JPH0310199B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は超電導素子で、特にジヨセフソン素子
を使つたシフトレジスタに関する。

〔従来技術〕

ジヨセフソン素子は高速でスイツチするため、
これを用いればシフトレジスタを高速で動作させ
ることができる。従来技術によるジヨセフソン素
子を使つた例は下記文献１に詳細に記載されてい
る。

１ Hamilton et al“ANALOG
MEASURMENT APP−LICATIONS FOR
HIGH SPEED JOSEPHSON SWITCHES”
IEEE MAG−17，No.１，577（1981） この文献１に示されているシフトレジスタでは
正確に位相のずれた多相（３相）の交流電源を使
う。そのためこの回路では位相調整が難しく、高
速動作は困難である。

〔発明の目的〕

本発明の目的は一相の交流電源に同期して動作
し、かつ動作マージンが広く、高集積化の容易な
超電導シフトレジスタを提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明の特徴は、交流電源の定常部分の１サイ
クルで入力データ信号を増幅転送する駆動回路
と、定常部分で確定した駆動回路の出力をタイミ
ング信号を受けた時点で取り込んで、そのデータ
を交流電源の過度部分の間保持するマスターフリ
ツプフロツプと、次の１サイクルの立上り部分で
マスターフリツプフロツプのデータを読み出し、
次の１サイクルの定常部分にわたつてそのデータ
を保持し続けるスレーブフリツプフロツプとから
なるレジスタセルにおいて、駆動回路で入力デー
タ信号の増幅作用を行わせたことと、タイミング
信号を単純な遅延発生回路で構成したことにあ
る。

〔発明の実施例〕

以下本発明の実施例を図面を用いて説明する。
第１図は本発明による超電導シフトレジスタの一
例である。この超電導シフトレジスタは複数個の
レジスタセル１００の直列接続によつて構成され
ている。各々のレジスタセル１００はマスターフ
リツプフロツプ１０１と、スレーブフリツプフロ
ツプ１０５と、スレーブフリツプフロツプに電流
を供給する駆動回路１０６から成る。駆動回路１
０６は前段のレジスタセル１００からの入力デー
タを増幅してマスターフリツプフロツプ１０１へ
駆動電流として供給する。マスターフリツプフロ
ツプ１０１は駆動回路１０６からの出力データを
端子１０８からのタイミング信号を受けた時点で
取り込み、その取り込んだデータを次のタイミン
グ信号１０８を受けるまで保持する。このような
マスターフリツプフロツプ１０１は磁束結合量子
干渉回路１０２と、インダクタンス１０３による
超電導ループと、このインダクタンス１０３に並
列接続されたダンピング抵抗１０４とから構成さ
れている。スレーブフリツプフロツプ１０５はク
ロツクを受けた時点でマスターフリツプフロツプ
１０１の出力データを読み込んで次のクロツクを
受けるまでそのデータを保持する。磁束結合量子
干渉回路１０２は５つの端子を有する。磁束結合
量子干渉回路１０２の第１の端子は駆動回路１０
６に接続されており、第２の端子は接地されてい
る。第３及び第４の端子は端子１０８に接続され
ており、第５の端子は第２の端子との間で超電導
ループを形成する出力端子である。第１の端子か
ら第２の端子に向けて磁束結合量子干渉回路１０
２を駆動するゲート電流を流しておく。第３の端
子から第４の端子に至る制御入力線は磁束結合量
子干渉回路１０２と磁気的に結合している。ゲー
ト電流または制御入力のいずれか、または両方が
存在しない場合には磁束結合量子干渉回路１０２
は超電導状態にあつて、第２の端子と第５の出力
端子の間には電圧が発生しない。しかし、ゲート
電流が流れている状態で制御入力が発生すると第
２の端子と第５の出力端子の間が零電圧状態から
電圧状態に遷移し、第５の出力端子から負荷抵抗
を通して出力電流を取り出すことができる。

