JPH0646698B2 - 超電導スレーブフリップフロップ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は超電導フリップフロップ回路に係り、特に交流
電源駆動ジョセフソン回路に好適なフリップフロップ回
路に関する。

〔従来の技術〕

交流電源駆動ジョセフソン回路では電源電流の周期間に
情報を受渡すマスタースレーブフリップフロップ回路が
必要となる。ジョセフソン回路を駆動するための電源電
流はゼロの値付近の過渡部分とその間の定常部分とから
なる。組合せ回路の論理の進行は定常部分の間に行なわ
れるがその保持情報は過渡部分にリセットされる。従っ
て過渡部分の間、データを保持しているマスタースレー
ブフリップフロップが必要になる。マスタースレーブフ
リップフロップ回路としては、エー・ダビッドソンが
“ア ジョセフソン ラッチ”アイ・イー・イー・イ
ー，ジャーナル オブ ソリッドステート サーキッ
ツ，１３巻５号，１９７８年１０月 第５８３〜５９０
頁（Ａ．Davidson，“Ａ Josephson Latch”ＩＥＥＥ
Journal of Solid-State Circuits,Vol，ＳＣ−１
３，No.５，October １９７８，pp・５８３−５９０）
にて詳細に論じているように、交流電源の前の定常部分
で確定したデータ入力の値を次の過渡部分が終るまで保
持するマスターフリップフロップと、定常部分の開始部
で該マスターフリップフロップの出力を読み出し、その
出力の値に対応した出力値を定常部分の間保持するスレ
ーブフリップフロップとで構成するのが一般的である。

ここで、同文献に記載のスレーブフリップフロップで
は、磁束量子干渉型回路（Josephson Interferometer；
以下ＪＩと略記する。）２個を用い、第１のＪＩの出力
電流を第２のＪＩの駆動電流（電源電流）とし、第１及
び第２のＪＩの両方に制御線入力が加えられた時に第２
のＪＩの出力電流が得られるワイアド・アンド型のゲー
ト構造が採用されている。

このワイアド・アンド型ゲートの詳細な構造と問題点を
第２図を用いて説明する。

ここではＪＩとして第１の端子から第２の端子に駆動電
流（電源電流）を流している時に第３の端子から第４の
端子に向けて制御線入力を与えた時に第１の端子と第２
の端子の間が超電導状態から電圧状態に遷移する方式の
ものが使用されている。

第２図で第１のＪＩ（以下入力段ＪＩとする）２１１の
第１の端子には電源母線２０１から抵抗２０４と２０５
を介して交流電源電流が給電されている。第２のＪＩ
（以下出力段ＪＩとする）２１３の第１の端子には同じ
く抵抗２０４と２０６を介して交流電源電流が給電され
ている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ここで問題となるのいは第２図のワイアド・アンド型ゲ
ートにおいて、入力段ＪＩ２１１または２１３が零電圧
状態から電圧状態にスイッチしても出力段ＪＩ２１４ま
たは２１３への制御線入力が必ずしも充分に低く遮断さ
れないことである。入力段ＪＩ２１１，２１２のスイッ
チ後のそれ自身の等価抵抗値は抵抗２０６に比べて無限
に大きいわけではない。特に入力段ＪＩ２１１がスイッ
チした後、出力段ＪＩ２１３もスイッチした状態では入
力段ＪＩからみた負荷抵抗は抵抗２０６と２０７の和と
なり、入力段ＪＩ２１１自身の中をある程度の電源電流
が流れ、出力段ＪＩ２１４の制御線に至るようになる。
そしてこの状態で他方の入力段ＪＩ２１２に制御線入力
が加えられてスイッチし、出力段ＪＩ２１４に電源電流
が転送されると、出力段ＪＩ２１４が誤スイッチしやす
い状態になる。

本発明の目的は入力段ＪＩがスイッチした後で出力段Ｊ
Ｉの制御線電流を充分に小さくまで遮断できるようなス
レーブフリップフロップを提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は入力段ＪＩ２１１と出力段ＪＩ２１３の間に
緩衝段ＪＩを挿入することにより達成される。

〔作用〕

スレーブフリップフロップにおける緩衝段ＪＩの作用を
第３図を用いて説明する。緩衝段ＪＩ３０１の第１の端
子には電源母線２０１から抵抗３０４と３０５を介して
交流電源電流が給電されている。緩衝段ＪＩ３０１の第
２の端子は接地されている。入力段ＪＩ２１１の出力信
号線３０６は緩衝段ＪＩ３０１の制御線を経由して負荷
抵抗３０３で終端されている。抵抗３０４と３０５の接
続点３１０からは抵抗２０６を介して出力段ＪＩ２１３
にも交流電源電流が給電されている。

