソン接
   合が二個づつ入るようにし、一方の枝回路中の二
   個のジヨセフソン接合の間に信号入力端子を形成
   すると共に、 該信号入力端子と上記回路電流端子との間に位
   置するジヨセフソン接合に対し、並列にバイパス
   抵抗を設けたことを特徴とするジヨセフソン電流
   増幅器。