このような磁束結合量子干渉回路１０２の第５
の端子と第２の端子の間に並列にインダクタンス
１０３とダンピング抵抗１０４が接続されてい
る。第３の端子と第４の端子の間にはタイミング
入力が端子１０８を介して入力される。駆動回路
１０６の出力電流は磁束結合量子干渉回路１０２
の第１の端子から接地された第２の端子に向けて
流れる。

駆動回路１０６から出力電流が発生している状
態でタイミング入力が発生すると磁束結合量子干
渉回路１０２は超電導状態から電圧状態に過渡的
にスイツチして駆動回路１０６からの出力電流が
インダクタンス１０３に転送され、インダクタン
ス１０３に出力電流が流れる。駆動回路１０６か
らの出力電流がインダクタンス１０３に転送され
た後は磁束結合量子干渉回路１０２は電圧状態か
ら超電導状態にもどるが、超電導状態にもどつた
磁束結合量子干渉回路１０２とインダクタンス１
０３とで超電導ループが構成されているのでイン
ダクタンス１０３の出力電流に変化はない。ま
た、一度駆動回路１０６からの出力電流がインダ
クタンス１０３に転送された後でタイミング入力
が消失してもインダクタンス１０３の出力電流に
変化はない。

一方、駆動回路１０６からの出力電流が存在し
ない状態でタイミング入力が発生すると、それま
で超電導状態の磁束結合量子干渉回路１０２とイ
ンダクタンス１０３とで構成された超電導ループ
に電流が流れていたとしても磁束結合量子干渉回
路１０２が電圧状態となるので超電導ループが破
れ、インダクタンス１０３を流れていた出力電流
が消失する。もともと、この超電導ループに電流
が存在しなければインダクタンス１０３の出力電
流は０のままである。すなわちタイミング入力が
発生した時点での駆動電流の出力はタイミング入
力がなくなつたあともホールドされてインダクタ
ンス１０３に残る。以上のように、マスターフリ
ツプフロツプ１０１のフリツプフロツプ動作は実
現されている。

スレーブフリツプフロツプ１０５はクロツク到
来時にマスターフリツプフロツプ１０１のデータ
を読み込んで次のクロツク到来までの間そのデー
タを保持する。この時インダクタンス１０３に出
力電流が流れていれば、データ“１”と解釈さ
れ、スレーブフリツプフロツプ１０５の真値信号
（Ｔ信号）がオンになり補値信号（Ｃ信号）がオ
フになる。インダクタンス１０３に出力電流が流
れていなければ、データは“０”と解釈され真値
信号がオフになり補値信号がオンになる。スレー
ブフリツプフロツプの真値信号（Ｔ信号）は端子
１２１を介して配線１０９へ、補値信号（Ｃ信
号）は端子１２２を介して配線１１０に伝えられ
る。レジスタセル１００へは端子１２０を介して
信号が取り込まれる。本発明では交流電源駆動方
式の論理回路を採用している。一般に交流電源駆
動方式の論理回路は活性時間Taの間で論理動作
を行い、不活性時間Tnの間に論理回路はリセツ
トされる。しかし、マスターフリツプフロツプ１
０１は磁束結合量子干渉回路１０２とインダクタ
ンス１０３で構成された超電導ループ内に永久電
流をたくわえておくので不活性時間Tnにも情報
を保持し続けることができる。スレーブフリツプ
フロツプ１０５は活性時間Taの始めにマスター
フリツプフロツプ１０１のデータを読込んで対応
した真・補値出力の情報を端子１２１，１２２か
ら論理回路に送り出す役目をしている。一度、
真・補値の出力が確定すると、その後でマスター
フリツプフロツプ１０１の内容が変つても出力は
変化しない。

