超导电路｜课本学习笔记｜第7章 超导 RSFQ 逻辑电路体系

第7章 超导 RSFQ 逻辑电路体系

7.1 超导 RSFQ 分支器及缓冲器

1. 超导 RSFQ 分支器

分支器的作用是将一路 SFQ 电压脉冲信号分为两路或者多路。

当中间输入结与两个输出结相连接时，只有输入脉冲触发两个输出结时才能在两侧都获得输出。

因此, 在输入为 SFQ 的情况下, 需要对分支部分的电感大小进行适当的调整, 或者通过改变结的临界电流来达到此目的。

• 电路结构及作用

如图所示为 SFQ 二分路器, 它的作用是将从输入端 IN 输入的 SFQ 电压脉冲分成相同的两路，并输出到 A 和 B。

图中, $J_{2} 、 L_{2}$ 和 $J_{3}$ 构成一个量子干涉器环路, $J_{2} 、 L_{3}$ 和 $J_{4}$ 构成另一个量子干涉器, 这两个量子干涉器都要满足只有 $n=0$ 一个工作状态的条件。

• 工作原理分析

当输人 SFQ 电压脉冲时, $J_{2}$ 相位超前, 使得电流分别流过 $L_{2}$ 和 $L_{3}$ 来触发 $J_{3}$ 和 $J_{4}$ 。因此, 这里选择 $J_{3}$ 和 $J_{4}$ 作为临界电流较小的约瑟夫森结, 以保证 $J_{3}$ 和 $J_{4}$ 都能够被触发。
各约瑟夫森结都接有并联电阻, 用以使结工作在临界阻尼态附近。

2. 超导 RSFQ 缓冲器

利用 JTL 作为连接器件时，后级电路的动作会对前级电路产生影响。缓冲器可以实现类似于单向作用的器件。

• 电路结构及作用

如图，SFQ 缓冲器的基本结构可看成由三个约瑟夫森结构成的超导量子干涉器，这个量子干涉器只有 $n=0$ 一种工作状态，在电路没有输入时，偏置电流 $I_{b1}$ 流过 $J_{2}$ 和 $J_{1}$，$I_{b3}$ 流过 $J_{3}$ （为什么 $I_{b1}$ 不会流到 $J_{3}$ ？？？？）。

缓冲器的作用是 SFQ 电压脉冲可以从 IN 端传到 OUT 端，但是从 OUT 端输入的 SFQ 电压脉冲不能从 IN 端输出。

• 工作原理分析

当从 IN 端输入时, 输入电流分为两支。一支流过 $J_{1}$, 使得 $J_{1}$ 上的电流增大, 相位随之增加; 另外一支将流过 $J_{2}$, 但是方向与流过 $J_{2}$ 的偏置电流 $I_{b_{1}}$ 方向相反。这样流过 $J_{2}$ 总电流减小, $J_{2}$ 的相位随之减小, 当 $J_{1}$ 上电流超过其临界电流时, 其相位发生 $2 \pi$ 超前。由于干涉器只有 $n=0$ 一种工作状态, $J_{3}$ 将相应的有 $2 \pi$ 的相位超前, 这样就完成了 SFQ 电压脉冲从 IN 端到 OUT 端的传输。
整个过程中， $J_{2}$ 并不翻转, 只是带来一点相位延迟。

当从 OUT 端输入时, $J_{3}$ 上的电流首先超过其临界电流, 随之相位发 生 $2 \pi$ 超前, 此时流过 $J_{2}$ 和 $J_{1}$ 的电流将增加（为什么流过 $J_{2}$ 和 $J_{1}$ 的电流将增加？？？）。通过选定电路参数, 使 $J_{2}$ 的临界电流小于 $J_{1}$ 的临界电流, 这样 $J_{2}$ 的电流先超过其临界电流, 随之相位发生 $2 \pi$ 的超前。至此, 由 $J_{3}$ 引人干涉器的磁通量子经由 $J_{2}$ 回路离开干涉器, $J_{1}$ 将不发生翻转。这样与 $J_{1}$ 相连的电路没有 SFQ 输出。

