JPS60125018A - 超伝導論理ゲ−ト - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明はジョセフソン接合を構成要素に含む超伝導論理
ゲートに係り、特に、バイアス信号に対して逆極性の入
力信号には応答してスイッチするが同極性の入力信号に
は応答しない特性をもつ超伝導論理ゲートに関するもの
で、ゲート回路内にインダクタンスを含まないで抵抗と
ジョセフソン接合のみで構成した小形、広マージンの電
流注入形の論理ゲートを実現することを図ったものであ
る。

〔発明の背景〕

従来、超伝導論理ゲートとしては、インダクタンスとジ
ョセフソン接合とにより閉ループを形成し、インダクタ
ンスに入力信号を磁気的に結合した構造をもつ磁気結合
形ゲートと、直接、接合に電流を注入する形式の電流注
入形ゲートの２種類が知られており、広く用いらねてい
る。

これ等ゲートのうち磁気結合形ゲートはその回路パラメ
ー゛夕の選択によっては、バイアスと互いに極性の異な
る入力信号のみに高い感度を示し、同極性の入力信号に
は応答しないような特性をもたせることが可能である。

しかしながらインダクタンスを用いるため、寸法が大き
く、゛またスイ。

チ速度が遅いという問題かあった。

一方、注入形ゲートは寸法が小さく、高速動作が可能で
ある反面、バイアス信号と逆極性の入力信号にのみ応答
し、同一極性をもつ信号に応答しないような特性をもた
せることが困難であり、本発明の目的とするゲートの構
成は不可能であるという問題があった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、従来技術での上記した問題点を解決し
、バイアス信号と同極性の入力信号には応答せず逆極性
の入力信号には高感度に応答する、小形、高速動作とす
ることのできる電流注入形の超伝導論理ゲートを提供す
ることにある。

〔発明の概要〕

本発明の特徴は、上記目的を達成するために、バイアス
信号を導入するバイアス端子と入力信号を注入する入力
端子と出力信号を取出す出力端子とを有し、ジョセフソ
ン接合の一方端をバイアス端子に接続し、他方端を抵抗
を介して接地電位とし、上記抵抗とジョセフソン接合と
の接続交点を入力端子に接続し、上記バイアス端子とジ
ョセフソン接合との接続点を出力端子に接続した構成の
超伝導論理ゲートとするにある。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。第１
図（ａ）は実施例回路図、ｆｂ）はそのしきい値特性図
である。第１図において、１はバイアス信号が導入され
るバイアス端子、２は入力信号が注入される入力端子、
３は出力信号取出し用の出力端子、Ｊはジョセフソン接
合、Ｒｓは入力信号の接地側の抵抗、ＲＬは負荷抵抗を
示す。ジョセフソン接合Ｊは抵抗Ｒｓを介して接地され
、かつ抵抗Ｒｓとの接続交点に入力端子２が接続され、
接合Ｊの他方端子にバイアス端子１が接続され、さらに
上記接合Ｊの上記他方端子に抵抗ＲＬを介して出力端子
３が接続される構成となっている。

このような構成とした論理ゲートのしきい値特性は、第
１図（ｂｌに示すように、バイアス信号ＩＢと同符号の
入力信号Ｉｃに対しては動作しないが、異符号の入力信
号Ｉｃに対−してはスイッチ動作〔直線（イ）のしきい
値より外側の斜線部分で正常動作〕する特性となる。即
ち、 （１）バイアス端子１に接合Ｊの臨界電流よりも小さな
信号レベルのバイアス信号ＩＪＳ　Ｃｆｂ１図では直線
（ロ）以下の領域に対応する〕を印加する。

（２）入力端子２にバイアス信号と同一符号の入力信号
を印加すると、入力信号の大部分は抵抗助を通って接地
側に流れ、入力信号の一部分は接合Ｊをバイアス信号を
打消丁方向に流れる。このため接合Ｊはスイッチせず、
出力端子３にはｉｔｓ部分の電位上昇に対応するわずか
な信号しか得られない。

（３）　入力端子２にバイアス信号と逆極性の入力信号
が印加されると、入力信号の一部はＲｓを介して接地か
ら入力端子２に向う方向に流れ、一部は出力端子３及び
負荷抵抗Ｒａ、から接合、、Ｔ４−介して入力端子２に
向う方向に流れることになる。この場合は入力信号によ
って接合Ｊに流れる電流はバイアス電流と同一方向であ
り、重ね合わされることになり、この結果、接合Ｊは電
圧転移し、高抵抗を呈する。このため、出力端子３かも
大きな振幅の出力信号を取出すことかできる。この場合
の動作領域は、（ｂｌ図の直線（イ）の負側の斜線で示
したように広いものとなる。

