Характериограф для измерения управляющей характеристики сверхпроводящего квантового запоминающего элемента

 

Изобретение относится к области электроники и вычислительной техники. Характериограф сверхпроводящегб квантового запоминающего элемента содержит усилитель 1 выходного напряжения, генератор 3 транспортного и управляющего токов, регистрирующий блок 4, цифровой блок 2 задания циклической программы измерения управлякяцего и транспортного токов. В описании изобретения даны электрические схемы битока 2 задания циклической программы изменения управляющего и транспортного токов и генератора 3 транспортного и управляющего токов. Характериограф имеет повышенную точность измерения. 2 з.п, ф-лы, 4 ил. с

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН ся) 4 С 01 К 31/26

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСНОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ фиг 1

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 4068135/24-21 (22) 29.05.86 (46) 07.06.88. Бюл. У 21 (72) В.С.Бобров (53) 621.317(088.8) (56) Von М.Zahu, Jene. Измерительное устройство для регистрации квантовых интерференций критического тока сквида с туннельными контактами. — Ехрег.

Technik Physik, 28(1980), 163. (54) ХАРАКТЕРИОГРАФ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

УПРАВЛЯЮЩЕЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО КВАНТОВОГО ЗАПОМИНАЮЩЕГО

ЭЛЕМЕНТА с (57) Изобретение относится к области

„SUÄÄ 1401417 А 1 электроники и вычислительной техники.

Характериограф сверхпроводящего квай тового запоминающего элемента содер- . жит усилитель 1 выходного напряжения, генератор 3 транспортного и управляющего токов, регистрирующий блок 4, цифровой блок 2 задания циклической программы измерения управляющего и транспортного токов. В описании изобретения даны электрические схемы блока 2 задания циклической программы изменения управляющего и транспортного токов и генератора 3 транспортного и управляющего токов ° Характериограф имеет повышенную точность измерения.

2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1401417

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения характеристик приборов на основе эффекта Джозефсона 5 для СВЧ-электроники и вычислительной техники.

Цель изобретения — повышение точности путем снятия участков перехода управляющей характеристики из одного состояния в другое.

На фиг.1 изображена схема характериографа для снятия управляющей характеристики сверхпроводящего квантового запоминающего элемента (СКЗЭ); на фиг.2 †.схема блока задания циклической программы изменения управляющего и транспортных токов, на фиг.3 —схема генератора управляющего и транспортного токов, на фиг.4 — управляю-20 щая характеристика СКЗЭ.

Устройство содержит усилитель 1 выходного напряжения, блок 2 задания циклической программы изменения управляющего (I ) и транспортного (I ) 25 токов .(ПУ), генератор 3 управляющего и транспортного токов, регистрирующий блок 4 с входами Х и У (осциллограф).

Усилитель 1 через блок 2 соединен с соответствующими входами генерато- 30 ра 3 управляющего и транспортного токов, первые выходные шины которого соединены с токовыми входами объекта

5 контроля (СКЗЭ), потенциальные входы которого соединены с соответствую35 щими входами усилителя 1. Вторые вы" ходные шины генератора 3 соединены с соответствующими входами Х и У регистрирующего блока 4.

Блок 2 задания циклической программы измерения управляющего и транспортного токов содержит четыре четырехразрядных счетчика 6-9, четырехразрядный дешифратор 10, пять RSтриггеров 11-15, восемь элементов ИЛИ

16-23, два элемента И-НЕ 24 и 25, три инвертора 26-28, две дифференцирующие цепи 29 и 30, мультивибратор

31, два цифроаналоговых преобразователя (ЦАП) 32 и 33.

Счетные входы счетчиков 6 и 7 соединены с выходом мультивибратора 31, R-вход первого счетчика 6 — с выходом первого инвертора 26, R-вход второго счетчика 7 — с прямым выходом пятого

RS-триггера 15, вход первого инвертоS5 ра 26 — с выходом первого элемента

И-НЕ 24, соответствующие входы которого соединены с выходом первой RC" цепи 29 и с прямым выходом пятого

RS-триггера 15 °

Вход первой дифференцирующей КСцепи 29 соединен с четвертой числовой шиной дешифратора 10, S-вход пятого

RS-триггера 15 — с четвертой разрядной шиной второго счетчика 7, R-вход пятого RS-триггера 15 — с выходом второй дифференцирующей КС-цепи 30, вход которой соединен с входом бло« ка 1.

