專利名稱：電子束激勵超導(dǎo)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及模數(shù)轉(zhuǎn)換，更特別地，涉及一種用于高速模數(shù)轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
數(shù)字處理方面的發(fā)展極大地影響著科學(xué)與技術(shù)中的很多方面以及數(shù)字處理的應(yīng)用。有許多情況都需要快速轉(zhuǎn)換模擬信號為數(shù)字表示以處理并利用數(shù)字設(shè)備的能力。一個關(guān)鍵部件是一種稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D轉(zhuǎn)換器)的裝置，該裝置在許多系統(tǒng)中都作為關(guān)鍵的前端處理機(jī)。然而，A/D轉(zhuǎn)換器的性能滯后于數(shù)字信息處理器，這產(chǎn)生對許多應(yīng)用的完全數(shù)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(zhuǎn)換器。這些A/D轉(zhuǎn)換器可以用作雷達(dá)前端處理機(jī)、監(jiān)聽接收機(jī)、圖像處理、HDTV以及其他多種領(lǐng)域中的部件。傳統(tǒng)的半導(dǎo)體設(shè)備具有眾所周知的系統(tǒng)局限性，不能滿足上述的性能需求。例如，現(xiàn)有的硅雙極技術(shù)在1GHz達(dá)到4比特，而GaAs異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)技術(shù)設(shè)計達(dá)到1GHz 6比特。剩下約瑟夫遜結(jié)(JJ)技術(shù)最有希望可能產(chǎn)生高級數(shù)字系統(tǒng)所需的性能。工作于液態(tài)氦溫度下的最快的約瑟夫遜結(jié)高速A/D轉(zhuǎn)換器在1GHz達(dá)到6比特和在10GHz達(dá)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(yōu)質(zhì)的約瑟夫遜結(jié)，其使用高Tc(HTC)超導(dǎo)性不能夠再現(xiàn)。因此，許多已知的低Tc JJ電路和原理在HTC超導(dǎo)性中可能不能實(shí)現(xiàn)。因此，必然得出這樣的結(jié)論這些已知技術(shù)在性能指標(biāo)上達(dá)到基本限度，其遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(xiàn)有技術(shù)中有必要找到一種基于HTC超導(dǎo)性的新的A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和方法，能夠產(chǎn)生的性能水平，其數(shù)量級高于使用傳統(tǒng)的低Tc JJ裝置所可能設(shè)想的水平。特別是，需要有這樣一種A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其帶寬在10比特分辨率可以超過10GHz，而這是先有技術(shù)所不能達(dá)到的。
附圖的簡要說明

圖1示出一弱連接約瑟夫遜結(jié)裝置的電流-電壓特性圖；圖2示出在兩端匹配并包含串聯(lián)弱連接的電子束激勵無擴(kuò)散HTC超導(dǎo)線；圖3示出一個3比特電子束激勵超導(dǎo)A/D轉(zhuǎn)換器；圖4示出一般的N比特電子束激勵超導(dǎo)A/D轉(zhuǎn)換器；圖5示出電子束模數(shù)轉(zhuǎn)換器的典型實(shí)施例的預(yù)期性能；圖6示出一微型斯特林(Stirling)封閉循環(huán)冷凍機(jī)；并且圖7示出一超高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的示意圖。

發(fā)明內(nèi)容
上述討論的和其他問題以及現(xiàn)有技術(shù)中的不足通過本發(fā)明的幾種方法與裝置而得到克服和減輕，本發(fā)明提出用于高速轉(zhuǎn)換模擬電壓信號為數(shù)字表示的系統(tǒng)與方法，稱作模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D轉(zhuǎn)換器)。本發(fā)明提出了一種N比特A/D轉(zhuǎn)換器，由N條超導(dǎo)傳輸線、最好是HTC傳輸線構(gòu)成。所述N條線相鄰且相互平行布置。在每條線上連續(xù)嵌入2N-1個JJ。所述JJ在N條超導(dǎo)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(shù)字二進(jìn)制數(shù)，而在長度方向上這N個數(shù)字二進(jìn)制數(shù)符合數(shù)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(zhuǎn)。當(dāng)碰到任何一個JJ時，該電子束在N條線的任何一條線上產(chǎn)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(chǎn)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(shù)字讀出。
本發(fā)明的上述討論的及其它特征和優(yōu)點(diǎn)從以下附圖和詳細(xì)說明中將更容易為本領(lǐng)域技術(shù)人員所領(lǐng)會和理解。
發(fā)明的詳細(xì)說明在此所公開的是一種新穎的基于HTC超導(dǎo)性弱連接裝置的A/D轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)和方法，其產(chǎn)生的性能水平的數(shù)量級高于采用傳統(tǒng)低Tc約瑟夫遜結(jié)(JJ)裝置所可能設(shè)想到的性能水平。該系統(tǒng)依賴兩種現(xiàn)象。首先是，電子束在很多GHz的頻率范圍內(nèi)可以偏轉(zhuǎn)。其次是，約瑟夫遜結(jié)(JJ)在碰到一適當(dāng)?shù)碾娮邮笄袚Q到電壓狀態(tài)。這一超高性能的A/D轉(zhuǎn)換器利用電子束與超導(dǎo)器件和電路的相互作用。特別是，在此所公開的系統(tǒng)和方法能夠在超過10GHz的帶寬使電子束偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致A/D轉(zhuǎn)換器的性能是以10比特分辯率的10GHz帶寬。這是使用傳統(tǒng)技術(shù)不可能實(shí)現(xiàn)的。此混合系統(tǒng)還得益于超導(dǎo)傳輸線重要的無擴(kuò)散屬性以及HTC弱連接的超快速切換。在一個實(shí)施例中，可以實(shí)現(xiàn)具有500MHz到1GHz模擬帶寬的一個12比特A/D轉(zhuǎn)換器。這是比其他技術(shù)更高的數(shù)量級。在又一個實(shí)施例中，A/D轉(zhuǎn)換器的性能可以以12比特擴(kuò)展到10GHz。