交流電源立上り時に端子２０２にセット入力が加わって
いると入力段ＪＩ２１１が零電圧状態から電圧状態にス
イッチし、出力信号線３０６に出力電流が流れ緩衝段Ｊ
Ｉ３０１も零電圧状態から電圧状態にスイッチする。す
ると緩衝段ＪＩ３０１に給電されていた電源電流が出力
段ＪＩ２１３に転送される。この時、端子２０３にリセ
ット入力が存在せず、入力段ＪＩ２１２が零電圧状態に
あると、出力段ＪＩ２１３の制御線には電流が流れてい
る。このため出力段ＪＩ２１３も零電圧状態から電圧状
態にスイッチし負荷抵抗２０７に出力電流が流れる。

ここで入力段ＪＩ２１１からみた負荷は抵抗３０３だけ
であり、出力段ＪＩ２１３がスイッチしてもその影響が
入力段ＪＩ２１１にもどってくることはない。このため
入力段ＪＩ２１１がスイッチした後の出力段ＪＩ２１４
の制御線電流は常に低く保たれる。

出力段ＪＩ２１３の出力電流振幅を大きくとるためには
抵抗３０５の値を抵抗２０６の値の1/4〜1/3程度にまで
引上げる必要がある。すると緩衝段ＪＩスイッチ後も、
同ＪＩにかなりの電源電流が残留するが、これは他に影
響を与えることはない。このために出力段ＪＩ２１３の
出力電流振幅を充分に大きくとることができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。入力
段ＪＩ２１１，２１２、緩衝段ＪＩ３０１，３０２及び
出力段ＪＩ２１３，２１４はそれぞれ第４図に構造を示
すところの３接合型ＪＩである。同ＪＩは第１の端子４
０２から第２の端子４０３に向って電源電流を供給した
状態で第３の端子４０４と第４の端子４０５の間に制御
線電流を印加するとこにより第５の端子４０１と第２の
端子４０３の間が零電圧状態から電圧状態に変化する。
このＪＩの制御線電流印加時の閾値電流値（零電圧状態
を保ったままで流せる最大の電源電流の値）を低く抑え
るために、デバイスインダクタンス４０６〜４０９はで
きるだけ小さい値が選ばれ、これを補償するために緩衝
段ＪＩ３０１，３０２及び出力段ＪＩ２１３，２１４で
は制御線電流が２重巻に結合されている。

第１図のスレーブＦＦでは入力段ＪＩ２１１の第２の端
子１１１と接地点の間にダンピング抵抗１２１が挿入さ
れている。このダンピング抵抗は出力段ＪＩ２１４の制
御線インダクタンスと入力段ＪＩ２１１の寄生容量とで
スイッチング時に共振が起きるのを防ぎ、出力信号線３
０６に乱れのない出力電流を伝える働きを有する。

第５図には本発明の別の実施例を示す。同図でジョセフ
ソン接合５０１は抵抗１２１，５０２とともに、ジョセ
フソン接合５０１の閾値電流値以下の電流を接地点にバ
イパスし、出力段ＪＩ２１４の制御線電流を完全にゼロ
にする働きを有する。入力段ＪＩスイッチ後は大部分の
電源電流は負荷抵抗３０３に転送されるが若干量はその
まま残留して節点１１１から接地点へと向う。第１図の
構成ではこの電流がそのまま出力段ＪＩ２１４の制御線
に流れていた。しかし第５図の構成ではこの残留制御線
電流を０に抑えられ出力段ＪＩ２１４の誤動作を防止で
きる。

第６図には本発明のさらに別の実施例を示す。同図では
出力段ＪＩ２１３，２１４としてデバイスインダクタン
スの値が大きいものが選ばれており、１重巻の制御線電
流によってでも素子がスイッチ可能である。そして入力
段ＪＩ２１１の第２の端子１１１から接地点６１４に向
う電流路６１１は出力段ＪＩ２１３，２１４の制御線を
それぞれ１重巻ずつ経由している。また入力段ＪＩ２１
２の第２の端子１１２から接地点６１３に向う電流路６
１２は、電流路６１１とは逆向きに、出力段ＪＩ２１
３，２１４の制御線をそれぞれやはり１重巻ずつ経由し
ている。

