專利名稱：電子束激勵超導模數轉換器的制作方法
技術領域：
本發明一般地涉及模數轉換，更特別地，涉及一種用于高速模數轉換的系統和方法。
背景技術：
數字處理方面的發展極大地影響著科學與技術中的很多方面以及數字處理的應用。有許多情況都需要快速轉換模擬信號為數字表示以處理并利用數字設備的能力。一個關鍵部件是一種稱為模數轉換器(A/D轉換器)的裝置，該裝置在許多系統中都作為關鍵的前端處理機。然而，A/D轉換器的性能滯后于數字信息處理器，這產生對許多應用的完全數字化的一個障礙。
理想的是提供工作于30MHz和3GHz之間具有超過大約10比特分辨率的A/D轉換器。這些A/D轉換器可以用作雷達前端處理機、監聽接收機、圖像處理、HDTV以及其他多種領域中的部件。傳統的半導體設備具有眾所周知的系統局限性，不能滿足上述的性能需求。例如，現有的硅雙極技術在1GHz達到4比特，而GaAs異質結雙極晶體管(HBT)技術設計達到1GHz 6比特。剩下約瑟夫遜結(JJ)技術最有希望可能產生高級數字系統所需的性能。工作于液態氦溫度下的最快的約瑟夫遜結高速A/D轉換器在1GHz達到6比特和在10GHz達到3比特。這些低臨界溫度(Tc)電路需要具有高度非線性的優質的約瑟夫遜結，其使用高Tc(HTC)超導性不能夠再現。因此，許多已知的低Tc JJ電路和原理在HTC超導性中可能不能實現。因此，必然得出這樣的結論這些已知技術在性能指標上達到基本限度，其遠遠低于所需要的水平，研究新的方法是有必要的和適時的。
因此，現有技術中有必要找到一種基于HTC超導性的新的A/D轉換系統和方法，能夠產生的性能水平，其數量級高于使用傳統的低Tc JJ裝置所可能設想的水平。特別是，需要有這樣一種A/D轉換系統，其帶寬在10比特分辨率可以超過10GHz，而這是先有技術所不能達到的。
附圖的簡要說明
圖1示出一弱連接約瑟夫遜結裝置的電流-電壓特性圖；圖2示出在兩端匹配并包含串聯弱連接的電子束激勵無擴散HTC超導線；圖3示出一個3比特電子束激勵超導A/D轉換器；圖4示出一般的N比特電子束激勵超導A/D轉換器；圖5示出電子束模數轉換器的典型實施例的預期性能；圖6示出一微型斯特林(Stirling)封閉循環冷凍機；并且圖7示出一超高性能模數轉換器系統的示意圖。
發明內容
上述討論的和其他問題以及現有技術中的不足通過本發明的幾種方法與裝置而得到克服和減輕，本發明提出用于高速轉換模擬電壓信號為數字表示的系統與方法，稱作模數轉換器(A/D轉換器)。本發明提出了一種N比特A/D轉換器，由N條超導傳輸線、最好是HTC傳輸線構成。所述N條線相鄰且相互平行布置。在每條線上連續嵌入2N-1個JJ。所述JJ在N條超導傳輸線上形成一個矩陣，其形成方式使得跨接這些線、JJ給定N個數字二進制數，而在長度方向上這N個數字二進制數符合數字順序。使一掃描電子束照射到此配置上。該電子束是通過傳輸線高頻掃描的，同時其沿傳輸線方向被施加的電壓信號偏轉。當碰到任何一個JJ時，該電子束在N條線的任何一條線上產生一個電壓階躍。以這種方式，在每一次交叉掃描電子束之后，就在這些線上產生N比特階躍電壓模式(pattern)。該模式是輸入電壓信號的直接數字讀出。
本發明的上述討論的及其它特征和優點從以下附圖和詳細說明中將更容易為本領域技術人員所領會和理解。
