Характериограф для измерения управляющей характеристики сверхпроводящего квантового запоминающего элемента Советский патент 1988 года по МПК G01R31/26 

г-78

/-/7

Г

I J

I

f S

0

zf/-7

1-8

7-&

У-У I

7-УГ

f-fZ

y-/j

Г-/4

f-15

-л

о

4

Изобретение относится к области электроники и вычислительной техники. Характериограф сверхпроводящегб кван- тового 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 бито- ка 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

сриг.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения характеристик приборов на основе эффекта Джозефсона 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 характе- риографа для снятия управляющей характеристики сверхпроводящего квантового запоминающего элемента (СКЗЭ); на фиг.2 - схема блока задания циклической программы изменения управляющего и транспортных токов; на фиг.З - схема генератора управляицего и транспортного TOKOBj на фиг.4 - управляющая характеристика СКЗЭ.

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

Усилитель t через блок 2 соединен с соответствующими входами генерато- ра 3 управлякхцего и транспортного то- ков, nepBiie выходные щины которого соединены с токовыми входами объекта 5 контроля (СКЗЭ), потенциальные входы которого соединены с соответствующими входами усилителя 1. Вторые выходные шины генератора 3 соединены с соответствующими входами X и У регистрирующего блока 4.

Блок 2 задания циклической программы измерения управляющего и транспортного -ТОКОВ содержит четыре четы рехразрядных счетчика 6-9, четырех- разрядкьй дешифратор 10, пять RS- триггеров 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 инверто ра 26 - с выходом первого элемента И-НЕ 24, соответствующие входы которого соединены с выходом первой НС

Q

5 0

5

0 .

с

5

0

цепи 29 и с прямым выходом пятого RS-триггера 15.

Вход первой дифференцирукяцей RC- цепи 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 RC-цепи 30, вход которой соединен с входом блока 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 S-вход подсоединен к выходу первого элемента ИЛИ 16.

S- и R-входы второго RS-триггера соединены с выходами соответствующих третьего 18 и четвертого 19 элементов ИЛИ, R- и S-вход третьего 13 RS- триггера - г выходами пятого 20 и шестого 21 элементов ИЛИ соответственно R- и S-вход четвертого RS-триг- гера 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

314

соответствующими первой и пятой числовыми тинами дешифратора 10, входы четвертого элемента ИЛИ 19 - с соответствующими тринадцатой и второй числовыми шинами дешифратора 10, входы пятого элемента ЯПИ 20 - с соответствующими второй и пятнадцатой числовыми шинами дешифратора 10, входы шестого элемента ИЛИ 21 - с соот- ветствую1цими 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 неинвертирующими выходами RS-триггеров 11-14, а выходы ЦДП 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 переменных Низкоомных сопротивлений 36-44, одиннадцать высокоомных сопротивлений 45-55, два конденсатора, 56 и 57, Объединенные вторые выводы низ- коомных переменных сопротивлений 37, 40 и 41 соединены с инвертирующим входом первого ОУ 34, инвертирующий вход которого соединен с вторым выводом первого низкоомного сопротивления 49, объединенные вторые выводы НИЗКООМНЫХ переменных сопротивлений 42-44 соединены с нейнвертирующим входом второго ОУ 35, инвертирующий вход которого соединен с объединенными выводами второго 38 и третьего 39 НИЗКООМНЫХ переменных сопротивлений, t

Первые выводы высокоомных сопротивлений 49-55 соединены с управляю- пщми выводами низкоомных переменных сопротивлений 36-40, 42 и 43 соответственно, вторые выводы высокоомных сопротивлений 49-51, 53 и 54 - с со- ответствующими выводами генератора 3, управляющие выводы переменных низко- омных сопротивлений 41 и 44 - с шестым и пятым входами-генератора 3 со- ответственно.