可以看到, $J_{2}$ 的作用就是阻止由 OUT 端输人的 SFQ 信号从 IN 端输出。

• 电路参数选取

首先考虑反向截止特性，为了使电路反向输入时 $J_{2}$ 上的电流首先超过其临界电流, 故选取 $I_{c_{1}}=1.4 I_{c_{2}}$, 这样当 $J_{2}$ 上的电流超过其临界电流时, 流过 $J_{1}$ 的电流不会超过其临界电流, 而 $J_{2}$ 将进人常态, 相位发生 $2 \pi$ 超前。偏置电流 $I_{b_{1}}$ 选为 $J_{2}$ 临界电流的 $75 \%$ 左右, 即 $I_{b_{1}} \approx 0.75 I_{c_{2}}$，由于$I_{b_{1}}$ 同样分配给 $J_{1}$ 偏置电流, 在这种情况下 $J_{1}$ 的获得的偏置电流相对较低, 所以设计输入端连接的电路时需要考虑到这一因素。

下面来考虑正向特性,正向输入时，缓冲器与 JTL 相同，起通路作用 。因为 $J_{2}$ 的偏置与输入信号相反, 所以正向输入时 $\varphi_{2}$ 维持在一个很低的水平。图电路方程为

$$\varphi_{1}+\varphi_{2}-\varphi_{3}=\frac{2 \pi}{\Phi_{0}} \Phi$$

由于正向输人时 $\varphi_{2}$ 很小, 故将其忽略, 则上面的方程与双结 JTL 的方程相同。而缓冲器正向传输起到了 JTL 的作用, 所以此处参照 JTL 来选取 $J_{3}$ 和 $L$ 的大小。

可以选取：

$$I_{c_{1}}=300 \mu \mathrm{A}, I_{c_{2}}=0.7 I_{c_{1}}(\frac{1}{1.4}=0.7)=210 \mu \mathrm{A}, I_{c_{3}}=240 \mu \mathrm{A}$$

$$L=4 \mathrm{pH}, I_{b_{1}}=0.75 I_{c_{2}}, I_{b_{3}}=0.75 I_{c_{3}}$$

3. 超导 RSFQ 合路缓冲器

前面介绍的缓冲器仅仅起到了单向传输的作用，可以将两个简单缓冲器组合起来形成一种新的缓冲器，叫合路缓冲器。

上图中为两个互连的缓冲器，电路两侧的输入都不会影响另外一侧的电路，但是如果从 $J_{3}$ 引出 JTL, 则无论哪一侧的输人都可以从 $J_{3}$ 输出，这就是超导 RSFQ 合路缓冲器的基本原理。

如上图，改造后的电路成为了超导 RSFQ 合路器。

• 电路结构

输入端 $A$ 和 $B$ 以及输出端 OUT 都由 JTL 连接, $J_{5} 、 J_{7}$ 和 $L_{7}$ 构成一个缓冲器, $J_{6} 、 J_{8}$ 和 $L_{7}$ 构成另外一个缓冲器, 两个缓冲器连接一个输出。

• 工作原理

当电路输入端有输入时, 如果 $A$ 和 $B$ 的输入不是同时, 则在输出端先后有两个输出, 如果 $A$ 和 $B$ 同时输入信号, 在输出端 OUT 将只有一个输出。

A端和B端先后有输入信号时的波形

• 参数选取

两个缓冲器可以沿用前面的参数,但是由于 $J_{7}$ 和 $J_{8}$ 的偏置电流共用 $I_{b}$，所以 $I_{b}$ 的大小则选为单个缓冲器时偏置电流大小的 2 倍左右, 即 $I_{b} \approx 300 \mu \mathrm{A}_{\circ}$ （前面的缓冲器中，中间的 $J_{2}$ 结的偏置电流 $I_{b1}=0.75I_{c2}\approx0.5I_{c1}=150\mu A$）