Счетный вход третьего счетчика 8 соединен с нулевой числовой шиной дешифратора 10, счетный вход четвертого счетчика 9 — с выходом второго элемента 25 И-НЕ, R-вход третьего счетчика 8 — с выходом третьего 28 инвертора, R-вход четвертого счетчика 9 заземлен, первый вход второго элемента И-НЕ 25 соединен с шиной переноса третьего счетчика 8, а второй вход — с выходом второго инвертора

27, вход которого соединен с пятнадцатой числовой шиной дешифратора 10.

Вход третьего инвертора 28 соединен с выходом второго инвертора 27, разрядные шины первого счетчика 6— с соответствующими разрядными шинами дешифратора 10, разрядные шины третьего счетчика 8 — с соответствующими разрядными шинами первого ЦАП 32, R-вход которого .соединен с Q-выходом второго RS-триггера 12, разрядные шины четвертого счетчика 9 соединены с соответствующими разрядными шинами второго ЦАП 33, R-вход которого соединен с Q-выходом первого RS-триггера 11, R-вход которого соединен с выходом второго элемента ИЛИ 17, а

$-вход подсоединен к выходу первого элемента ИЛИ 16.

S- u R-входы второro RS-триггера соединены с выходами соответствующих третьего 18 и четвертого 19 элементов ИЛИ, R- u S-вход третьего 13 RSтриггера — с выходами пятого 20 и шестого 21 элементов ИЛИ соответственно К- и S-вход четвертого RS-триггера 14 - с выходами шестого 21 и седьмого 22 элементов ИЛИ соответственно.

Входы первого элемента ИЛИ 16 соединены с соответствующими нулевой и пятой числовыми шинами дешифратора

10, входы второго элемента ИЛИ 17— с соответствующими тринадцатой и второй числовыми шинами дешифратора 10, входы третьего элемента ИЛИ 18 - с

3 14014 соответствующими первой и пятой числовыми шинами дешифратора 10, входы четвертого элемента ИЛИ 19 — с соответствующими тринадцатой и второй

r> числовыми шинами дешифратора 10, входы пятого элемента ИЛИ 20 — с соответствующими второй и пятнадцатой числовыми шинами дешифратора 10, входы шестого элемента ИЛИ 21 — с соответствующими нулевой и пятой числовыми шинами дешифратора 10, входы седьмого элемента ИЛИ 22 — с соответствующими четырнадцатой и третьей числовыми шинами дешифратора 10, входы восьмого элемента ИЛИ 23 — с соответствующими пятой и нулевой числовыми шинами дешифратора 10. Первые четыре входа блока 2 соединены с неийвертирующими выходами RS-триггеров 11- 14, а выходы Ц П 32 и 33 — с пятым и шестым выходами блока 2, соответственно.

Генератор 3 управляющего и транспортного токов содержит операционные усилители (ОУ) 34 и 35, девять 25 переменных низкоомных сопротивлений

36-44, одиннадцать высокоомных сопротивлений 45-55, два конденсатора, 56 и 57, Объединенные вторые выводы низкоомных переменных сопротивлений 37, З0

40 и 41 соединены с инвертирующим входом первого ОУ 34, инвертирующий вход которого соединен с вторым выводом первого низкоомного сопротивления 49, объединенные вторые выводы

35 низкоомных переменных сопротивлений

42-44 соединены с неинвертирующим входом второго ОУ 35, инвертирующий вход которого соединен с объединенными выводами второго 38 и третьего

39 низкоомных переменных сопротивлений.

Первые выводы высокоомных сопротивлений 49-55 соединены с управляющими выводами низкоомных переменных 4 сопротивлений 36-40, 42 и 43 соответственно, вторые выводы высокоомных сопротивлений 49-51, 53 и 54 — с соответствующими выводами генератора 3, управляющие выводы переменных низкоомных сопротивлений 41 и 44 — с шестым и пятым входами .генератора 3 со-, ответственно.

Вторые выводы восьмого 52 и одиннадцатого 55 высокоомных сопротивлений соединены с постоянным положительным потенциалом, первые выводы первого высокоомного сопротивления 45 и первого конденсатора 56 — с инвер17

4 тирующим входом первого ОУ 34„вторые выводы первого 45 и третьего 47 вь.— сокоомных сопротивлений и конденсатора 56 — с выходом ОУ 34, первые выводы второго нысокоомного сопротивления 46 и второго конденсатора 57 с инвертирующим входом второго ОУ 35, вторые выводы второго 46 и четвертоFo 48 высокоомных сопротивлений и второго конденсатора 57 — с. вл|ходом

ОУ 35, первые выводы третьего 47 и четвертого 48 высокоомных сопротивлений — с первыми выходными шинами 56 и 57-тенератора 3, выходы первого ОУ

34 и второго ОУ 35 — с вторыми выходными шинами 58 и 59 генератора 3.

