JPS6039317A - ジョゼフソン電流リミッタ回路 - 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】 本発明は、ジョゼフソン回路系において、前段の不安定
な電流出力に対して後段入力電流の安定化を保証するた
め等に有効なジョゼフソン電流リミッタ回路に関する。

ジョゼフソン接合を用いたジョゼフンン集積回路は高速
低消費電力の故に将来的に見て大いに嘱望されている。

この期待に応えるにはこれ迄の電子技術において用いら
れていたと同様の各種の機能を営む回路要素が必要で、
昨今、盛んにこれら要素が開発されている情況にある。

本発明もそうした一環を成すもので、例えば成るゲート
の電流出力を後段のゲートに伝える場合、当該前段の出
力電流が不安定であると、後段の動作に問題が生じ、特
に過大入力となった場合にその障害が大きいが、そのよ
うな恐れのある時に後段の入力を保護できるように、電
流線路中を流れる当該電流値を所定の値以下にクランプ
することのできるジョゼフソン電流リミッタ回路を提供
せんとするものである。従って、木リミッタ回路はまた
、一種のジョゼフソン定電流回路と言うこともできる。

以下、添附の図面に即して本発明の実施例に就き説明す
る。

第１図及び第２図に示すものは本発明の基本的な実施例
である。

本発明による電流リミッタ回路ｌは、この実施例を始め
、後述の各実施例も含めて、実際に製作された場合には
一般に三端子型の回路となる。即ち、入力電流の入力す
る入力端子Ｔｉ、負荷（図示せず）への出力電流を取出
す出力端子Ｔｏ、そして基準電位、一般に接地電位に接
続される接地端子乃至基準端子Ｔｅの三つの端子を有す
る。入力端子Ｔｉと接地端子Ｔｅとの間には、入力抵抗
Ｒｉが挿入されているが、この抵抗は後述するように主
ジョゼフソン接合の臨界電流値を越える入力電流があっ
た時に当該入力電流の一部分を分流する働きを持ってい
る。

入力端子Ｔｉと出力端子ＴＯとの間の信号線路中には臨
界電流値がＩｔｈＯである主ジョゼフソン接合ＪＯが挿
入されている。良く示られているように、ジョゼフソン
接合の臨界電流値とは、その電流値を越える大きさの電
流を流した場合に当該ジョゼフソン接合がそれまでの零
電圧状態から電圧状態にスイッチングする電流値のこと
を言う。

本発明においては、主ジョゼフソン接合ＪＯに対して両
端を並列に接続した並列線路回路２が設けられるが、こ
の並列線路回路２は、この基本的実施例においては補助
抵抗Ｒ１と補助ジョゼフソン接合Ｊ１との直列接続回路
１１がら成るものである。

このような静的な構成の下でこの実施例においては実際
の製作上も有利で後述のように最大電流制限値の画一化
にも有利なことから、・補助ジョゼフソン接合Ｊｌの臨
界電流値ｒｔｈｉを主ジョゼフソン接合ＪｏのそれＩｔ
ｈＯと同じに選んでいる。即ち、ＩｔｈＯ＝　Ｉｔｈｌ
　・・・（１） である。

入力電流１１の値をＩｉ、出方電流ｉｏの値をＩｏで表
すものとして本回路の動作を第２図に即し説明すると、
入力電流ｉｌが値１ｔｈＯに至るまでは、主ジョゼフソ
ン接合Ｊｏが零電圧状態にあるため、当該入力電流ｉｉ
は原理的に全て出力電流１ｏとして出方されていく。

即ち、第２図中、最初の曲線部分ＡはＩｏ＝　Ｉｉなる
リニアな関係にて規定される。尚、ここでは原理説明上
、負荷抵抗を零、即ち出方端子Ｔｏを接地に落として説
明する０本回路の目的がそもそも最大電流の制限にある
からである。

然るに、入力電流ｌｉの値１ｉが主ジョゼフソン接合Ｊ
ｏの臨界電流値１ｔｈＯに至ると、当該主ジョゼフソン
接合ＪＯは電圧状態乃至高抵抗状態にスイッチする。こ
の高抵抗状態における当該接合Ｊｏの抵抗値は、電流回
路としてエネルギ損を極力小さく抑えて所期の目的を果
たそうとするこの種の回路中に設けられる各抵抗値に比
せば無視できる程大きな値である。従って、接合がスイ
ッチしたということは、通常の接点式スイッチを開いた
時と略Ｃ同様に考えて良く、当該接合の部分で線路が開
放されたものとして良い。

