3.3.2. Цифровые устройства на д-криотронах

Как уже показано выше, на криотронах удобно реализуются логические схемы, в частности, по двухпроводной системе, в которой каждая переменная А представляется парафазным кодом, т.е. ток течет по одной из двух шин А или Ā. Парафазная система имеет преимущества перед однофазной в надежности и помехоустойчивости. В этой системе легко организовать контроль или восстановление ошибочных кодов благодаря значительной структурной и информационной избыточности. Кроме того, парафазная система в криотронных цепях позволяет обеспечить энергонезависимость, т.е. сохранение информации в виде циркулирующих токов при отключении источника питания. Инверторы в парафазной системе не нужны, т.к. отрицание легко обеспечить, поменяв местами два провода данной переменой. Коэффициент разветвления логических схем может быть весьма большим

На рис. 3.8 представлены некоторые варианты конструкций криотронов, выполняющих логические функции и форма управляющих характеристик.

Рис. 3.8. Организация логических функций на многоходовых криотронах: а – двухфазовый с симметрическим подводом тока; b, с – двух- и трехфазовый с несимметричным подводом тока

Конструкция криотронов обеспечивает алгебраическое суммирование воздействия управляющих токов в управляющих шинах-затворах. Первый вариант (рис. 3.8, а) обладает симметричной характеристикой с коэффициентом усечения по току – 2. Если выбрать рабочий ток I_q=2/3I_С0, то криотрон переключается при подаче тока любой полярности по одному из входов (а→в,в’).

При подаче токов I_С1I_С2разной полярности переключения не происходит, при одинаковой полярности криотрон переключается (а→c,c’).

Другие варианты криотрона(рис. 3.8,b, с) отличаются асимметричной характеристикой и позволяют получить переключение криотрона с порогом срабатывания, который не зависит от вентильного тока (левая часть характеристики). Криотроны, имеющие три шины управления (рис. 3.8, с), при уровне рабочего токаI_q=2/3I_С0и соответствующей полярности переключаются при наличии управляющего тока, по крайней мере, на двух входах (а→c,d) и не переключаются при наличии тока только на одном входе (а→в).

Основной задачей при создании криотронных элементов логики и памяти является получение криотрона, характеристика управления которого (т.е. зависимость критического тока контакта от тока в управляющей шине) имела бы с точки зрения схемотехники выпуклую форму, близкую к прямоугольной, усиление по току более двух и малый остаточный ток. Для этого следует выбирать такую конструкцию контакта и подводящих шин, чтобы обеспечить пороговый характер переключения криотрона при возрастании тока управления.

Джозефсоновские логические устройства построены в основном на элементах, общая схема которых приведена на рис. 3.9.

Рис. 3.9. Джозефсоновский логический элемент с резистивной нагрузкой

К источнику питания последовательно с ограничивающими резисторами подключен джозефсоновский вентиль D₁, зашунтированный выходной шиной. В качестве вентиля используется либо одиночный джозефсоновский контакт, либо несколько контактов, соединенных друг с другом.

При отсутствии входных сигналов критический ток вентиля I_С0превышает ток источника питанияIи вентиль остается открытым. Если входные переменные поступают на входыx,yв сочетании, соответствующем выполняемой логической функции, критический ток становится ниже тока питания и вентиль запирается. В результате этого часть тока источника питания ответвляется в нагрузку и является входным сигналом для следующего элементаD₂. Входной сигнал действует на вентиль либо за счет создаваемого магнитного поля, либо инжекцией дополнительного тока непосредственно в джозефсоновский контакт.

Первой функционально полной системойлогических элементов на эффекте Джозефсона стала джозефсоновская туннельная логика, базовый логический элемент которой изображен на рис. 3.10.

Рис. 3.10. Схема базового логического элемента джозефсоновской туннельной логики

Базовый элементсостоит из туннельного криотрона К₁, вентиль которого зашунтирован выходной ветвью, выполняющей роль затвора в других криотронах (К₂, К₃). Схема располагается над сверхпроводящим экраном, так что все ее проводники представляют собой полосковые линии. Выходные полуветви ав иcdнагружены на согласующее сопротивление.

Асимметрия характеристики управления продольного криотрона дает возможность реализовать как элементы ИЛИ (токи Iиiнаправлены в одну сторону), так и элементы И и мажоритарные элементы при встречном направлении токов. Если затвор выходного криотрона включить в ветвь ас, то указанные элементы можно дополнить инвертором.

Джозефсоновская элементная база может быть эффективно использована лишь в том случае, если она позволяет создавать не только логику, но и память.

Существует большое разнообразие элементов памяти, но с одной и той же основой. В каждом таком элементе имеется сверхпроводящий контур, в который записывается циркулирующий незатухающий ток. Запись циркулирующего тока осуществляется с помощью включенного в контур управляемого вентиля, запирание которого равнозначно потере сверхпроводимости в контуре. В качестве вентиля может быть использован туннельный криотрон.