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単一磁束量子パルス周波数変調型D/A変換器のGHz信号生成回路への応用

Seiya Hayashi, 島田, 宏, 義直 水柿

Published Oct 1, 2024• 0 citations
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Abstract

単一磁束量子(Single Flux Quantum: SFQ)回路の応用の一つとして交流電圧標準がある．これを実現するために，交流ジョセフソン効果で定義された高精度な電圧を生成するパルス周波数変調型D/A 変換器(Digital/Analog Converter: DAC) の開発が行われている．“sum of Selected Bit Sequences (-SBS)”型と呼ばれるDAC はその一つであり，生成電圧の精度の高さを保ちながら，取り扱うSFQ パルス列周波数が120 GHz 程度に達する高速動作性を有する．本研究では，-SBS DAC の高速動作性を活かしてマイクロ波を生成する回路を設計し，数値計算により動作検証並びに動作可能範囲の探索を行った．結果として，目標であった周波数1 GHz の両極性疑似正弦波に相当するSFQ パルス列の周波数変調を達成した．また，回路の生成できる正弦波の周波数は10 MHz–1 GHz であった．

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Information-Processing Circuits Using Single Flux Quanta

Akira Fujimaki, Masamitsu Tanaka

る。すべての論理ゲートにクロック信号を供給し，データ 信号との同期をとる必要があることから，SFQ 論理ゲー トは本質的にラッチ機能を有するという，ユニークな特徴 を持つ。クロック周期はパルス幅の 5 -10 倍あればよ く，100 GHz を超える動作も実証されている (3) 。 近年，マイクロストリップやストリップ構造の導波路を 集積回路内に形成し，配線に用いる受動線路(Passive Transmission Line：PTL)技術が確立された (4) (5) 。これ は，超電導配線の超低損失性を利用し，電圧パルスを電磁 波として弾道的に伝搬させるものである。電圧レベルを信 号とする半導体回路のように配線容量を充放電する必要が ないため，1 本の配線上に複数の SFQ パルスを乗せられ る。チップ内のみならずチップ間でも，信号線当たり 100 Gbps 以上の高スループットの信号伝送が可能であること 1．はじめに 単一磁束量子(Single Flux Quantum：SFQ)回路は， 超電導体リング中の磁束量子を情報担体とし，

The Journal of the Institute of Electrical Engineers of Japan•Jan 1, 2010•0 citations

Operation of a 4-bit RSFQ digital-to-analog converter based on a binary split-confluence configuration

Naonori Sega, Yuta Somei, Hiroshi Shimada +1 more

Abstract One of the unique applications of single-flux-quantum (SFQ) circuitry is a digital-to-analog converter (DAC) of which the output voltage is defined by the Josephson effect. Recently, we have designed and operated rapid single-flux-quantum (RSFQ) DACs with frequency modulation of SFQ pulse sequences. In this paper, we report our design and test results of a 4-bit RSFQ-DAC based on the configuration of the “sum of selected bits sequence (Σ-SBS)”. By adjusting the timing margins, in addition to the fabrication using the Nb integration process with the critical current density as high as 10 kA/cm2, the maximum output voltage up to 260 μV was demonstrated.

Journal of Physics Conference Series•Aug 1, 2022•2 citations

Single-Flux-Quantum Bipolar Digital-to-Analog Converter Comprising Polarity-Switchable Double-Flux-Quantum Amplifier

Yoshinao Mizugaki, Tomoki Watanabe, Hiroshi Shimada

We present a single-flux-quantum (SFQ)-based digital-to-analog converter (DAC) generating bipolar output voltages, in which the key component is a polarity-switchable double-flux-quantum amplifier (PS-DFQA). The DAC comprised a dc/SFQ converter, an 8-bit variable pulse-number multiplier (PNM), and a ±8-fold PS-DFQA integrated on a single chip. SFQ pulse-frequency modulation was employed to realize variable output voltage amplitude, for which the multiplication factor of the variable-PNM was controlled by a commercial data generator situated at room temperature. The variable-PNM realized 8-bit resolution with a multiplication factor between 0 and 255. Bias currents fed to the ±8-fold PS-DFQA were polarity switched in synchronization with the digital code for the variable-PNM. The whole circuits including I/O elements were designed using SFQ cell libraries, and fabricated using a niobium integration process. Sinusoidal bipolar voltage waveform of 0.38 mVpp was demonstrated using a reference signal source of 43.94 MHz.