7.2 超导 RSFQ 触发器

超导 RSFQ 电路是以 SFQ 电压脉冲来表示逻辑位，所以如果电路中有存储功能，则选用的干涉器必须至少有两个工作状态，这样在 $n$ 不为零的工作状态下，干涉器才可以存储磁通量子。

1. RS触发器

• RS 触发器核心电路

上图给出了一个不对称偏置的超导量子干涉器,这里选择它的工作状态为 $n=0$ 和 $n=1$。这种电路是 $\mathrm{RS}$ 触发器的核心，它与外电路有三个连接端口, 即两个输入端 $R$ 和 $S$, 以及一个输出端 OUT。

• RS触发器的功能

当 $S$ 端输入时, 输出端 OUT 并不立即输出, 而是当 $R$ 端接着输入时, 输出端 OUT 同时输出。当 $S$ 端没有输入, $R$ 端有输入时, 输出端不能有输出。
这样, $S$ 端输入的单磁通量子必须先存储在干涉器中, 当 $R$ 端输入时, 才输出一个单磁通量子电压脉冲。

• 不对称偏置的量子干涉器的工作原理

具体的工作原理是: 在选定的电路参数下, 当 $n=0$ 时, 由于偏置电流不对称, 为了平衡式 (7.2.3), （这里没看懂公式的含义？？？）偏置电流将大部分流过 $J_{2}$, 导致 $J_{2}$ 的偏置电流较高, 而少量偏置电流流过电感 $L$ 和 $J_{3}$ , $L$和 $J_{3}$ 共同作用平衡了 $J_{2}$ 的高偏置电流。

当 $S$ 端有输入时, $J_{2}$ 就可以被触发, 相位发生 $2 \pi$ 的超前, 并为干涉器引人一个单磁通量子, 此时偏置电流将重新分配, 大部分偏置电流将流过 $L$ 和 $J_{3}$, 这样 $J_{3}$ 的偏置电流较高, 这时干涉器的状态为 $n=-1$。

如果 $R$ 端接着有输入， 则 $J_{3}$ 将有 $2 \pi$ 的相位超前, 这样由 $J_{3}$ 为干涉器引入一个单磁通量子, 这个单磁通量子与前一个磁通极性相反,，这样干涉器中将没有磁通量子存储, $n$ 又重新回到 $0$ 。

如果有电路与 $J_{3}$ 相接, 则 $J_{3}$ 的触发可以在 OUT 端得到一个输出。

当 $n=0$ 时，R 端的输入并不能使 $J_{3}$ 触发，因为此时 $J_{3}$ 上的偏置电流很小。同样，当 $n=-1$ 时，S 端的输入不能使 $J_{2}$ 触发，因为此时流过 $J_{2}$ 上的偏置电流很小。

• 不对称偏置的量子干涉器的参数分析

先分析它的描述方程

$$\begin{array}{c} I_{b_{2}}=I_{c_{2}} \sin \phi_{2}+I_{c_{3}} \sin \phi_{3} \\ \Phi=L I_{\text {circ }}=L\left(I_{b}-I_{c_{2}} \sin \phi_{2}\right) \\ \phi_{2}-\phi_{3}=\frac{2 \pi}{\Phi_{0}} L\left(I_{b}-I_{c_{2}} \sin \phi_{2}\right)+2 n \pi \end{array}$$

将上面三个式子与第五章中分析的超导量子干涉器中 $L_{1}=0$ 的情况相对应, 可以得到以下关系（不清楚公式的推导？？）

$$\begin{array}{l} L \geqslant \frac{\Phi_{0}}{2 \pi} \frac{-2 n \pi-\frac{\pi}{2}+\arcsin \left(\frac{I_{b}}{I_{c_{2}}}-\frac{I_{c_{3}}}{I_{c_{2}}}\right)}{I_{c_{3}}} \\ L \leqslant \frac{\Phi_{0}}{2 \pi} \frac{-2 n \pi-\frac{\pi}{2}+\arcsin \left(\frac{I_{b}}{I_{c_{3}}}-\frac{I_{c_{2}}}{I_{c_{3}}}\right)}{I_{b}-I_{c_{2}}} \end{array}$$