Вторые выводы восьмого 52 и одиннадцатого 55 высокоомных сопротивле- НИИ соединены с постоянным положительным потенциалом, первые вьгаоды первого ВЫСОКООМНОГ9 сопротивления 45 и первого конденсатора 56 - с инвер

5

5 о „

g g

g

5

17

тируЕощим ВХОДОМ первого ОУ 34, вторые выводы первого 45 и третьего 47 высокоомных сопротивлений и конденсатора 56 - с выходом ОУ 34, первые выводы второго высокоомного сопротивления 46 и второго конденсатора 57 - с инвертирующим входом второго ОУ 35, вторые выводы второго 46 и четвертого 48 высокоомных сопротивлений и второго конденсатора 57 - с выходом ОУ 35, первые выводы третьего 47 и четвертого 48 высокоомных сопротивлений - с первыми выходными шинами 56 и 57 генератора 3, выходы первого ОУ 34 и второго ОУ 35 - с вторыми выходными шинами 58 и 59 генератора 3.

Объект 5 контроля (СКЗЭ) погружен в жидкий гелий, находящийся в дюаре, и имеет шины управлянмцего 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 (КР1, КР2) и может быть получена на экране блока 4 с помощью данного ха рактериографа. На экране осциллографа высвечивается участок управляющей характеристики, находящийся как выше, так и ниже КР1, при правильном выборе коэффициентов и тока смещения ICMBW

В СКЗЭ управляющий ток I с транспортный ток 1а 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 0. Область N -1 изображена частично, она повторяет форму области с N 0 и сдвинута влево на ДГ область с N 1 не показана, она повторяет форму области N О и сдвинута вправо на Д1с5 где Ij Фо L (L - геометрическая индуктивность СКЗЭ).

Пусть счетчик В хранит целое число X, , а счетчик 9 - целое число Х. Пусть цифра обозначает передвижение по соответствующему отрезку плоскости 1л, IP рабочей точки СКЗЭ в направлении, указанном на фиг.4. Тогда симво5U

лически программу перемещения рабочей точки СКЗЭ по плоскости 1„, 1. можно записать

Начало X , X, + 1,0

1

. 2 3

Переход на начало, если не появилось направление на СКЗЭ 5 13

1

X, О, Х Х-г + 1. Переход на начало,

Величины АВ, ВС, AM, Т. на фиг.4 определяются положением ползунков низ коомных сопротивлений 38, 40, 39 и

43,Х|, Х и IP смещения - положением ползунков низкоомных сопротивлений

44,41, 42 и 43 соответственно. Устройство работает следующим образом.

Когда на СКЗЭ 5 не возникает напряжения , усилитель 1 напряжения СКЗЭ не вырабатывает импульса напряжения. В момент появления напряжения на СКЗЭ включается триггер 15, при этом счетчик 7у который до этого момента был обнулен, начинает считать импуль- cbij 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 Xj, хранящемуся на счетчике 9 прибавляется 1, что приводит к продвижению вверх по отрезку РцК на величину йХ рабочей точки СКЗЭ.

Когда напряжение на СКЗЭ не возникает, триггер 15 не включается, тем самым счетчик 6 считает импульсы мультивибратора 31, периодически об- нуляясь (на шестнадцатом импульсе). Когда счетчик 6 обнуляется, к числу X,, хранящемуся в счетчике 8, прибавляется 1, что приводит к продвижению по отрезку влево (фиг.4) на величину X, рабочей точки СКЗЭ.

Когда рабочая точка в результате такого продвижения пересекает управляющую характеристику СКЗЭ в точке К, программа переключения триггеров к ЦАП меняется, так как возникающее на СКЗЭ напряже- , ние усиливается усилителем 1 напряжения СКЗЭ и переключает триггер 15

5 о Q

0

5

176

в состояние логического нуля. В результате этого блокируется обнуление счетчика 6 и высвечивается точка К благодаря тому, что счетчики 8 и 9 запоминают величины X, 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 6 обеспечивает такое продвижение по плоскости „, 1 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. X 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 осцил-, лографа возникает изображение управляющей характеристики СКЗЭ.