第２図はシフトレジスタの信号の発生タイミン
グを示す図である。交流電力は波形２００で示さ
れる部分的に平坦化された台形状の２極性交流電
圧で供給される。スレーブフリツプフロツプ１０
５の動作は波形２０１で示される。活性時間の始
めの時刻Ｔ１でスレーブフリツプフロツプ１０５
はマスターフリツプフロツプ１０１のデータを受
け取り出力端子１２１，１２２に送る。駆動回路
１０６の動作は波形２０２で表わされる。スレー
ブフリツプフロツプ１０５と駆動回路１０６の出
力はTaの途中でオンになる場合とオフのままの
場合とがあるがいずれにせよTnの間に必ず一度
リセツトされる。交流電源駆動方式では交流電源
がクロツクの働きをする。駆動回路１０６は前段
のレジスタセル１００のデータを使つて時刻Ｔ２
でマスターフリツプフロツプ１０１にデータを送
り出す。マスターフリツプフロツプ１０１の動作
は波形２０３で表わされる。タイミング信号はス
レーブフリツプフロツプ１０５の真・補値出力が
確定した時点Ｔ４で発生する。すなわちマスター
フリツプフロツプのデータは活性時間Ta内のＴ
１より遅れた時刻Ｔ４でリセツトされ、Ｔ２より
遅れた時刻Ｔ３でセツトされる。

第３ａ図は駆動回路１０６の回路例である。磁
束結合量子干渉回路３００とバイアス抵抗３０１
と負荷抵抗３０２より構成されている。磁束結合
量子干渉回路３００の第１の端子にはバイアス抵
抗３０１を介して磁束結合量子干渉回路３００を
駆動するゲート電流を流しておく。磁束結合量子
干渉回路３００の第２の端子は接地されている。
第３の端子から第４の端子に向けては、入力端子
１２０からのデータ入力が流れる。ゲート電流は
第２図に示した台形波状交流電流２００である。
Taの時間にこのゲート電流が一定値に達したあ
と、データ入力が入力端子１２０から到来する
と、磁束結合量子干渉回路３００の第２の端子と
第５の端子の間に電圧が発生し、第５の端子に接
続された負荷抵抗３０２を介して出力電流が流
れ、マスターフリツプフロツプ１０１内の磁束結
合量子干渉回路１０２の第１の端子に与えられ
る。

第３ｂ図は駆動回路１０６の他の回路例であ
る。磁束結合量子干渉回路３００にバツフアアン
プとして電流注入量子干渉回路３１０を接続した
形をしており、他に回路を動作させるためバイア
ス抵抗３１１，３１２，負荷抵抗３１３，３１４
が付加されている。電流注入量子干渉回路３１０
は３つの端子を有する。第１の端子と第２の端子
は別の入力電流を加える端子であり、第３の端子
は接地点である。第１の端子と第２の端子の両方
の端子に入力が到来した時のみ電流注入量子干渉
回路３１０は零電圧状態から電圧状態にスイツチ
する。この時第１の端子または第２の端子は出力
端子としても兼用でき、その出力端子から負荷抵
抗を介して出力電流を取り出すことができる。