Объект 5 контроля (CK33) погружен в жидкий гелий, находящийся в дюаре, и имеет шины управляющего 57 и транспортного 56 токов, а также две потенциальные шины 58 и 59.

На управляющей характерИстике СКЗЭ жирной линией отмечен участок управляющей характеристики, полученной обычными способами, а тонкой линией— та часть управляющей характеристики, которая лежит ниже критических точек (KP 1, KP2) и может быть получена на экране блока 4 с помощью данного характериографа. На экране осциллографа высвечивается участок управляющей характеристики, находящийся как выше-, так и ниже КР1, при правильном выборе коэффициентов и тока смещения 1 „,.

В СКЗЭ управляющий ток .. с и транспортный ток I определяют кольцевой ток и тем самым количество квантов магнитного потока запасенных в кольце. Количество квантов N = 0; +1," +2;

+3, ... магнитного потока + называется номером квантового состояния интерферометра (макроскопического). На фиг.4 изображена управляющая характеристика СКЗЭ, на которой замкнутой линией обведена область с N = О. Область Ы = -1 изображена частично, она

t повторяет форму области с N = 0 и сдвинута влево на АI область с N 1 не показана, она повторяет форму области N = О и сдвинута вправо на

Ыс, где Т = @o L (1 — геометрическая индуктивность СКЗЭ).

Пусть счетчик 8 хранит целое число Х,, а счетчик 9 — целое число Х .

Пусть цифра обозначает передвижение по соответствующему отрезку плоскости

I, I рабочей точки СКЗЭ в направлении,,указанном на фиг.4. Тогда симво35 трс»испортмый тои

- три» + 4»* триг»

»Т +K I т и»,у UèAo g цап где О Т TpNt

, » е4» Ы.»» е,р е цап,» е цап » — положительные коэффициенты, задаваемые положением ползунков в низкоомных сопротивлениях 36, 40, 43, 37, 38, 44 и 41.

Ток смещения (I а, ) задается положением ползунка в низкоомном сопротивлении 39. Знак при коэффициенте о, может меняться, что позволяет наблю5 14014 лически программу перемещения рабочей точки СКЗЭ по плоскости I, 1 можно записать

Начало Х, = Х, + 1 О

5

3

Переход на начало, если не появилось направление на СКЗЭ 10

13

14

Х, = О, Х = Х + 1. Переход на начало. 15

Величины AB ВС, AN F N на фиг.4 определяются положением ползунков низкоомных сопротивлений 38, 40, 39 и

43, Х, Х и Т смещения — положением ползунков низкоомных сопротивлений

44, 41, 42 и 43 соответственно.

Устройство работает следующим образом.

Когда на СК33 5 не возникает напряжения, усилитель 1 напряжения СКЗЭ 25 не вырабатывает импульса напряжения.

В момент появления напряжения на

СКЗЭ включается триггер 15, при этом счетчик 7„ который до этого момента бып обнулен, начинает считать импуль- ЗО сы, приходящие от мультивибратора 31 и, досчитав до восьми, переключает триггер 15 в исходное состояние, что приводит к обнулению счетчика 7 и прекращению им счета импульсов мультивибратора 31. После каждого такого обнуления счетчика 7 к числу Х » хранящемуся на счетчике 9 прибавляется

1, что приводит к продвижению вверх по отрезку F Ê на величину Ь Х рабочей 4 точки СКЗЭ.

Когда напряжение на СКЗЭ не возникает, триггер 15 не включается, тем самым счетчик 6 считает импульсы мультивибратора 31, периодически об- 45 нуляясь (на шестнадцатом импульсе).

Когда счетчик б обнуляется, к числу

Х,, хранящемуся в счетчике 8, прибавляется 1, что приводит к продвижению по отрезку Е„К влево (фиг.4) на величину Х, рабочей точки СКЗЭ., 50

Когда рабочая точка в результате такого продвижения пересекает управляющую характеристику СКЗЭ в точке К, пр î rp амма пер е ключе ния

55 триггеров к ЦАП меняется, так как возникающее на СКЗЭ напряжение усиливается усилителем 1 напряжения СК33 и переключает триггер 15

17 6 в состояние логического нуля. В результате этого блокируется обнуление счетчика 6 и высвечивается точка K благодаря тому, что счетчики 8 и 9 запоминают величины Х, и Х, соответствующие точке К на фиг ° 4. Точка К высвечивается на экране осциллографа, пока счетчик. переходит из состояния, равного пять, в состояние, равное тринадцать.