При этом генератор 1 управляющего и транспортного токов формирует .уп- равля.ющий и транспортный ток СКЗЭ, задающий рабочую точку на плоскости 1с формулам

транспортный ток - триг, J

t

триг .лпг - и.АПг

праеляоции ток 2 1триг и,АП1 ЦАп, ° -трит-4 григ сдлещ

где oi- I триг k тине О К-ого триггера,

, .

ot-nftn. u,An,i - положительные коэф- фициенты, задаваемые

положением ползунков в низкоомных сопротивлениях 36, 40, 43, 37, 38, 44 и 41.

Ток смещения dcweuv задается положением ползунка в низкоомном сопротивлении- 39. Знак при коэффициентеot, может меняться, что позволяет наблюдать управляющую характеристику СКЗЭ как выше, так и ниже оси Т,.

Использование предлагаемого харак- тернографа обеспечивает в отличии от известных характериографов получение на экране осциллографа изображения также тех точек квантовых мод СКЗЭ на основе квантового интерферометра, где не происходит переход СКЗЭ в ре- зистивное состояние, характеризующееся появлением постоянного напряжения на СКЗЭ, что позволяет наблюдать полную управляющую характеристику СКЗЭ, обеспечивая существенное преимущество предлагаемого характериографа над известными.

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

Формула изобретения

злемента, содержащий усилитель выходного напряжения, генератор транспортного и управляющего токов, регистрирующий блок, входы усилителя выходного напряжения соединены с потенци- альными выходами объекта контроля, токовые входы которого соединены с первыми выходными шинами генератора транспортного и управляющего токов, вторые выходные шины которого соеди- нены с соответствующими входами X и У регистрирующего блока, о т л и ч а- ю щ и и с я тем, что, с целью повышения точности, в него введен цифровой блок задания циклической программы изменения управляющего и транспор тного токов, выход которого соединен с выходом усилителя выходного напряжения, выходы цифрового блока задания циклической программы изменения управляющего и транспортного токов сое динены с соответствующими входами генератора транспортного и управляющего токов.

,

с ю 1520 25 30

35

Qд 50

55

первого элемента ИЛИ, S- и R-входы второго RS-триггера соединены с выходами соответствующих третьего и четвертого элементов ИЛИ, S- и R-входы третьего RS-триггера соединены с вък ходами пятого и шестого элементов ИЛИ соответственно, S- и 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 соответствую- щими тринадцатой и второй числовыми шинами дешифратора, входы третьего элемента ИЛИ соединены с соответствующими первой и пятой числовыми шинами дешифратора, входы четвертого элемента 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 четыр- надцатой и третьей числовы.ми шинами дешифратора, входы восьмого элемента ИЛИ соединены с соответствующими пятой и нулевой числовыми шинами дешифратора, первый, второй, третий, четвертый выходы блока соединены с неинвертирующими выходами первого, второго, третьего, четвертого RS-тригге- ров, выходы первого и второго цифро- анапоговых преобразователей являются пятым и шестым выходами блока.

QJ520 а 25-

х40

45

50

онного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с вторым выводом первого )1изкоомного сопротивления, объединенные вторые выводы седьмого, восьмого и девятого низкоомньпк 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, седьмого, восьмого девятого, десятого и одиннадцатого высокоомных сопротивлений соединены с управляющими выводами первого, четвертого, пятого, седьмого, восьмого, второго и третье- го переменньгх низкоомных сопротивлений соответственно, вторые выводы пятого, шестого, седьмого, девятого, десятого Бысокоомных сопротивлений соединены с соответствующими первым, вторым, третьим и четвертым входами генератора управляющего и транспорт- .ного токов, управляющие выводы шестого и девятого переменных низкоомньпс 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 третьего 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 X.

«ч

L ti

t-n

Hfrd

Редактор П.Гереши

Составитель Е.Кущ Техред И.Верес

Заказ 2781/45

Тираж 772

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д,, Д/5

Корректор В, Бутя г а

Подписное