根据上面推导出的两个式子，可以通过选定电路的参数和干涉器的状态来确定电感的大小。

对于需要得到 $n=0$ 和 $n=-1$ 两种工作状态的干涉器，将
将 $n=-1$ 和 $n=-2$ 带入上面推导出的两个式子，可得到仅有 $n=-1$ 的工作状态（出现 $n=-1$ 工作状态必然包含 $n=0$）, 但不出现 $n=-2$ 的 工作状态。这样得到（课本P177，我没有算出正确答案）

$$0.71 \frac{\Phi_{0}}{I_{c_{2}}} \leqslant L<1.71 \frac{\Phi_{0}}{I_{c_{2}}}$$

• RS 触发器电路

该电路是由不对称的超导量子干涉器改造而来，其输入端和输出端都与 JTL 连接，并且输入端 JTL 和 RS 触发器之间用缓冲器连接。其中，$J_{2}$ 、$L_{2}$ 、$J_{3}$ 构成了RS触发器的核心电路，缓冲器部分我没看出来。

在仅有 S 端输入时，SFQ 电压脉冲沿 S 端的 JTL 输入到 $J_{2}$，此时干涉器的工作状态为 $n=0$ ，所以大部分偏置电流流过 $J_{2}$ ， $J_{2}$ 将发生跳变，干涉器工作状态从 $n=0$ 变成 $n=-1$，偏置电流重新分配, 即偏置电流将大部分流过 $L$，此后 $S$ 端输人的 SFQ 电压脉冲将不能使 $J_{2}$ 跳变。 $L$ 上的电流仍保持一个较大的值。

在仅 $R$ 端输入时，由于干涉器在 $n=0$ 状态下, 所以输入 SFQ 电压脉冲沿 JTL 输人到 $J_{3}$, 由于干涉器此状态下大部分偏置电流流向 $J_{2}$，使得 $J_{3}$ 上偏置电流很小, 所以 $J_{3}$ 并不跳变, 并且输出端也没有输出。

• RS 触发器的状态转换图

上图中，$R$ 和 $S$ 表示端口有输入， 括号内的“1”和“0”表示输出端是否有输出，两个大圆内的“ 0 ”和“ 1 ”表示干涉器的逻辑状态。

2. T 触发器

• T 触发器和 RS 触发器的比较

$\mathrm{T}$ 触发器与 $\mathrm{RS}$ 触发器都是基于具有两个状态的干涉器构建的。
$T$ 触发器有一个输入端, 两个输出端。T触发器的输入端 可以看作 RS 触发器的 $R$ 端和 $S$ 连接在一起输入信号, 可以用前面的超导 RSFQ 分支器来实现这种输入功能。$T$ 触发器的两个输出端，其中一个输出端与 $\mathrm{RS}$ 触发器相同, 而另外一个输出端是从 $R S$ 触发器的 $J_{2}$ 耦合出来的。这样, 在输入端输入时, 就相当于 $R S$ 触发器的 $R$ 端和 $S$ 端都有输入, 故 $J_{2}$ 和 $J_{3}$ 至少有一个要触发, 这取决于 $J_{2}$ 和 $J_{3}$ 以及 $L$ 组成的干涉器的状态。

对于 $T$ 触发器如果为 $n=0$, 则 $J_{1}$ 触发, 相应的, 与 $J_{1}$ 相连的输出端 $OUT_1$ 将有输出; 如果为 $n=-1$, 则 $J_{2}$ 触发，相应的，与 $J_{2}$ 相连的输出端 $OUT_2$ 有输出。

• 电路结构

由上图可以看出, 输入端 IN 为一个超导 $\mathrm{SFQ}$ 分支器, 它将一路输入信号分成相同的两路输入到 $J_{1} 、 L$ 和 $J_{2}$ 组成的干涉器, 两个输出端 $\mathrm{OUT}_{1}$ 和 $\mathrm{OUT}_{2}$ 分别接到干涉器的两侧。