發明的詳細說明在此所公開的是一種新穎的基于HTC超導性弱連接裝置的A/D轉換器系統和方法，其產生的性能水平的數量級高于采用傳統低Tc約瑟夫遜結(JJ)裝置所可能設想到的性能水平。該系統依賴兩種現象。首先是，電子束在很多GHz的頻率范圍內可以偏轉。其次是，約瑟夫遜結(JJ)在碰到一適當的電子束之后切換到電壓狀態。這一超高性能的A/D轉換器利用電子束與超導器件和電路的相互作用。特別是，在此所公開的系統和方法能夠在超過10GHz的帶寬使電子束偏轉，導致A/D轉換器的性能是以10比特分辯率的10GHz帶寬。這是使用傳統技術不可能實現的。此混合系統還得益于超導傳輸線重要的無擴散屬性以及HTC弱連接的超快速切換。在一個實施例中，可以實現具有500MHz到1GHz模擬帶寬的一個12比特A/D轉換器。這是比其他技術更高的數量級。在又一個實施例中，A/D轉換器的性能可以以12比特擴展到10GHz。
眾所周知，當以高能電子束激勵時，可以使約瑟夫遜結從零電壓狀態切換到有限電壓狀態。此電子束產生抑制約瑟夫遜電流的準粒子。圖1示出一弱連接型JJ的電流-電壓特性曲線，其具有一臨界電流J0，且是在電流Ig偏置的電流。當施加電子束時，J0被抑制到I’0，適當低于Ig，使該裝置從零電壓狀態切換到V0。在消除所述電子束激勵之后該裝置將復位回到零電壓狀態。弱連接型JJ裝置的切換速度公知的是在亞微微秒范圍內。為了實現這一點，電子束的能量Ee必需在約瑟夫能量EJ＝I0M0/2B的等級中，同時Ee必須比超導縮合能量小得多。使用具有在0.1到1mA范圍內的I0、以及分別為幾μA和幾KV的電子束電流和電壓、和在1-10微微秒范圍內的電子束激勵脈沖周期的約瑟夫遜裝置，這些條件很容易得到滿足。
圖2示出作為在此所公開的多比特A/D轉換器系統的一個部件的傳輸線20。傳輸線20是無擴散HTC超導傳輸線，包括多個串聯的約瑟夫遜結22(圖2中由交叉表示)。傳輸線20通常具有Z0(幾歐姆)的特性阻抗并在兩端匹配。電流源在Ig偏置約瑟夫遜結，并且如上所述，當電子束碰到這些結中的任何一個時，一電壓脈沖V0產生并被傳送到線的輸出端。該傳輸線具有限定信號從左到右的傳播延遲T的長度L，并給定T＝L/vp，其中vp是傳輸線相位速度，其在實際情況下大約等于光速的三分之一。所述傳播延遲一般會限制A/D轉換器的分辨率的比特及帶寬。
因此，A/D轉換器包括N條上述圖2中所示的傳輸線20。工作原理在圖3中示出，其中描述了一個3比特A/D轉換器30的實施例。在這種情況下，三條傳輸線32a、32b和32c彼此相鄰并通過適當的間距分離以使串擾減到最小。這些傳輸線32a、32b和32c沿Y方向定向并使電子束在X方向掃描。同時圖3所示的是由Y0到Y7表示的23(即8)行。在X，Y平面，由此生成的矩陣標識具有8行3列(三條傳輸線32a，32b和32c)。表示每行位置的位模式由每行中的約瑟夫遜結(交叉符號)的數目表示。例如，第一行Y0，沒有任何JJ’s，表示Y0位置的位模式是(0，0，0)。在另一端，Y7具有3個JJ’s，位模式是(1，1，1)。為了實現A/D轉換器功能，利用非常快地在XY平面掃描電子束的性能。可以實現接近20GHz帶寬的電子束偏轉。在X方向，連續以采樣頻率fs(fs＞10GHz)掃描電子束。將輸入的模擬信號施加到Y偏轉系統，根據輸入模擬信號的值使電子束在Y方向偏轉到Y0與Y7之間的任何位置。例如，當輸入模擬信號為零時，將在X方向通過第一行(Y0)掃描電子束，并且在這種情況下，由于在此行中沒有任何約瑟夫遜結，三條線的輸出電壓是位模式(0，0，0)。當輸入電壓為最高時，電子束在Y方向被偏轉以致于其通過第八行Y7，三個約瑟夫遜結將切換(根據圖1和2)，并且輸出為位模式(1，1，1)。當然，當所述值在零和最高值之間時，這將導致電子束掃過其他行。隨著模擬信號改變，輸出的位模式也變化以反映在采樣頻率fs的變化。本領域技術人員根據這里的描述應當理解，關于是否JJ被分配數字1和無用的數字0是任意的，或者反之亦然。