上に述べたように、第１図回路は、逆極性の信号のみに
感度よく応答する。この回路は抵抗とジョセフソン接合
のみで構成されてインダクタンスを必要としないことか
ら、小形であり、またインダクタンスによる遅延かなく
高速動作が可能であるという特長を有する。

第２図は本発明の他の実施例を示す回路図としきい値特
性図であり、３個のジョセフソン接合Ｊｌ。

Ｊ２．Ｊａを有する場合である。各接合Ｊｌ、　Ｊ２．
　Ｊａは一点で接続され、その交点にはバイアス端子１
と、さらに負荷抵抗Ｒ，Ｌを介して出力端子３が接続さ
れる。接合Ｊ１．　Ｊｚ、　Ｊｓの他方端はそれぞれ抵
抗Ｒｚ。

Ｒ，２，Ｒ３を介して接地され、ＪｌとＲ１の接続交点
と、＋２とＲ２の接続交点との間には第１のバイパス抵
抗ＲＢＰＩが、また、＋２とＲ，２の接続交点と、＋３
とＲ３の接続交点との間には第２のバイパス抵抗ＲＢＰ
２が接続されている。さらに、ＪｌとＲｚの接続交点に
は入力端子２が接続される。

このような構成の論理ゲートのしきい値特性は第２図［
ｂｌのようになる。図中（ｉｌｔ　（ｉＬ　（ｍｌはそ
れぞれ接合Ｊｌ、　＋２．　＋３が以下に示すようなス
イッチング動作において持つしきい値曲線を示し、ゲー
トとして正常動作が可能となるバイアス信号及び入力信
号の領域は斜線部に対応する。

第２図実施例のゲートは次のよ５な動作を行う。

（１）バイアス端子１からバイアス信号を印加すると信
号は抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の値の逆数に比例する大きさ
をもって各抵抗に分流する。この電流によっては各接合
ともスイッチしないようにバイアス信号レベルを設定す
るものとする〔バイアスのみでスイッチするしきい値は
曲線Ｏｖｌである〕。

（２）バイアスと逆極性の入力信号が印加されると、接
合Ｊｌには、バイアスの分流分の他に、バイアス端子方
向からＪｌを端子２に向って流れる電流、接地→Ｒ２→
Ｊ２を経てＪｌに流入する電流、接地−）Ｒ１３→Ｊ３
を経てＪｒに流入する電流の全てが重ね合ゎさ−れて流
れる。このためＪｌが高い入力感度をもってスイッチす
ることになる。このスイッチしきい値の例を第２図ｆｂ
ｌ（＋１に示す。

（３１Ｊｌがスイッチすると、バイアスはＲ２とＲ３の
抵抗の逆数に比例する割合で、＋２と＋３に分流する。

一方、入力信号や一部は接地→Ｒ１を経て端子２に流れ
るが一部は接地→Ｒ３→Ｊ３を経て＋２に流れ端子２に
流出する。このため、＋２には多大な電流が流れること
になり、＋２はスイッチする。このときのしきい値特性
は図の（ｂａｌｌのようになる。

（４）　Ｊｌ、　＋２　カスイッチするとバイアス信号
は＋３に集中する。一方、入力信号の一部は、接合の共
通接続端子の方から＋３→抵抗→２の経路で端子２に流
出する。このため＋３に信号が集中し、＋３もスイッチ
する。このときのしきい値特性は図の（ｂ）（ｍ＋のよ
うになる。

（５）以上の（１）〜（ｉｉｉｌのしきい値と、バイア
スのみでスイッチするしきい値ＯＶ）とで囲まれた斜線
部の動作領域に含まれる動作点Ｘでは、ゲートはスイッ
チし、バイアス信号は負荷九を介して出力される。一方
、入力信号はＲ１−Ｒ３で接地側にシャントされること
になる。

（６）一方、バイアス信号の極性と同極性の入力信号に
対しては、入力信号のほとんどはＲ，１〜Ｒ３を介して
接地に流れる。この際、一部の入力電流は２→Ｊ１→共
通接続点→Ｊ２→Ｒ２→接地、あるいは２→Ｊｘ、→共
通接続点→Ｊ３→Ｒ３→接地というようにバイアス信号
と重ね合わさって＋２．　＋３に流れる。しかし、＋２
及び＋３の臨界電流値を、バイアスのみ流したとぎに各
接合に流れる電流よりも余裕をもって設計（例えばＲ１
＝Ｒ２＝Ｒａのとき接合Ｊｌの臨界電流をＩＪとして＋
２．　Ｊａの各々のそれを１．５　ＩＪにするというよ
うに）しておけば、順方向電流では＋２゜＋３は入力感
度か小さく、例えは第２図（ｂｌ　Ｍのようになり、通
常の動作レベル（図中のＹ点）ではゲートがスイッチし
ないように、決めることかできる。