同図で交流電源立上り時に入力段ＪＩ２１１がスイッチ
したとする。すると電流路６１１に流れていた電源電流
は入力段ＪＩ２１１の出力電流路３０６に転送される。
すると緩衝段ＪＩ３０１の制御線にその出力電流が流
れ、同ＪＩがスイッチする。すると出力段ＪＩ２１３に
電源電流が転送されてくる。ここで入力段ＪＩ２１２が
まだスイッチしていないとすると電流路６１２には電源
電流が流れ続けている。このため出力段ＪＩ２１３がス
イッチする。その後で他方の入力段ＪＩ２１２がスイッ
チしたとすると、同様の順序で出力段ＪＩ２１４に電源
電流が転送されてくるが、すでに電流路６１１，６１２
の両方の電流は遮断されているので出力段ＪＩ２１４は
スイッチすることはない。ここで実際には電流路６１
１，６１２に残留している電流が僅かながら存在する。
しかしそれらの大きさは等しく、出力段ＪＩ２１４の制
御線内では打消し合って完全にゼロにする方向で働くの
で、出力段ＪＩ２１４の誤動作を完全に防止できるので
ある。なお緩衝段ＪＩ３０１，３０２の制御線に並列に
挿入されている抵抗６０１，６０２は入力段ＪＩ２１
１，２１２から緩衝段ＪＩ３０１，３０２へのスイッチ
ングの伝搬を遅らせ出力段ＪＩの制御線電流が消失する
よりも早く電源電流が転送されてくるのを防ぐ働きがあ
る。

第７図には以上述べてきたスレーブＦＦの出力電流振幅
のさらなる増幅法を示す。出力段ＪＩ２１３の出力は抵
抗７０１を介してジョセフソン接合７０３に挿入され
る。一方ジョセフソン接合７０３には給電抵抗７０５を
介しても電源電流が供給されており、両者を併せて増幅
された出力電流が負荷抵抗２０７に流れていく。

〔発明の効果〕

以上説明した如く、本発明によれば、誤動作を起すこと
なく出力電流振幅の大きいスレーブフリップフロップを
提供できるので、フリップフロップを含むジョセフソン
集積回路の動作マージンを大きく向上させる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す回路図、第２図は従来
技術を示す図、第３図は本発明の原理構成を示す図、第
４図は第１図で用いている３接合型ＪＩの回路図、第５
図及び第６図はそれぞれ本発明の別の実施例を示す回路
図、第７図は本発明のさらに他の実施例を示す図であ
る。 ２１１，２１２……入力段ＪＩ、 ２１３，２１４……出力段ＪＩ、 ３０１，３０２……緩衝段ＪＩ、 ２０４，２０６，３０４……給電抵抗、 ３０３，２０７……負荷抵抗、 ２０１……交流電源母線、 １２１，１２２……ダンピング抵抗。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森 博之 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 審査官 石井 研一 (56)参考文献 特開 昭59−183523（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−210722（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−261916（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１の端子から第２の端子に駆動電流を流
   した状態で第３の端子から第４の端子に向けて制御電流
   を流すことにより第２の端子と第５の端子との間を零電
   圧状態から電圧状態にスイッチせしめる第１乃至第６の
   ６個の磁束量子干渉型回路を含み、第１，第２，第３，
   第４の磁束量子干渉型回路の各第１の端子に交流電源電
   流が供給され、第１の磁束量子干渉型回路の第２の端子
   が第６の磁束量子干渉型回路の第３の端子に接続され、
   第２の磁束量子干渉型回路の第２の端子が第５の磁束量
   子干渉型回路の第３の端子に接続され、第１の磁束量子
   干渉型回路の第５の端子が第３の磁束量子干渉型回路の
   第３の端子に接続され、第２の磁束量子干渉型回路の第
   ５の端子が第４の磁束量子干渉型回路の第３の端子に接
   続され、第３の磁束量子干渉型回路の第４の端子が抵抗
   を介して接地され、第４の磁束量子干渉型回路の第４の
   端子が抵抗を介して接地され、第３の磁束量子干渉型回
   路の第１の端子が抵抗を介して第５の磁束量子干渉型回
   路の第１の端子に接続され、第４の磁束量子干渉型回路
   の第１の端子が抵抗を介して第６の磁束量子干渉型回路
   の第１の端子に接続され、第３の磁束量子干渉型回路の
   第２の端子、第４の磁束量子干渉型回路の第２の端子、
   第５の磁束量子干渉型回路の第２と第４の端子、第６の
   磁束量子干渉型回路の第２と第４の端子が接地されてお
   り、第１の磁束量子干渉型回路の第３の端子から第４の
   端子に至る電流路にセット入力を加え、第２の磁束量子
   干渉型回路の第３の端子から第４の端子に至る電流路に
   リセット入力を加え、第５の磁束量子干渉型回路の第５
   の端子から真値出力を取り出し、第６の磁束量子干渉型
   回路の第５の端子から補値出力を取り出すことを特徴と
   する超電導スレーブフリップフロップ。