Находясь последовательно в состояниях тринадцать, четырнадцать, пятнадцать, счетчик б обеспечивает такое продвижение по плоскости I, Т рабочей точки СКЗЭ, в результате которого СКЗЭ характеризуется нулевым квантовым числом N = О, и к числу Х, хранящемуся в счетчике 9, прибавляется 1, а число, хранящееся в счетчике 8, обнуляется, т.е. Х = О, после чего весь процесс повторяется до возникновения напряжения на СКЗЭ, но уже при новом значении величины Х, .

В результате указанной процедуры, обеспечиваемой блоком 2, которая циклически повторяется и символически была записана ранее, на экране осциллографа возникает изображение управляющей характеристики СКЗЭ.

При этом генератор 1 управляющего и транспортного токов формирует управляющий и транспортный ток СКЗЭ, задающий рабочую точку на плоскости

1, Т,, по .формулам

I т

»пР» sh41000s т к стриг """цап, и

+ос I + I цапs таит 4 триг сваей » — ток в шине О К-oro триггера;

140141? дать управляющую характеристику СК33 как выше, так и ниже оси T с

Использование предлагаемого характериографа обеспечивает в отличии от

5 известных характериогр афон получение на экране осциллографа изображения также тех точек квантовых мод СКЗЭ на основе квантового интерферометра, где не происходит переход СКЗЭ в резистивное состояние, характеризующееся появлением постоянного напряжения на СКЗЭ, что позволяет наблюдать полную управляющую характеристику СКЗЭ, беспечивая существенное преимущество 15 редлагаемого характериографа над известными.

Знание полной управляющей характеристики СКЗЭ позволяет измерить такие основные параметры СКЗЭ, как величи- 20 ны критических токов джозефсоновских . контактов и параметр Ъ (приведенная индуктивность СКЗЭ), что необходимо для определения рабочих допусков на управляющий и транспортный токи СКЗЭ, 25 а также при проверке квантовых интерферометров на их работоспособность в качестве СКЗЭ или логических устройств.

ЗО формула изобретения

1. Характериограф для измерения управляющей характеристики сверхпроводящего квантового запоминающего элемента, содержащий усилитель выходного напряжения, генератор транспортного и управляющего токов, регистрирующий блок, входы усилителя выходного напряжения соединены с потенци- 4о альными выходами объекта контроля, токовые входы которого соединены с первыми выходными шинами генератора транспортного и управляющего токов, вторые выходные шины которого соеди- 45 иены с соответствующими входами Х и

У регистрирующего блока, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повышения точности, в него введен цифровой блок задания циклической программы изменения управляющего и транспортного токов, выход которого соединен с выходом усилителя выходного напряжения, выходы цифрового блока задания циклической программы изменения управляющего и транспортного токов соединены с соответствующими входами генератора транспортного и управляющего токов, 2. Характериограф по и. 1, .1 т л:.— ч а ю ш и и с я тем,что блGc зада п я цик— лической программы изменения ..правляющего и транспортного токов сад .гжит четыре с етчика,дешифратор,пять RSтриггеров, восемь элементов ИЛИ, два элемента И†HE три инвертора, две дифференцирующих RC-цепи, мультпвибратор, два цифроаналоговых преобразователя, счетные входы первого и второго счетчиков соединены с выходом мультивибратора, R-вход первого счет— чика .соединен с выходом первого инвертора, R-вход второго счетчика соединен с прямым выходом пятого триггера, вход первого инвертора соединен с выходом первого элемента И-НЕ, входы которого соединены с соответствующим выходом первой дифференцирующей

RC — öåïè и с прямым выходом пятого триггера, вход первой дифференцирующей RC-цепи соединен с четвертой числовой шиной дешифратора, S âõîä пятого RS-триггера соединен с четвертой разрядной шиной второго счетчика, R — вход пятого RS-триггера соединен с выходом второй дифференцирующей RC цепи, вход ксторой соединен с входом блока, счетный вход третьего счетчика соединен с нулевой числовой шиной дешифратора, счетный вход четвертого счетчика соединен с выходом второго элемента И-HK R-âõîä третьего счетчика соединен с выходом т-етьего инвертора, R-вход четвертого счетчика заземлен, первый вход второго элемента И-НЕ соединен с шиной переноса третьего счетчика, а второй вход — с выходом второго инвертора, вход которого соединен с пятнадцатой числовой шиной дешифратора, вход третьего инвертора соединен с выходом второго инвертора, разрядные шины первого счетчика соединены с соответствующими разрядными шинами дешифратора, разрядные шины третьего счетчика соединены с соответствующими разрядными шинами первого цифроаналогового преобразователя, К-вход которого подсоединен к инверсному выходу второго