第３ｂ図で磁束結合量子干渉回路３００の第１
の端子にはバイアス抵抗３１１を介して磁束結合
量子干渉回路３００を駆動するゲート電流を流し
ておく。磁束結合量子干渉回路３００の第２の端
子は接地されている。磁束結合量子干渉回路３０
０の第３の端子から第４の端子に向けては入力端
子１２０からのデータ入力が流れる。ゲート電流
が予め加わつた状態で入力端子１２０からデータ
入力が倒来すると、磁束結合量子干渉回路３００
の第２の端子と第５の端子の間に電圧が発生し、
第５の端子に接続された負荷抵抗３１３を介して
出力電流が流れ、電流注入量子干渉回路３１０の
第１の端子に与えられる。一方、電流注入量子干
渉回路３１０の第２の端子には予めバイアス抵抗
３１２を介して入力電流が与えられているので、
磁束結合量子干渉回路３００から入力が到来する
と直ちに電流注入量子干渉回路３１０は零電圧状
態から電圧状態にスイツチする。すると第２の入
力端子兼出力端子から負荷抵抗３１４を介して出
力電流が流れ、マスターフリツプフロツプ１０１
中の磁束結合量子干渉回路１０２の第１の端子に
与えられる。このように第３ｂ図に示す駆動回路
１０６は第３ａ図に示す駆動回路１０６より多く
の電流をマスターフリツプフロツプ１０１に供給
できるため回路動作が安定している。第４図はス
レーブフリツプフロツプ１０５の回路例である。
この回路はいわゆるSelf Gate AND（SGA）回
路と呼ばれている回路である。４個の磁束結合量
子干渉回路４０１，４０２，４０３，４０４と２
個のバイアス抵抗４０５，４０６、２個の抵抗４
０７，４０８より構成される。磁束結合量子干渉
回路４０１はインダクタンス１０３を介してマス
ターフリツプフロツプ１０１と結合している。磁
束結合量子干渉回路４０１の第１の端子には、交
流電源給電母線４１０からバイアス抵抗４０６を
介して交流電源駆動電流が加えられる。磁束結合
量子干渉回路４０１の第２の端子は超電配線を介
して接地されている。磁束結合量子干渉回路４０
１の第３の端子から第４の端子に到る入力信号線
はマスターフリツプフロツプ１０１の出力インダ
クタンス１０３の一部となつている。磁束結合量
子干渉回路４０１の第５の端子は負荷抵抗４０８
を介して磁束結合量子干渉回路４０３の第１の端
子に接続される。磁束結合量子干渉回路４０２の
第１の端子には交流電源給電母線４１０からバイ
アス抵抗４０５を介して交流電源電流が加えられ
る。磁束結合量子干渉回路４０２の第２の端子は
超電導配線を介して接地されている。磁束結合量
子干渉回路４０２の第３の端子から第４の端子に
到る入力信号線は、磁束結合量子干渉回路４０１
の第２の端子と接地点を結ぶ超電導配線の一部を
形成している。磁束結合量子干渉回路４０２の第
５の端子は負荷抵抗４０７を介して磁束結合量子
干渉回路４０４の第１の端子に接続される。

磁束結合量子干渉回路４０３の第２の端子は接
地されている。磁束結合量子干渉回路４０３の第
３の端子から第４の端子に到る入力信号線は磁束
結合量子干渉回路４０２の第２の端子と接地点を
結ぶ超電導配線の一部を形成している。磁束結合
量子干渉回路４０３の第５の端子はスレーブフリ
ツプフロツプ１０５の真値出力端子である。

磁束結合量子干渉回路４０４の第２の端子は接
地されている。磁束結合量子干渉回路４０４の第
３の端子から第４の端子に到る入力信号線は磁束
結合量子干渉回路４０１の第２の端子と接地点を
結ぶ超電導配線の一部を形成している。磁束結合
量子干渉回路４０４の第５の端子はスレーブフリ
ツプフロツプ１０５の補値出力端子である。

インダクタンス１０３に出力電流が流れている
時に給電母線４１０の電圧が０から定常時まで立
上つたとする。この時、立上る途中ではじめ磁束
結合量子干渉回路４０１が零電圧状態から電圧状
態にスイツチする。すると磁束結合量子干渉回路
４０１の第５の端子から磁束結合量子干渉回路４
０３の第１の端子に出力電流が供給される。磁束
結合量子干渉回路４０１がスイツチした後は磁束
結合量子干渉回路４０２の制御線入力は存在しな
いので磁束結合量子干渉回路４０２は超電導状態
のままである。このため磁束結合量子干渉回路４
０２のゲート電流は、素通りして磁束結合量子干
渉回路４０３の制御線入力に到る。磁束結合量子
干渉回路４０３には従つてゲート電流と制御線入
力の両方が与えられた状態になるため、零電圧状
態から電圧状態にスイツチし、真値出力が発生す
る。磁束結合量子干渉回路４０２及び４０４は零
電圧状態を保つたままであるので補値出力はオフ
のままである。