• 电感 $L$ 上的偏置电流变化

前面 $J_1$ 触发，大部分电流流向L，此时干涉器转变为为 $n=-1$ 状态, $L$ 上电流升高表明偏置电流大部分流过 $J_{2}$, 当 $J_{2}$ 触发相位翻转 $2 \pi$ 后，$L$ 上的电流降低，表示此时偏置电流 $I_{b}$ 重新分配, 即大部分流过 $J_{1}$，干涉器回到 $n=0$ 状态，输出端 $\mathrm{OUT}_{2}$ 相应有一个输出。
当下一个输入信号到来后, $J_{1}$ 将触发, 输出端 $\mathrm{OUT}_{1}$ 有一个输出, 接着偏置电流又将大部分流过 $L$ 和 $J_{2}$ 。

• 超导 RSFQ T 触发器的状态转换图

$IN\left(O U T_{1}\right)$ 表示输入端有输入, 此时 $\mathrm{OUT}_{1}$ 有输出, $IN\left(\mathrm{OUT}_{2}\right)$ 表示输入端有输入, 而 $\mathrm{OUT}_{2}$ 有输出。大圆内的 “ 0 ” 和 “1”表示逻辑上的 0 和 1 , 分别对应干涉器的 $n=0$ 和 $n=-1$ 状态。

3. D 触发器

• D 触发器的结构

超导 RSFQ D 触发器是在量子干涉器环路 $J_{1}-L_{2}-L_{3}-J_{2}$ 基础上构建的, 其原理图如下图所示。

• 工作原理

$\mathrm{D}$ 触发器有两个等效的量子化状态, “ 0 ” 状态和 “1” 状态。
从 $n=0$ 转换到 $n=1$ ；因为 $L_{2}>L_{3}$, 所以在初始状态“0” 时，直流偏置电流 $I_{0}$ 的大部分都通过结 $J_{2}$ 流进接地端， 在 $J_{2}$ 的两端产生了亚临界的结，其相位降落 $\phi_{2} \approx \pi / 3$, 而 $J_{1}$ 的相位降落很小。一个来自数据端 $D$ 的 SFQ会使结 $J_{2}$ 翻转, 从而将一个外部的磁通量 $\Delta \Phi \approx \Phi_{0}$ 注人量子干涉器环路中。然而, 由于环的电感较大 $\left(L_{2} I_{c_{1}} \approx \Phi_{0}\right)$, 回路中会形成一个沿逆时针方向流动的电流（此处的逆时针方向不太确定？？？） $\Delta I \approx \Phi_{0} /\left(L_{J_{1}}+L_{2}+L_{3}+L_{J_{2}}\right) \approx \Phi_{0} / L_{2}$，但此电流并不足以将通过 $J_{1}$ 的电流提升到超过其临界电流 $I_{c_{1}}$ 的值而使其进人常态。因此注入的磁通量就保存在干涉器回路中,这就是电路的另一个状态“1”。

从 $n=1$ 转换到 $n=0$； 在这种状态下, 保持电流 $\Delta I$ 在量子干涉器环路中是逆时针流动的。而在 $J_{2}$ 中这个保持电流与其直流偏置电流的方向相反， 使这个结几乎没有偏置 $\left(\phi_{2} \ll \pi / 2\right)$ 。相反, 在 $J_{1}$ 中, 保持电流与其直流偏置方向相同，是相加关系, 在这个结的两边形成亚临界的相位差 $\phi_{1} \approx \pi / 3$ 。因此, 当有 SFQ 脉冲到达时钟输人端 $C$ 时（通过一个缓冲器 $\left.L_{6}-J_{6}-L_{4}\right)$, 它就会使 $J_{1}$ 的状态转变, 但不会使 $J_{2}$ 的状态转变。作为这个 状态转变的结果, 会有一个通过结 $J_{1}$ 形成的 $\mathrm{SFQ}$ 输出脉冲, 通过缓冲器 $L_{1}-$ $J_{0}-L_{0}$ 传输到输出端 $Q_{0}$ 与此同时, 这个 $\mathrm{D}$ 触发器恢复到其初始状态 “0”。