上記のように、入力電流の値が主ジョゼフソン接合ＪＯ
の臨界電流値ＩｔｈＯに至って当該接合をスイッチさせ
ると、以後、入力電流ｉｉは最早、主ジョゼフソン接合
を介しては流れず、入力抵抗Ｒｉを介する線路と、補助
抵抗Ｒ１と補助ジョゼフソン接合Ｊ１の直列回路１１を
介する線路とに分流して流れるようになる。従って、主
ジョゼフソン接合がスイッチした瞬間の出力電流値は第
２図中、８部分にて示すように、次の（２）式にて示す
値にまで急峻に落込む。

この場合、直列回路１１乃至主ジョゼフソン接合に対す
る並列線路回路２に分流する電流成分が出力電流ｉｏと
なるから、その出力電流値Ｉｏは次の式で表すように変
わる。

Ｉｏ＝　ＩｔｈＯ・Ｒｉ／　（Ｒｉ＋Ｒ１）　・・・（
２）この状態から更に入力電流Ｉｉの電流値Ｉｉが上昇
して行く過渡期にあっては、出力電流値Ｉｏは次の（３
）式に即して上昇して行く。第２図中においてこの部分
は傾きがＲｉ／（Ｒｉ＋Ｒ１）である直線部分Ｃで示さ
れる。

１ｏ＝　ｌｌ−Ｒｉ／　（Ｒｉ＋Ｒ１）　・・・（３）
この　（３）式に即して入力電流ｉｉの値１ｉが上昇し
て行き、やがて、並列線路回路２中に分流する電流成分
の値、即ち出力電流ｉｎの値Ｉｏが当該並列線路回路２
中の補助ジョゼフソン接合Ｊ１の臨界電流（ｉｌｔｈｌ
に至ると、当該補助ジョゼフソン接合がスイッチし、こ
の時点で出力電流ｉｏは値零となる。

この時の入力電流値Ｉｉは次の式で表すことができる。

ｌ１＝Ｉｔｈｌ　・　（旧＋Ｒ１）　／Ｒ１・　・　・
　（０この状態以降は、入力電流は全て入力抵抗Ｒｉ中
に流される。

このような基本的実施例においては、顕かなように、第
２図に範囲Ｏ≦■賀≦Ｉｔｈｌ・（Ｒｉ＋Ｒ１）　／Ｒ
１で示す入力電流値範囲にあって、その最大出力電流値
を所定の値（この場合ｒｔｈｏまたはｒｔｈｌ）以下に
制限し、また時間的な平均電流という概念を導入すると
、成る一定の平均電流１ａに定電流化し得ることが分る
。

然るに、上記した範囲Ｉｗは、本回路のダイナミック・
レンジを示すものとも言える。従って、これが広い方が
良いとされる用途も十分に考えられる。

これに応えるには、上記の基本的な実施例に追加の構成
として、下記の各種の実施例に示す構成を持って対応す
ることができる。

第３図及び第４図に示す第二の実施例は、主ジョゼフソ
ン接合ＪＯに対する並列線路回路２中に、第一番目の補
助抵抗Ｒ１と補助ジョゼフソン接合Ｊｌとから成る先と
同様の直列回路１１から、整数で第ｎ番目までの直列回
路ｉｎに至る整数でｎ個の直列回路１１〜Ｉｎを設け、
第一番目の直列回路１１は先と同様に主ジョゼフソン接
合ＪＯに対して並列に接続するが、第二番目から第ｎ番
目までの各直列回路１２〜Ｉｎは、夫々一つ前の番目の
直列回路中の補助ジョゼフソン接合Ｊｉ−１（ｉ＝１．
２．、、、、、ｎ）に対して並列に接続するようにした
ものである。この回路の動作は、第２図示の第一実施例
の動作波形を繰返して行くような波形で表すことができ
る。

主ジョゼフソン接合Ｊｏがスイッチし、更に第一番目の
直列回路１１中の補助ジョゼフソン接合Ｊ１がスイッチ
するまでの動作は先の基本的実施例と全く同一のメカニ
ズムである。即ち、第４図中、曲線部分Ａ、Ｂ、Ｃ，に
即するカーブを描く。

