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Optimierung von RSFQ-Spannungstreiberschaltungen für Hochfrequenzanwendungen

30.12.2005

Die Nutzung der Rapid Single Flux Quantum (RSFQ)-Logik für messtechnische Anwendungen erfordert die Realisierung von Schnittstellen, die einen sehr schnellen Datentransfer von der Supraleiterelektronik zur Halbleiterelektronik im GHz-Frequenzbereich ermöglichen. Die in der RSFQ-Elektronik verarbeitete Information kann an der Schnittstelle durch SFQ/DC-Konverter zur Verfügung gestellt werden, welche die den Einzelflussquantenpulsen inhärente Information in analoge Spannungspulse umwandelt. Unter den Bedingungen der bei der Herstellung der RSFQ-Schaltungen einzuhaltenden Technologieparameter liefern die Konverter Spannungspulse mit Amplituden von ca. 100 µV bei gleichzeitig sehr niedriger Ausgangsimpedanz von etwa 1 Ω. Zur breitbandigen Weiterverarbeitung dieser Signale im GHz-Bereich ist konventionelle Halbleiterelektronik in der Praxis jedoch nicht einsetzbar.

Beim Aufbau eines integrierten Quanten-Synthesizers für beliebige AC-Wellenformen besteht die Anforderung, mit einer codierten, von einem RSFQ-Patterngenerator erzeugten binären Pulsfolge eine Josephson-Arrayschaltung zu treiben. Um lange Arrays zu treiben, müssen die in Supraleiterelektronik generierten Spannungspulse Halbleiter-Verstärkerstufen durchlaufen. Zur Erleichterung der Ankopplung wurden RSFQ-Spannungstreiberschaltungen nach Simulationsrechnungen optimiert, und mit eigenen Testschaltungen experimentell untersucht. Es wurden Spannungstreiber auf der Basis von SQUID-Stack-Spannungsverstärkern realisiert und, entsprechend unterschiedlicher SFQ-Pulsverarbeitung, nach verschiedenen Designs ausgelegt: in rein serieller und in kombiniert parallel-serieller SFQ-Pulsverarbeitung. Bild 1 zeigt das Prinzipschaltbild solcher Testschaltungen. Eine DC/SFQ- und SFQ/DC-Konverterschaltung erzeugt am Ausgang Spannungspulse, die mit den SQUID-Stack-Spannungsverstärkern unterschiedlichen Designs weiter verarbeitet werden. Bild 2 zeigt eine Transientenanalyse nach Simulationsrechnungen für die jeweiligen Verstärkertypen. Am Ausgang des Spannungsverstärkers wurden Ausgangsspannungen bis zu 0,4 mV erreicht und die Ausgangsimpedanz auf 8 Ω angehoben mit Biasstromtoleranzen von ±15%. Bild 3 zeigt experimentelle Ergebnisse, die eine Spannungsverstärkung um den Faktor 4 in einem 4-stufigen Treiber bei rein serieller SFQ-Pulsverarbeitung zeigen. Begrenzt durch den Messaufbau wurden die Spannungstreiber bis zu 20 MHz getestet; Untersuchungen bei höheren Bandbreiten sind in Vorbereitung.

Die Arbeiten wurden im Rahmen des BMBF-Verbundvorhabens "Quanten-Synthesizer" (13N8412) durchgeführt.


Bild 1: RSFQ-Spannungstreiberschaltung, Prinzipschaltbild


Bild 2: RSFQ-Spannungstreiberschaltung, Transientenanalyse nach Simulationsrechnungen


Bild 3: RSFQ-Spannungstreiberschaltung, experimenteller Test.