以上説明したように、第２図実施例では、バイアス信号
と逆極性の入力信号には高感度で応答するが、同一極性
の入力信号には応答しない特性を得ることができる。こ
の場合も第１図の実施例と同様に、インダクタンスを必
要とせす、小形かつ高速化が可能となるという特長があ
る。さらに、第２図実施例によ、れば１．ｈがスイッチ
するには微小電流を印加すればよく、それにより大きな
バイアス信号を出力に取り出し得るため、第１図の実施
例に比べ、逆極性信号に対する利害が大きくとれるとい
う特長がある。

以上の基本概念を変えることなく種々の変形、変更の可
能なことはいうまでもない。例えは、さらに感度を上げ
るためにゲートの出力段に増幅段を挿入してもよい。ま
た、第３図のように、接合Ｊ４と抵抗Ｒ４の直列回路を
さらに追加してバイアス端子と接地間に接続し、その接
続中点と＋３．　ｌ（，３の接続中点とを抵抗を介して
接続する構成としてもよい。この第３図構成によれば、
入力感度をさらに大きくとれることになる。さらに、第
４図のように、第２図におげろＪｌ、　ＲＩの接続中点
とＪ２．　Ｒ２の接続中点間にバイパス抵抗Ｒｎｐｘを
、Ｊｌ、Ｒ１の接続中点とＪ３．　’Ｒａの接続中点間
にバイパス抵抗Ｒ，ＢＰ２を接続する構成としても同様
の特性を実現することかできる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれは、インダクタンス
を必要とせず、抵抗と接合のみで構成できる小形、広マ
ージンの電流注入形のもとで、逆極性入力に対してのみ
応答する特性をもたせることができる。このようなゲー
トは、多相のバイポーラ信号を電源信号として用いるジ
ョセフソン論理回路において、ダイオード的な特性を実
現できることを意味しており、これにより、従来の論理
ゲートでは実現できなかった入力信号の種類によって回
路動作を変化させたり、バイアス信号の極性によって回
路動作を変化させたりすることが可能となり、これは、
論理回路の機能を拡大するものであり、応用範囲を広げ
るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す図で（ａ）は回路図、
（ｂ）はそのしきい値特性図、第２図は本発明の他の実
施例を示す図で（ａｌは回路図、（ｂｌはそのしきい値
特性図、第３図及び第４図はそれぞれ本発明のさらに他
の実施例を示す回路図である。 〈符号の説明〉 １・・・バイアス端子 ２・・・入力端子 ３・・・出力端子 Ｊ、Ｊｌ−Ｊ４・・・ジョセフソン接合Ｒｓ、　Ｒ１−
Ｒ４・・・接地側の抵抗ＲＬ・・・負荷抵抗 、ＲＢＰｌ、　Ｒ，ＢＦ２・・・バイパス抵抗特許出願
人　日本電信電話公社 代理人弁理士　中　村　純　之　助 １’１　図 （Ｑ） （ｂ） Ｉｃ 中２図 （Ｑ） ■ （ｂ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）バイアス信号を導入するバイアス端子と入力信号
   を注入する入力端子と出力信号を取出す出力端子とを有
   し、ジョセフソン接合の一方端ヲバイアス端子に接続し
   、他方端を抵抗を介して接地電位とし、上記抵抗とジョ
   セフソン接合との接続交点を入力端子に接続し、上記バ
   イアス端子とジョセフソン接合との接続交点を出力端子
   に接続してなる超伝導論理ゲート。 （２、特許請求の範囲第１項記載の論理ゲートにおいて
   、複数個のジョセフソン接合を有し、各接合の一方端は
   共通のバイアス端子に接続され他方端はそれぞれ別個の
   抵抗を介して接地され、各々の抵抗とジョセフソン接合
   の接続交点間はそれぞれ抵抗で接続されており、抵抗と
   ジョセフソン接合の接続交点の一つを入力端子に、バイ
   アス端子とジョセフソン接合の接続交点を出力端子に接
   続してなる超伝導論理ゲート。