如果 $D$ 端没有输入 $S F Q$ 脉冲, 当 $S F Q$ 脉冲到达输入端 $C$ 时不会在输出端 $Q$ 产生 SFQ 脉冲输出, 而此时 $\mathrm{D}$ 触发器的状态也不会改变。

7.3 超导 RSFQ 基本逻辑单元

1. 超导 RSFQ 或门逻辑电路

将合路器与超导 RSFQ RS 触发器相结合, 从而构成或的逻辑关系电路, 也就是或门。

• 电路结构

将 $R S$ 触发器的 $R$ 端作为时钟信号输入端, 当合路器的输出信号输入到 RS 触发器的 $S$ 端时, 并不立即响应一个输出, 而是等 $R S$ 触发器的 $R$ 端的时钟信号到达时, 才在输出端得到一个输出, 具体的电路如下图所示。

• 工作原理

原来的 $\mathrm{RS}$ 触发器的 $R$ 端在此作为时钟信号的输入端, 标记为 CLK, 在连续的两个时钟信号 $\mathrm{CLK}_{1}$ 和 $\mathrm{CLK}_{2}$ 之间, 只要 $A$ 或 $B$ 有一路输入或者两路都有输入, 则在 $\mathrm{CLK}_{2}$ 到来时, 输出端 OUT 就会有一个输出, 而在 $\mathrm{CLK}_{2}$ 到 来之前, OUT 端不会有输出。

2. 超导 RSFQ 与门逻辑电路

• 工作原理

与门的输入端 $A 、 B$ 分别连接至两个相同的 $D$ 触发器, 时钟脉冲 $T$ 经缓冲器 $L_{4}-J_{5}-L_{6}$ 同时加到两个 $\mathrm{D}$ 触发器的输出端。如果在时钟脉冲到达之前 $A$ 端和 $B$ 端都有脉冲到达,那么 $J_{1}$ 和 $J_{12}$ 将同时翻转,其结果将提供足够大的电流使结 $J_{8}$ 翻转而形成输出脉冲, 并经缓冲器 $L_{8}-L_{9}-J_{9}-L_{10}$ 到达输出端 $Q_{0}$ 。如果在时钟脉冲到达之前 $A$ 端和 $B$ 端只有一个或没有脉冲进入, 那么通过结 $J_{8}$ 的电流将不足以使其翻转, 而在输出端也不会有 SFQ 脉冲输出。时钟信号到达以后该电路将恢复到其初始状态，等待下一次的数据。

3. 超导 RSFQ 与非门逻辑电路

• 电路结构

超导 RSFQ 与非门逻辑电路由一个具有两个工作状态的超导量子干涉器来实现。上图的 $J_1$、$L_1$、和 $J_2$ 构成超导量子干涉器。该量子干涉器是非门电路的核心。

• 工作原理

当 $J_{1} 、 L_{1}$ 和 $J_{2}$ 构成的超导量子干涉器在 “0”工作状态时, 偏置电流 $I_{b_{1}}$ 大部分流过 $J_{1}$, 即通过 $J_{1}$ 和 $J_{3}$ 通路接地, 此时 $J_{2}$ 上只流过很小的偏置电流。因此当 CLK 时钟输入端输入 SFQ 信号时，由于 $J_{2}$ 偏置电流水平低, 而 $J_{3}$ 偏置电流水平高，因此, $J_{3}$ 将被触发, 其相位变化 $2 \pi$, 同时在输出端 OUT 生成 SFQ 电压脉冲。在这个过程中, $J_{1}$ 、 $L_{1}$ 和 $J_{2}$ 构成的超导量子干涉器的状态并不会被改变。