然し、入力電流の値１１が第一補助ジョゼフソン接合Ｊ
１の臨界電流値１ｔｈｌに至って当該接合Ｊ１がスイッ
チした瞬間には、今度は次に低インピータンスである第
二の直列回路１２中に出力電流１０としての分流成分が
生じ、従って、当該瞬間においては出力電流値１ｏは第
４図中のＤ部分に見られるように一時的に次式で示す値
に落込む。

Ｉｏ＝　Ｉｔｈｌ　・Ｒｉ／　（Ｒｉ＋Ｒ１＋Ｒ２）　
−・・（５）そして、その後の引続く入力電流ｉｉの増
加に対しては先と同様に、今度は第二番目の直列回路１
２中を直列になった抵抗Ｒ１，Ｒ２の合成抵抗値と入力
抵抗Ｒｉの値との比に応じた分流電流が流れ、出力電流
として出力されていく。この時の出力電流増加曲線は第
４図中のＥ部分にて表すことができる。当然に、その傾
きはＲｉ／　（Ｒｉ＋Ｒ１＋Ｒ２）である。

全く同様に、この曲線Ｅに沿って入力電流が増加するに
伴い出力電流が増加して行って、この第二番目の直列回
路１２中の補助ジョゼフソン接合ｊ２の臨界電流値Ｉｔ
ｈ２にも達すると、当該補助ジョゼフソン接合Ｊ２の開
放により、今度は抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を介して第三番
目の直列回路１３中に分流成分が流れるようになる。上
記のように第二の補助ジョゼフソン接合Ｊ２がスイッチ
した瞬間の曲線は、第４図中で一時的に電流値が急峻に
落込む部分Ｆにて表され、それ以後の入力電流の増加に
対してはその曲線の傾きがＲｉ／　（Ｒｉ＋Ｒ１＋Ｒ２
＋Ｒ３）である部分Ｇに沿う動作となる。

以下、同様にしてこのような動作がｎ段目まで繰返され
ていくため、結局、この段数ｎを多く採れば任意にダイ
ナミック・レンジＩｗを、稼げることになる。尚、最後
の段、即ちｎ番目の直列回路Ｉｎの接合Ｊｎが切れる寸
前までの出力電流の増加曲線は、次式に沿うものとなる
。

Ｉｏ＝　ｒｉ　−Ｒｉ／　（Ｒｉ＋Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３＋
、、、、＋Ｒｎ）・・・（６） この実施例の回路においては、あえて複雑にする意図を
持たなければ、各ジョゼフソン接合の臨界電流値や各抵
抗の値は全て等しく採るのが設計性も良いし製作上も有
利である。然し、意図的に抵抗値を変えれば、第５図及
び第６図示の実施例構成も採ることができる。

第５図示の実施例は主ジョゼフソン接合に対して並列に
挿入される並列線路回路ｚ中に補助ジョゼフソン接合と
補助抵抗との直列回路１１〜１ｎを複数点では第二の実
施例と同じであるが、全ての直列回路１１〜１ｎが互い
に並列に、従って主ジョゼフソン接合に対しても全て並
列に接続されている点で異なっている。そしてまた、こ
の実施例においては、全ての補助抵抗に抵抗値の値が異
なるものを使用する。抵抗の符号を各抵抗値を示すもの
としても流用すると、例えば、 Ｒ１＜　Ｒ２＜　Ｒ３＜　、、、、、、＜Ｒｎ−１＜　
Ｒｎ・・・（７） とするのである・すると、各ジョゼフソン接合の臨界電
流値は全て同じに設計したとしても、入力電流の増加に
伴い、最初に主ジョゼフソン接合がスイッチした後、次
に電圧状態にスイッチする補助ジョゼフソン接合は最も
抵抗値の小さな抵抗Ｒ１に直列に接続した第一直列回路
１１中の補助ジョゼフソン接合Ｊ１であり、これがスイ
ッチした後にスイッチする接合は、その次に抵抗値の低
い抵抗Ｒ２に直列に接続したジョゼフソン接合ｊ２とな
る。以下同様に、この繰返し動作がｎ段目まで続けられ
て行く。