該3比特A/D轉換器30很明顯要依賴超導線的零阻抗和無擴散性質、約瑟夫遜結的超高切換速度以及在多GHz帶寬內在XY方向偏轉電子束的能力。
在圖4中，示出一般的N比特的A/D轉換器40。當然，這里需要N條傳輸線42a，42b，42…42N-1。若干行以周期p、JJ’s的長度重復，其也是空白單元的長度、沒有JJ的線的最短部分。每條傳輸線的總長度是L＝p2N。此關系清楚地說明，如果L保持不變，隨著p值降低，比特數會增加，因此允許較寬的模擬帶寬。模擬帶寬受傳輸線42中的信號的傳播延遲T的限制，其與線的長度有關。A/D轉換器40的帶寬可以表示為BW＝1/2T。
采樣頻率是在X方向掃描電子束的頻率，并確定系統最終的性能。系統最大的模擬帶寬BW不能大于1/2fs。如圖5所示，A/D轉換器的性能通常由三條線或區域劃界。
平坦區域受在Y方向電子束偏轉帶寬的性能、fs以及關系式BW＝fs/2的限制。只要采樣周期比近似3T長，模擬帶寬BW＝fs/2就與分辨率的比特無關。對于p＝0.5微米，束直徑大小等于0.5微米，fs＝20GHz，給出10GHz的最大模擬帶寬和N＝13的最大比特數。
光限制區域，其中N＞13，帶寬根據下列公式與比特數相關BW＝(c/2np)×(1/2N)，其中c為光速，n反映傳輸線相位速度相對于c是多么慢，并且其中n假定為3，p是間距。從此公式可以在1GHz的BW獲得N＝17比特。
由于上述公式因受傳輸線長度不能是不定長的限制而分解，得到圖5中長的長度界限。基于直覺、實際限制(如微制造)、電子束掃描距離、電子束散焦及其它因素，最大傳輸線長度大約為10cm，在這種情況下，A/D轉換器的性能具有以18比特分辨率的500MHz帶寬。
通過減少間距到小于0.5微米并增加電子束偏轉帶寬超過20GHz，甚至可以如圖5中的虛線所示進一步提高性能。兩者利用復雜的光刻技術和微制造技術，以及電子束偏轉系統的精確設計都是可以實現的。
根據前述分析，很明顯，所發明的電子束A/D轉換器具有的性能數量級高于最先進的基于JJ的電路。利用其他技術不可能期待獲得在13比特下的10GHz或在17比特下的1GHz的帶寬。獲取這種超高性能水平的關鍵要素是創建超過10GHz帶寬的電子束偏轉電路。這已由S.M.Kocimski(1991年6月，IEEE電子器件學報第38卷，第1524頁)證實。這一新原理的另一個重要優勢是約瑟夫遜結可以具有弱連接型而不是隧道結，其具有靈敏準粒子隧道效應部件。使用HTC超導材料，使得可以如圖6所示使用微型冰箱在77°K采用冷卻，可以很容易地實現弱連接。
獲得20GHz或超過20GHz的偏轉帶寬的一個主要方面涉及當N＞10時在動態范圍2N的線性度。幸而，所公開的A/D轉換器結構可以在超導芯片中解決此問題。代替具有以間距p周期性重復的若干行，某些由若干行構成的組將具有通過測量非線性度而確定的可變間距。因而，此方案使非線性度最小化。
超高性能A/D轉換器系統70的一個優選實施例在圖7中示出。該A/D轉換器系統70包括三個主要的子系統。電子束子系統76一般包括已知的電子束生成系統，其可以根據所需的模擬帶寬發送電子束，例如，具有大約0.5微米直徑、0.1μA、以及在1-5KV中的電壓的電子束。根據該性能，XY偏轉電路設計成實現100MHz到20GHz范圍內的帶寬。
還提供一超導傳輸線芯片76，其使用高Tc超導傳輸線以及提供上述參照圖2-4說明的線性傳輸的弱連接裝置，連同適當的絕緣器和電阻器技術及一調節電源。芯片76最好包括寬帶寬放大器以便與常溫電子設備連接。芯片76應包裝在一個真空密封裝置中，使得上表面在真空中并接受電子束激勵，同時其他表面熱連接到一冷卻子系統78。