IEEE Transactions on Applied Superconductivity•Nov 7, 2016•2 citations

Recent development and perspective of ultra-high-speed microprocessors using single-flux-quantum circuits

吉川, 信行, ヨシカワ, ノブユキ, Yoshikawa, Nobuyuki

超伝導ループ中の量子化磁束を情報担体とする単一磁束量子(SFQ)回路は，動作スピードと消費電力において半導体を凌駕する性能をもつ．近年，SFQ集積回路の設計技術とプロセス技術の進歩により，1万接合を超えるSFQ回路の動作が可能となってきた．本論文では，SFQ回路の動作原理，性能，要素技術について解説するとともに，SFQマイクロプロセッサの最近の研究開発動向を紹介する．更に，ハイエンドコンピュータ応用を中心に本技術の今後の展望を述べる．

•Mar 1, 2008•0 citations

Design and Operation of 64-Fold Variable Single-Flux-Quantum Pulse-Number Multiplier

Yoshinao Mizugaki, Jun Saito, Masataka Moriya +1 more

One of the unique applications of the single-flux-quantum (SFQ) circuitry is a digital-to-analog converter (DAC) with fundamental accuracy based on the Josephson effect. Recently, we have proposed a DAC based on frequency modulation of the output SFQ pulse train. A variable SFQ pulse-number multiplier (PNM) is a key component for the frequency-modulation DAC. In this paper, we report our design and test of a variable PNM in which the multiplication factor is determined by the sum of selected SFQ trains coming from a series array of toggle flip-flops. A 64-fold variable PNM is designed and tested using chips based on Nb. The low-speed test shows its correct functions of variable multiplication of one- to 64-fold. The high-speed test demonstrates the operation of output SFQ repetition frequency up to 0.82 GHz for 64-fold multiplication.

IEEE Transactions on Applied Superconductivity•Oct 5, 2011•9 citations

基于里德堡原子天线混频的微波相位噪声影响测量

班小娟 Xiao-juan BAN, 苏楠 Nan SU, 刘瑶 Yao LIU +3 more

本文理论分析和实验测量研究了微波相位噪声对里德堡原子天线微波混频信号的影响。通过研究微波混频信号的相位噪声项,建立在信号场中加入相位噪声后微波混频信号强度变化的理论模拟图。实验基于室温铯原子气室中里德堡原子电磁感应透明光谱,实现里德堡原子|64S1/2?→|64P1/2?态的电偶极跃迁,得到频率13.806 057 GHz与13.806 000 GHz的微波场混频信号。同时,对混频信号强度的参数依赖关系进行研究。经实验发现,基于里德堡原子天线微波混频信号强度与参考场的功率有关,优化功率参数条件下,参考场可以实现约20dB的混频信号增强;当参考场调控里德堡原子达到微波混频效率最大时,在信号场中加入相位噪声,会导致混频信号强度的显著降低。