この実施例の動作においては、最初に主ジョゼフソン接
合がスイッチした後の久方電流対出方電流値の関係は次
式にて表すことができる。

１ｏ＝　Ｉ　１−Ｒｉ／　（Ｒｉ＋Ｒ１／　Ｒ２／　Ｒ
３／　、、、、、、、。

、、、、／Ｒｎ−１／Ｒｎ）　＋　＋　＋　（８）尚、
記号ｌはこれで結ばれた全ての抵抗値の並列合成抵抗値
を表す。従って、この場合は抵抗旧からＲｎまでの全て
の抵抗の並列合成抵抗値を示す。

この条件下で第−直列回路中への分流分が第一補助ジョ
ゼフソン接合Ｊ１の臨界電流値を越え、当該補助ジョゼ
フソン接合Ｊ１がスイッチした後の入力電流対出力電流
値関係は、上記式において抵抗値Ｒ１を除いた全ての補
助抵抗の並列合成抵抗値に置き変えた式にて表すことが
できる。同様にして、二段目、三段目、・・・というよ
うに−っづつ補助ジョゼフソン接合が切れて行く度に、
その接合に直列になっている補助抵抗が上記並列合成抵
抗値部分から外されて行き、最後のジョゼフソン接合Ｊ
ｎが切れる寸前の人出方電流関係は次式にて表すことが
できる。

１ｏ＝　ｌｌ−Ｒｉ／　（Ｒｉ＋Ｒｎ）　−−−（９）
この実施例では、特に、入力抵抗の値と各補助抵抗の値
との間に次の関係 Ｒｉ＞　＞　Ｒｎ＞　Ｒｎ−ｘ　＞　、、、、＞　Ｒ２
＞　Ｒ１・・・（１０） を結んで置くと、上記（８）式から（８）式に至る抵抗
値項の値は略ぐ１にすることができる。

Ｒｉ／　（Ｒｉ＋Ｒｎ）、Ｒｉ／　（Ｒｉ＋Ｒｎ−１／
Ｒｎ）、、、、、、、、。

Ｒｉ／　（Ｒｉ＋Ｒ１／　Ｒ２／　、、、、／Ｒｎ−＋
　／　Ｒｎ）　＝　１＋Ｚ　ＩｏユＩｉ　・・・（１１
） 即ち、この回路構成によれば、単にリミッタ回路として
入力電流の出力電流への伝達分を最大値にて抑え込むだ
けでなく、上記（１１）式が示すように、実質的に定電
流回路として動作させ得ることが分かる。但し、先の第
二の実施例においても、抵抗値項の分母に掛かる値はこ
の実施例とは異なり各補助抵抗の直列合成値ではあるが
、入力抵抗Ｒｉの方をこれら補助抵抗の値に比して十分
に大きな値とすれば、やはり成る程度の定電流化は図り
得るものである。

第６図示の実施例は、主ジョゼフソン接合に対する並列
線路回路２が複数の補助抵抗−補助ジョゼフソン接合の
直列回路１１〜１ｎを含んで成ること、及びその第一番
目の直列回路１１が主ジョゼフソン接合に対して並列に
接続されていることは同様であるが、第二番目以降の直
列回路１２〜ｉｎを、一つ前の番目の直列回路中の補助
抵抗に対して並列に接続した点で異なっている。また、
この第四の実施例においても、各補助抵抗の値は同じに
はせず、第三の上記実施例と同様に異ならせているが、
但し、第三の実施例と違って、例えば抵抗Ｒ１からＲｎ
に行くまでに順次、小さな値の抵抗値となるように選ん
でいる。

Ｒ１＞Ｒ２＞Ｒ３＞　、、、、、、＞Ｒｎ−ｒ　＞Ｒｎ
・・・（１２） 従って、主ジョゼフソン接合の臨界電流値を越えた後、
次にスイッチする補助ジョゼフソン接合は最も抵抗値の
低い補助抵抗Ｒｎに接続している第ｎ補助ジョゼフソン
接合Ｊｎであり、以下、同様にして抵抗値の低い順番に
それらに接続している補助ジョゼフソン接合が順次、電
圧状態にスイッチしてい〈。主ジョゼフソン接合Ｊｏが
切れた直後の最初と、補助ジョゼフソン接合の最後のも
のＪｌが切れる直前の最後の入出力電流関係を夫々挙げ
れば次のようになる。