如果干涉器首先在输入端 IN 有一个输入, 那么 $J_{1}$ 将被触发, 同时 $J_{1} 、 L_{1}$ 和 $J_{2}$ 构成的超导量子干涉器状态由 "0" 转变到 "1", 偏置电流 $I_{b_{1}}$, 改变方向, 将大部分流过 $J_{2}$, 经过 $J_{2}$ 和 $J_{3}$ 后接地, 此时 $J_{2}$ 偏置较高。当时钟信号CLK到达时,要使 $J_{2}$ 被触发, 同时 $J_{3}$ 不被触发, 在电路参数的选择上, $J_{2}$ 的临界电流要小于 $J_{3}$, 这样, $J_{2}$ 被触发, 而 $J_{3}$ 不被触发, 相应输出端 $OUT$ 将没有输出。由于 $J_{2}$ 被触发, 使得 $J_{1} 、 L_{1}$ 和 $J_{2}$ 构成的超导量子干涉器回到“0”态。

• 状态转换图

在每个时钟信号周期内, 输入端 IN 有输入时, 则输出端 OUT 没有输出; 反之, 输入端 IN 没有输入时，此时时钟信号 CLK 有输入，则输出端 OUT 有输出，这就是逻辑非的关系。

4. DC/SFQ 转换器

一种获得 SFQ 脉冲的简单方法是，可以采用对加有偏置电流的约瑟夫森结注人信号的方法来驱动约瑟夫森结, 当总的结电流超过结的临界电流时, 就会输出 SFQ 脉冲。
但是, 这种获取 $\mathrm{SFQ}$ 脉冲的方法要求输人信号的幅度和持续时间要刚好使约瑟夫森结产生 $2 \pi$ 的相位变化。然而, 在实验室条件下, 大多数驱动信号的持续时间大于结的反应时间, 其结果是这种电路将产生包含多个 $S F Q$ 的脉冲, 而不是单一的 $S F Q$ 信号。为了得到可以控制的 $S F Q$ 信号, 人们采用 DC/SFQ 转换器来产生需要的 SFQ 信号。

• DC/SFQ 转换电路结构

下图中 $J_{2}$ 的临界电流比 $J_{1}$ 大些, $J_{1}$ 的一侧与电感 $L$ 相连接, 偏置电流 $I_{b}$ 主要通过 $J_{2}$ 结并选择适当大小使其处于预临界状态。

当有 $I_{\mathrm{I N}}$ 输入时, 主要通过电感 $L$ 接地, 很少一部分流过 $J_{1}$ 和 $J_{2}$, 使 $J_{2}$ 超过临界状态发生翻转, 而 $J_{1}$ 没有明显的变化, 输出端产生一个 $\mathrm{SFQ}$ 脉冲, 同时一个磁通量子进入超导量子干涉器环。

当 $I_{\mathbb{I N}}$ 减小时, 环电流和偏置电流在 $J_{1}$ 中的方向一致, 而在 $J_{2}$ 中方向相反, 使得 $J_{1}$ 发生翻转, 陷入的磁通量子通过 $J_{1}$ 的翻转而释放出来, 电路恢复到原状态。

DC/SFQ 转换电路的工作波形如下。其中输人信号为直流方波, 而在输出端得到的是周期性的 SFQ 信号。

5. SFQ/DC 转换器

为了实现超导 SFQ运算与常温电路之间的数据或指令交换, 必须实现超导 $\mathrm{SFQ}$ 电路与传统半导体器件的稳定接口。
但由于 $\mathrm{SFQ}$ 脉冲的持续时间和幅度都极小, 利用传统的半导体器件难以实现对 SFQ 脉冲的可靠检测, 因此, 需设法将 SFQ 脉冲转换成传统半导体器件可检测的直流电平信号。

下图给出了一个超导 RSFQ SFQ/ $D C$ 电路, 它是在 SFQ T 触发器的基础上构建的, 偏置电流 $I_{b_{3}}$ 的大部分将流经下面的 $J_{6}$ 结, 只有很小部分流经 $J_{5}$, 通过电路设计的参数选取使 $J_{6}$ 的偏置程度接近临界状态。

当一个输入 SFQ 脉冲将超导量子干涉器环路转换到 "1" 状态时, 偏置电流 $I_{b_{2}}$ 除大部分通过 $J_{3}$ 接地外, 有一小部分流入输出分支的 $J_{6}$, 使其发生状态转变, 此时输出端有 $\mathrm{SFQ}$ 脉冲产生。