Acta Sinica Quantum Optica•Jan 1, 2023•1 citation
単一磁束量子(Single Flux Quantum: SFQ)回路の応用の一つとして交流電圧標準がある．これを実現するために，交流ジョセフソン効果で定義された高精度な電圧を生成するパルス周波数変調型D/A 変換器(Digital/Analog Converter: DAC) の開発が行われている．“sum of Selected Bit Sequences (-SBS)”型と呼ばれるDAC はその一つであり，生成電圧の精度の高さを保ちながら，取り扱うSFQ パルス列周波数が120 GHz 程度に達する高速動作性を有する．本研究では，-SBS DAC の高速動作性を活かしてマイクロ波を生成する回路を設計し，数値計算により動作検証並びに動作可能範囲の探索を行った．結果として，目標であった周波数1 GHz の両極性疑似正弦波に相当するSFQ パルス列の周波数変調を達成した．また，回路の生成できる正弦波の周波数は10 MHz–1 GHz であった．
る。すべての論理ゲートにクロック信号を供給し，データ 信号との同期をとる必要があることから，SFQ 論理ゲー トは本質的にラッチ機能を有するという，ユニークな特徴 を持つ。クロック周期はパルス幅の 5 -10 倍あればよ く，100 GHz を超える動作も実証されている (3) 。 近年，マイクロストリップやストリップ構造の導波路を 集積回路内に形成し，配線に用いる受動線路(Passive Transmission Line：PTL)技術が確立された (4) (5) 。これ は，超電導配線の超低損失性を利用し，電圧パルスを電磁 波として弾道的に伝搬させるものである。電圧レベルを信 号とする半導体回路のように配線容量を充放電する必要が ないため，1 本の配線上に複数の SFQ パルスを乗せられ る。チップ内のみならずチップ間でも，信号線当たり 100 Gbps 以上の高スループットの信号伝送が可能であること 1．はじめに 単一磁束量子(Single Flux Quantum：SFQ)回路は， 超電導体リング中の磁束量子を情報担体とし，
Abstract One of the unique applications of single-flux-quantum (SFQ) circuitry is a digital-to-analog converter (DAC) of which the output voltage is defined by the Josephson effect. Recently, we have designed and operated rapid single-flux-quantum (RSFQ) DACs with frequency modulation of SFQ pulse sequences. In this paper, we report our design and test results of a 4-bit RSFQ-DAC based on the configuration of the “sum of selected bits sequence (Σ-SBS)”. By adjusting the timing margins, in addition to the fabrication using the Nb integration process with the critical current density as high as 10 kA/cm2, the maximum output voltage up to 260 μV was demonstrated.
We present a single-flux-quantum (SFQ)-based digital-to-analog converter (DAC) generating bipolar output voltages, in which the key component is a polarity-switchable double-flux-quantum amplifier (PS-DFQA). The DAC comprised a dc/SFQ converter, an 8-bit variable pulse-number multiplier (PNM), and a ±8-fold PS-DFQA integrated on a single chip. SFQ pulse-frequency modulation was employed to realize variable output voltage amplitude, for which the multiplication factor of the variable-PNM was controlled by a commercial data generator situated at room temperature. The variable-PNM realized 8-bit resolution with a multiplication factor between 0 and 255. Bias currents fed to the ±8-fold PS-DFQA were polarity switched in synchronization with the digital code for the variable-PNM. The whole circuits including I/O elements were designed using SFQ cell libraries, and fabricated using a niobium integration process. Sinusoidal bipolar voltage waveform of 0.38 mVpp was demonstrated using a reference signal source of 43.94 MHz.
超伝導ループ中の量子化磁束を情報担体とする単一磁束量子(SFQ)回路は，動作スピードと消費電力において半導体を凌駕する性能をもつ．近年，SFQ集積回路の設計技術とプロセス技術の進歩により，1万接合を超えるSFQ回路の動作が可能となってきた．本論文では，SFQ回路の動作原理，性能，要素技術について解説するとともに，SFQマイクロプロセッサの最近の研究開発動向を紹介する．更に，ハイエンドコンピュータ応用を中心に本技術の今後の展望を述べる．
One of the unique applications of the single-flux-quantum (SFQ) circuitry is a digital-to-analog converter (DAC) with fundamental accuracy based on the Josephson effect. Recently, we have proposed a DAC based on frequency modulation of the output SFQ pulse train. A variable SFQ pulse-number multiplier (PNM) is a key component for the frequency-modulation DAC. In this paper, we report our design and test of a variable PNM in which the multiplication factor is determined by the sum of selected SFQ trains coming from a series array of toggle flip-flops. A 64-fold variable PNM is designed and tested using chips based on Nb. The low-speed test shows its correct functions of variable multiplication of one- to 64-fold. The high-speed test demonstrates the operation of output SFQ repetition frequency up to 0.82 GHz for 64-fold multiplication.
本文理论分析和实验测量研究了微波相位噪声对里德堡原子天线微波混频信号的影响。通过研究微波混频信号的相位噪声项,建立在信号场中加入相位噪声后微波混频信号强度变化的理论模拟图。实验基于室温铯原子气室中里德堡原子电磁感应透明光谱,实现里德堡原子|64S1/2?→|64P1/2?态的电偶极跃迁,得到频率13.806 057 GHz与13.806 000 GHz的微波场混频信号。同时,对混频信号强度的参数依赖关系进行研究。经实验发现,基于里德堡原子天线微波混频信号强度与参考场的功率有关,优化功率参数条件下,参考场可以实现约20dB的混频信号增强;当参考场调控里德堡原子达到微波混频效率最大时,在信号场中加入相位噪声,会导致混频信号强度的显著降低。