１ｏ＝Ｉｉ　・　旧／　（Ｒｉ＋Ｒ１／Ｒ２／Ｒ３／　
、、、、、、、。

、、、、　／Ｒｎ−１／Ｒｎ）　・・・（１２）Ｉｏ＝
Ｉｉ・旧／（Ｒｉ＋Ｒ１）　・・・（１３）従って、同
様に、入力抵抗値Ｒｉに対して補助抵抗の中でも最も大
きな抵抗値の抵抗Ｒ１の値を十分小さく採って置けば、
即ち、 Ｒｉ＞＞Ｒ１・・・（１４） として置けば、先と同様の理屈により出力電流の定電流
化が図れることになる。

以上の実施例においては、いづれも、各補助ジョゼフソ
ン接合の臨界電流値は全て同じであると仮定した。実際
にはそのようにすることが設計上も製作上も有利である
。が、意図的に臨界電流値を異ならせることもでき、徐
々に臨界電流値の大きくなって行く補助ジョゼフソン接
合部を上記した各実施例に組合せて用いることにより、
順次に各直列回路中の補助ジョゼフソン接合が切れて行
く構成を採ることも勿論できる。

いづれにしても、以上詳記のように、本発明によればジ
ョゼフソン回路系における電流リミッタ回路として構成
至便にして信頼性の高いものが提供でき、冒頭に述べた
ジョゼフソン効果利用技術に大きく貢献することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本的な実施例の概略構成図、第２図
は第１図示回路の動作説明図、第３図は本発明第二の実
施例の概略構成図、第４図は第３図示回路の動作説明図
、第５図及び第６図は本発明の他の実施例の概略構成図
、である。 図中、■は全体としてもジゴゼフソン電流リミッタ回路
、２は主ジョゼフソン接合に並列に接続された並列線路
回路、Ｔｉは久方端子、Ｔｏは出力端子、Ｔｅは接地乃
至基準電位端子、Ｒｉは入力抵抗、Ｊｏは主ジョゼフソ
ン接合、Ｊｌ−Ｊｎは補助ジョゼフソン接合、Ｒ１−Ｒ
ｎは補助抵抗、である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）入力端子と出力端子との間の信号線路を流れる電流
   値を一定の値以下に制限するジョゼフソン電流リミッタ
   回路であって、 上記信号線路に直列に挿入された主ジョゼフソン接合と
   、 上記入力端子と基準電位間に挿入された入力抵抗と、 上記主ジョゼフソン接合に並列に接続された並列線路回
   路と、を有し、 上記並列線路回路は、補助抵抗と補助ジョゼフソン接合
   とを直列に接続して成っていることを特徴とするジョゼ
   フソン電流リミッタ回路。 ２）入力端子と出力端子との間の信号線路を流れる電流
   値を一定の値以下に制限するジョゼフソン電流リミッタ
   回路であって、 上記信号線路に直列に挿入された主ジョゼフソン接合と
   、 上記入力端子と基準電位間に挿入された入力抵抗と、 上記主ジョゼフソン接合に並列に接続された並列線路回
   路と、を有し、 上記並列線路回路は、夫々、補助・抵抗と補助ジコゼフ
   ソン接合とを直列に接続して成る第一番目から第ｎ番目
   までの整数でｎ個の直列回路を有し、第一番目の上記直
   列回路は上記主ジョゼフソン接合に並列に挿入されると
   共に、第二番目から第ｎ番目までの上記直列回路の各々
   は、夫々、一つ前の番目の上記直列回路中の補助ジョゼ
   フソン接合に対して並列に接続されて成ることを特徴と
   するジョゼフソン電流リミッタ回路。 ３）入力端子と出力端子との間の信号線路を流れる電流
   値を一定の値以下に制限するジョゼフソン電流リミッタ
   回路であって、 上記信号線路に直列に挿入された主ジョゼフソン接合と
   、 上記入力端子と基準電位間に挿入された入力抵抗と、 上記主ジョゼフソン接合に並列に接続された並列線路回
   路と、を有し、 上記並列線路回路は、夫々、補助抵抗と補助ジョゼフソ
   ン接合とを直列に接続して成る第一番目から第ｎ番目ま
   での整数でｎ個の直列回路を有し、第一番目の上記直列
   回路は上記主ジョゼフソン接合に並列に挿入されると共
   に、第二番目から第ｎ番目までの上記直列回路の各々は
   、夫々、一つ前の番目の上記直列回路中の補助抵抗に対
   して並列に接続されて成ることを特徴とするジョゼフソ
   ン電流リミッタ回路。