インダクタンス１０３に出力電流が流れていな
い時に給電母線４１０の電圧が立上つた場合に
は、磁束結合量子干渉回路４０３にゲート電流が
供給されることもなく真値出力はオフのままであ
る。この時磁束結合量子干渉回路４０２の制御線
入力には磁束結合量子干渉回路４０１を素通りし
てきたゲート電流が加わるので、磁束結合量子干
渉回路４０２は電圧状態にスイツチし、出力電流
が磁束結合量子干渉回路４０４のゲート電流に与
えられる。この時磁束結合量子干渉回路４０４の
制御線入力にも磁束結合量子干渉回路４０１を素
通りしてきたゲート電流が加わるので、磁束結合
量子干渉回路４０４は電圧状態にスイツチし、補
値出力がオンとなる。

一度磁束結合量子干渉回路４０２がスイツチし
た後では磁束結合量子干渉回路４０３に加わる制
御線入力が存在しないのでインダクタンス１０３
に出力電流が発生したとしても磁束結合量子干渉
回路４０３はオフのままである。

第５ａ図はマスターフリツプフロツプ１０１に
含まれる磁束結合量子干渉回路１０２に対してタ
イミング信号を発生する回路の一例を示す図であ
る。このタイミング信号発生回路は磁束結合量子
干渉回路５００と、バイアス抵抗５０１と、２組
の制御入力線１０９，１１０とで構成されてい
る。磁束結合量子干渉回路５００の第１の端子に
は交流電源給電母線５０３からバイアス抵抗５０
１を介してゲート電流が供給される。磁束結合量
子干渉回路５００の第２の端子は接地されてい
る。２組の制御入力線１０９，１１０にはスレー
ブフリツプフロツプ１０５からの真値Ｔ及び補値
Ｃの出力がそれぞれ入力される。この制御入力線
１０９，１１０は第３ｂ図の磁束結合量子干渉回
路１０２又は１０３の第２の端子から第４の端子
に到る制御入力線と同様に、入力電流の有無に応
じて、磁束結合量子干渉回路５００を零電圧状態
から電圧状態へ又は逆へスイツチングさせる機能
を有する。このように、第５ａ図のタイミング信
号発生回路は、２組の制御入力線１０９，１１０
を備えた磁束結合量子干渉回路５００がOR回路
として動作することを利用している。従つて、磁
束結合量子干渉回路５００にバイアス抵抗５０１
を介してゲート電流が流れている時に、２組の制
御入力線１０９，１１０のいずれか一方に電流が
流れると、磁束結合量子干渉回路５００は零電圧
状態から電圧状態にスイツチする。すると、端子
５０２に出力電圧が発生する。

この構成ではスレーブフリツプフロツプ１０５
のの信号が確定した後にタイミング信号が端子５
０２に表われ、第２図の波形２０３のタイミング
Ｔ４に相当して、マスターフリツプフロツプ１０
１をリセツトする。第５ｂ図はタイミング信号を
発生する他の回路例である。ジヨセフソン素子５
１０とバイアス抵抗５０１、交流電源給電母線５
０３より構成されている。