設置該冷卻子系統78以補償從超導電路消耗的幾分之一毫瓦功率。因此，冷卻限制不是很嚴格。使用例如圖6所示的一微型斯特林(Stirling)閉合循環制冷器，可以方便地實現冷卻，該制冷器是眾所周知的。
附加的電子設備，沒有在圖7中特別示出，例如線性寬帶寬放大器、同步發生器和常溫接口電子設備，例如存儲緩沖器和處理器，都可以根據特定應用的需要而被包括在其中。
對上面所描述的本發明的各個方面的修改僅僅是示例性的。本領域普通技術人員應當理解，對于舉例說明的實施例可以很容易做出其他修改。所有這種修改和變動都被認為是在根據所附權利要求所定義的本發明的精神和范圍內。
權利要求
1.一種獲取有關電壓信號大小的信息的系統，包括一超導傳輸線，該線具有一起始點；一個或多個約瑟夫遜結(JJ)，其中所述JJ被嵌入在所述超導傳輸線中，并且其中所述JJ以與該起始點已知的距離串聯；以及一電子束，該電子束照射到所述超導傳輸線上，該電子束接受與該電壓信號大小成比例、沿該超導傳輸線方向上的位移，并且其中所述電子束在碰到所述一個或多個JJ中的任何一個的條件下在該超導傳輸線上產生一電壓階躍。
2.根據權利要求1所述的系統，進一步包括N-1條附加超導傳輸線，其中，該N-1條附加超導傳輸線相鄰并且基本上相互平行地布置，并且與該超導傳輸線一起產生N條基本上相同的超導傳輸線的一個結構，該結構具有兩個特性方向，一個是沿這些線之方向的y方向，以及橫穿這些線的x方向；一個在該N條超導傳輸線之結構上嵌入的若干JJ的矩陣，該矩陣由該N條超導傳輸線的每一條上的2N-1個JJ構成，其中這些JJ的配置使得在x方向產生N個數字二進制數，此外該N個數字二進制數在y方向上符合數字順序；以及一掃描電壓使電子束在x方向偏轉，其中，該電子束周期性地照射到該N條超導傳輸線的每一條上。
3.根據權利要求2所述的系統，其中所述超導傳輸線由HTC超導材料制成。
4.根據權利要求3所述的系統，進一步包括一冷卻子系統，該冷卻子系統提供一環境，在該環境中該HTC超導材料導電而沒有電阻；和一電子束子系統，該電子束子系統進一步包括一真空系統。
5.一種用于取時變電壓信號的N比特數字采樣的方法，包括以下步驟提供N條超導傳輸線，該N條超導傳輸線相鄰并且基本上相互平行地布置，形成具有兩個特性方向的結構，一個是沿這些傳輸線之方向的y方向，以及橫穿這些傳輸線的x方向；在該N條超導傳輸線的每一條上嵌入串聯的2N-1個約瑟夫遜結(JJ)，其中所述JJ形成在該N條超導傳輸線之結構上的一個矩陣，配置這些JJ以便在x方向產生N個數字二進制數，此外所述N個數字二進制數在y方向上符合數字順序；以及將一電子束照射到該N條超導傳輸線的配置上，該電子束由x方向的一掃描電壓偏轉，其中，該電子束周期性地照射到該N條超導傳輸線的每一條上，所述電子束還接受與該時變電壓信號大小成比例、沿y方向上的位移，其中，該電子束在碰到所述JJ中的任何一個的條件下、在該N條超導傳輸線的任何一條上產生一電壓階躍，從而在該N條傳輸線上的電壓階躍產生該時變電壓信號的數字表示。
6.根據權利要求5所述的方法，進一步包括選擇用于制造所述超導傳輸線的HTC超導材料的步驟。
全文摘要
提供一種用于高速轉換模擬電壓信號為數字表示的系統和方法，稱作模數轉換器(A/D轉換器)。本發明提出一種N比特A/D轉換器，由N條超導(最好是HTC)傳輸線構成。該N條傳輸線相鄰并且相互平行布置。在每條線上都串聯嵌入文檔編號H01L39/22GK1599980SQ02809857
公開日2005年3月23日 申請日期2002年3月14日 優先權日2001年3月14日
發明者薩迪克·M·法里斯 申請人:瑞威歐公司