RS-триггера, разрядные шины четвертого счетчика соединены с соответствующими разрядными шинами второго цифроаналогового преобразователя, R-вход которого соединеч с инверсным выходом первого RS-триггера, R-вход которого соединен с выходом второго элемента

ИЛИ, à S-вход подсоединен к выходу

i4Î1417 первого элемента ИЛИ, S- и К-входы второго RS-триггера соединены с выходами соответствующих третьего и четвертого элементов ИЛИ, S- и К-входы третьего RS-триггера соединены с вы-. ходами пятого и шестого элементов

ИЛИ соответственно, S- u R-входы четвертого RS-триггера соединены с выходами шестого и седьмого элементов

ИЛИ соответственно, входы первого элемента ИЛИ соединены с соответствующими нулевой и пятой числовыми шинами дешифратора, входы второго элемента ИЛИ соединены с соответствующими тринадцатой и второй числовыми шинами дешифратора, входы третьего элемента ИЛИ соединены с соответствующими первой и пятой числовыми шинами дешифратора, входы четвертого элемен- эп та ИЛИ соединены с соответствующими тринадцатой и второй числовыми шинами дешифратора, входы пятого элемента

ИЛИ соединены с соответствующими второй и пятнадцатой числовыми шинами дешифратора, входы шестого элемента

ИЛИ соединены с соответствующими нулевой и пятой числовыми шинами дешифратора, входы седьмого элемента ИЛИ соединены с соответствующими четырнадцатой и третьей числовыми шинами дешифратора, входы восьмого элемента

ИЛИ соединены с соответствующими нятой и нулевой числовыми шинами дешифратора, первый, второй, третий, чет35 вертый выходы блока соединены с неинвертирующими выходами первого, второго, третьего, четвертого RS †òðèããåров, выходы первого и второго цифроаналоговых преобразователей являются пятым и шестым выходами блока.

3. Характериограф по п.2, о т л ич а ю шийся тем, что генератор управляющего и транспортного токов содержит два операционных усилителя, девять переменных низкоомных сопротивлений, одиннадцать высокоомных сопротивлений и два конденсатора, первые выводы всех низкоомных переменных сопротивлений соединены с общей ши50 ной, объединенные вторые выводы четвертого, пятого и шестого низкоомных переменных сопротивлений соединены с инвертирующим входом первого операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с вторым выводом первого низкоомного сопротивления, объединенные вторые выводы седьмого, восьмого и девятого низкоомных переменных сопротивлений соединены с неинвертирующим входом второго операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с объединенными вторыми выводами второго и третьего низкоомных переменных сопротивлений, первые выводы пятого, шестого, седь-. мого, восьмого, девятого, десятого и одиннадцатого высокоомных сопротивлений соеДинены с управляющими выводами первого, четвертого, пятого, седьмого, восьмого, второго и третьего переменных низкоомных сопротивлений соответственно, вторые выводы пятого, шестого, седьмого, девятого, десятого высокоомных сопротивлений соединены с соответствующими первым, вторым, третьим и четвертым входами генератора управляющего и транспорт.ного токов, управляющие выводы шестого и девятого переменных низкоомных

/ сопротивлений соединены с шестым и пятым входами генератора соответственно, вторые выводы восьмого и одиннадцатого высокоомных сопротивлений соединены с постоянным положительным потенциалом, первые выводы первого высокоомного сопротивления и первого конденсатора соединены с инвертирующим входом первого операционного усилителя, вторые выводы первого и трегьего высокоомных сопротивлений и первого конденсатора соединены с выходом первого операционного усилителя, первые выводы второго высокоомного сопротивления и второго конденсатора соединены с инвертирующим входом второго операционного усилителя, вторые выврды второго и четвертого высокоомных сопротивлений и второго конденсатора соединены с выходом второго операционного усилителя, первые выво-, ды третьего и четвертого высокоомных . сопротивлений соединены с первыми выходными шинами генератора, выходы первого и второго операционных усилителей соединены с вторыми выходными шинами генератора У и Х.

1401417

1401417

Редактор П.Гереши

Заказ 2781/45

Тираж 772

BHHHIIH Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель Е.Кущ

Техред И.Верес

Корректор В Бутяга

Подписное