注意到 $J_{6}$ 状态转变的同时向超导量子干涉器返回一个 SFQ 脉冲，但由于有 $J_{5}$ 的存在而对其起缓冲作用，$J_{5}$ 的翻转阻止了$\mathrm{SFQ}$脉冲进人干涉器, 这样 $J_{5}$ 就使 $J_{6}$ 返回的 SFQ 脉冲释放到外部。而此时超导量子干涉器仍旧维持原来的状态不变。

然而, 当 $J_{5}$ 状态转变并恢复后, 其返回 $J_{6}$ 的 $\mathrm{SFQ}$ 又使 $J_{6}$ 超过其临界状态而产生又一个 $\mathrm{SFQ}$ 脉冲。这样, 只要触发器的超导量子干涉器环仍处在“1”态, 上述过程就会重复下去，且 $J_{5}$ 和 $J_{6}$ 一前一后开始振荡。既然结的每个振荡都会产生 一个电压脉冲, 那么就可以在输出分支的 $J_{6}$ 上观测到平均直流电压。

当输入端输入另外一个信号时, 触发器的超导量子干涉器环回到 “0”态，相应的输出端也回到非振荡状态。
这样每当输人端有一个脉冲输入时, 输出端的状态就改变一次, 因此, 测得的平均电压的频率就是输人 $\mathrm{SFQ}$ 频率的一半。SFQ/DC 电路的工作波形如下图所示。

6. DX 单元和 MX 单元

• 电路结构及功能

DX 和 MX 的原理图如上图所示。
对于 MX 来说, 实现的功能是将输入端 $A$ 和 $B$ 的数据有选择地传到输出端 $F$。当 $S$ 端有输入脉冲时, $F$ 端输出的是 $A$ 端的数据; 当 $R$ 端有输入脉冲时, $F$ 端输出的是 $B$ 端的数据。当数据输出后, 电路恢复到初始状态, 等待下一次的数据输人。
对于 DX 来说,实现的功能是将输入端 $A$ 的数据有选择地输出到 $F_{1}$ 或 $F_{2}$ 端。当 $S$ 端有输入脉冲时, $F_{1}$ 端输出 $A$ 端的数据; 当 $R$ 端有输人脉冲时, $F_{2}$ 端输出 $A$ 端的数据。当数据输出后, 电路恢复到初始状态, 等待下一次数据的输入。

7. 算术加 ADD 单元

• 电路结构及功能

算术加 ADD 的原理图及仿真图形如上图所示。从仿真图形中可以看出, 当加法器输入端 $A$ 和 $B$ 有输入脉冲时， 当时钟输入端 $T$ 的脉冲输入后, “和”输出端 $S$ 没有 $\mathrm{SFQ}$ 脉冲输出, 只有进位输出端 $C$ （此处应该为 $C'$）有 $\mathrm{SFQ}$ 脉冲输出;

当输入端 $A 、 B$ 和进位输入端 $C$ 都有脉冲输入时，在时钟输入端 $T$ 的脉冲输入后,“和”输出端 $S$ 端有 SFQ脉冲输出, 在进位输出端 $C$ （此处应该为 $C'$）也有 $\mathrm{SFQ}$ 脉冲输出。

仿真波形如下

8. INC 单元

• 电路结构及功能

INC 的原理图如上图所示，该原理图中有一个电阻。当时钟输入端 $T$ 有脉冲输入后, 如果在数据输入端 $A$ 有数据输入在先, 那么在数据输出端 $F$ 没有 $\mathrm{SFQ}$ 脉冲输出; （输入 A 早于时钟 T，输出F没有输出）
如果在时钟输入端 $T$ 有脉冲输入之前, 数据输入端 $A$ 没有 $\mathrm{SFQ}$ 脉冲输入, 那么当时钟输入端 $T$ 有脉冲输入后, 在输出端 $F$ 就会有一个 SFQ 脉冲输出。（时钟 T 之前没有输入 A，则输出F有输出）

仿真波形如下：