ジヨセフソン素子５１０は２つの端子を有す
る。第１の端子から第２の端子に流すゲート電流
がある一定の値（これを最大超電導電流とする）
より少ない間には零電圧状態が保たれるが、一定
の値をこえると電圧状態にスイツチする。ジヨセ
フソン素子５１０の第１の端子には交流電源給電
母線５０３よりバイアス抵抗５０１を介してゲー
ト電流が与えられている。ジヨセフソン素子５１
０の第２の端子は接地されている。ジヨセフソン
素子５１０の最大超電導電流は、バイアス抵抗５
０１を介して交流電源給電母線５０３より供給さ
れるゲート電流に最大値より小さくしておき、不
活性時間Tnの間で必ずジヨセフソン素子５１０
は電圧状態にスイツチするようにしておく。ジヨ
セフソン素子５１０の電圧状態に推移した信号を
遅延回路５１１を使つて遅らせ、タイミング信号
とする。このような方法を用いると、マスターフ
リツプフロツプ１０１のタイミング信号として、
マスターフリツプフロツプ１０１の出力を受ける
スレーブフリツプフロツプ１０５の出力信号を帰
還させて用いる必要がない。これによつて、配線
長を短くし、集積度や動作周波数をを向上させる
という効果がある。ジヨセフソン素子は磁束結合
量子干渉回路でも電流注入形量子干渉回路でも良
いことは明らかである。第６図は本発明の応用例
である疑似ランダムパルス発生回路を示す。４個
のレジスタセル１００を直列に接続し後段２段の
出力信号の排他論理和を初段の入力信号とする回
路構成である。排他論理和信号はレジスタセル１
００の肯定、否定信号を使つて排他論理和回路６
５０を使つて作られる。排他論理和回路６５０は
２個の磁束結合量子干渉回路６００と電流注入量
子干渉回路６０２、２個のバイアス抵抗６０３、
３個の負荷抵抗６０５、２個の抵抗６０４、電源
線６０１より構成される。排他論理和回路の出力
信号Ｆは Ｆ＝（Ａ＋Ｂ）・（Ａ＋Ｂ） ＝Ａ・Ｂ＋Ａ・Ｂ で表わされる。一般にこの疑似ランダムパルスは
Ｍ系列パルスと呼ばれているものである。

〔発明の効果〕

以上説明したごとく本発明によれば、安定に動
作し、かつ、集積度及び動作周波数に優れた超電
導シフトレジスタを実現することができるという
効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるシフトレジスタの構成
例、第２図はシフトレジスタのタイミングチヤー
ト、第３ａ図、第３ｂ図は駆動回路例、第４図は
スレーブフリツプフロツプ回路例、第５ａ図、第
５ｂ図はタイミング信号発生回路、第６図は本発
明の応用例である疑似パルス発生回路である。 １００……レジスタセル、１０１……マスター
フリツプフロツプ、１０５……スレーブフリツプ
フロツプ、１０６……駆動回路、１０２……磁束
結合量子干渉回路、１０３……インダクタ、３０
０……磁束結合量子干渉回路、３１０……電流注
入量子干渉回路、５１０……ジヨセフソン素子、
５１１……遅延素子、６５０……排他論理和回
路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ゼロ値を横切る過渡部分とその間に存在する
   定常部分とを周期的に繰り返す交流電源で駆動さ
   れるジヨセフソン素子で構成され、上記定常部分
   の１サイクルで入力データ信号を増幅転送する駆
   動回路と、上記定常部分で確定した上記駆動回路
   の出力をタイミング信号を受けた時点で取り込ん
   で、そのデータを上記過渡部分の間保持するマス
   ターフリツプフロツプと、上記交流電源の次の１
   サイクルの立ち上がり部分でマスターフリツプフ
   ロツプのデータをよみだし、その１サイクルの定
   常部分に渡つてそのデータを保持し続けるスレー
   ブフリツプフロツプとからなるレジスタセルを前
   段のレジスタセルのスレーブフリツプフロツプの
   出力が次段のレジスタセルの駆動回路への入力デ
   ータ信号になるように複数個直列に接続して構成
   された超電導シフトレジスタ回路において、上記
   駆動回路が上記入力データ信号を制御線入力とす
   る磁束結合量子干渉回路で構成されていることを
   を特徴とする超電導シフトレジスタ回路。 ２ 特許請求の範囲第１項において、上記駆動回
   路が上記入力データ信号を制御線入力とする磁束
   結合量子干渉回路と、この磁束結合量子干渉回路
   の出力電流及び上記交流電源から抵抗を介して直
   接供給される電流を２入力とする電流注入量子干
   渉回路とで構成されていることを特徴とする超電
   導シフトレジスタ回路。 ３ 特許請求の範囲第１項において、上記マスタ
   ーフリツプフロツプへのタイミング信号を発生す
   る回路は、交流電源から供給される電流よりも少
   ない最大超電導電流のジヨセフソン素子の電圧状
   態に推移した信号を遅延させる遅延回路とから構
   成されることを特徴とする超電導シフトレジスタ
   回路。