眾所周知，當(dāng)以高能電子束激勵時，可以使約瑟夫遜結(jié)從零電壓狀態(tài)切換到有限電壓狀態(tài)。此電子束產(chǎn)生抑制約瑟夫遜電流的準(zhǔn)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(dāng)施加電子束時，J0被抑制到I’0，適當(dāng)?shù)陀贗g，使該裝置從零電壓狀態(tài)切換到V0。在消除所述電子束激勵之后該裝置將復(fù)位回到零電壓狀態(tài)。弱連接型JJ裝置的切換速度公知的是在亞微微秒范圍內(nèi)。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，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(dǎo)縮合能量小得多。使用具有在0.1到1mA范圍內(nèi)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(nèi)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(zhuǎn)換器系統(tǒng)的一個部件的傳輸線20。傳輸線20是無擴(kuò)散HTC超導(dǎo)傳輸線，包括多個串聯(lián)的約瑟夫遜結(jié)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(jié)，并且如上所述，當(dāng)電子束碰到這些結(jié)中的任何一個時，一電壓脈沖V0產(chǎn)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(shí)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(zhuǎn)換器的分辨率的比特及帶寬。
因此，A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器30的實(shí)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(dāng)?shù)拈g距分離以使串?dāng)_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Y(jié)7表示的23(即8)行。在X，Y平面，由此生成的矩陣標(biāo)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(jié)(交叉符號)的數(shù)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(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換器功能，利用非常快地在XY平面掃描電子束的性能?？梢詫?shí)現(xiàn)接近20GHz帶寬的電子束偏轉(zhuǎn)。在X方向，連續(xù)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(jié)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，根據(jù)輸入模擬信號的值使電子束在Y方向偏轉(zhuǎn)到Y(jié)0與Y7之間的任何位置。例如，當(dāng)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(jié)，三條線的輸出電壓是位模式(0，0，0)。當(dāng)輸入電壓為最高時，電子束在Y方向被偏轉(zhuǎn)以致于其通過第八行Y7，三個約瑟夫遜結(jié)將切換(根據(jù)圖1和2)，并且輸出為位模式(1，1，1)。當(dāng)然，當(dāng)所述值在零和最高值之間時，這將導(dǎo)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(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)這里的描述應(yīng)當(dāng)理解，關(guān)于是否JJ被分配數(shù)字1和無用的數(shù)字0是任意的，或者反之亦然。
該3比特A/D轉(zhuǎn)換器30很明顯要依賴超導(dǎo)線的零阻抗和無擴(kuò)散性質(zhì)、約瑟夫遜結(jié)的超高切換速度以及在多GHz帶寬內(nèi)在XY方向偏轉(zhuǎn)電子束的能力。
在圖4中，示出一般的N比特的A/D轉(zhuǎn)換器40。當(dāng)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(fù)，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(guān)系清楚地說明，如果L保持不變，隨著p值降低，比特數(shù)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(guān)。A/D轉(zhuǎn)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(tǒng)最終的性能。系統(tǒng)最大的模擬帶寬BW不能大于1/2fs。如圖5所示，A/D轉(zhuǎn)換器的性能通常由三條線或區(qū)域劃界。
平坦區(qū)域受在Y方向電子束偏轉(zhuǎn)帶寬的性能、fs以及關(guān)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?zé)o關(guān)。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(shù)。
光限制區(qū)域，其中N＞13，帶寬根據(jù)下列公式與比特數(shù)相關(guān)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?；谥庇X、實(shí)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(zhuǎn)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(zhuǎn)帶寬超過20GHz，甚至可以如圖5中的虛線所示進(jìn)一步提高性能。兩者利用復(fù)雜的光刻技術(shù)和微制造技術(shù)，以及電子束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的精確設(shè)計都是可以實(shí)現(xiàn)的。
根據(jù)前述分析，很明顯，所發(fā)明的電子束A/D轉(zhuǎn)換器具有的性能數(shù)量級高于最先進(jìn)的基于JJ的電路。利用其他技術(shù)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(guān)鍵要素是創(chuàng)建超過10GHz帶寬的電子束偏轉(zhuǎn)電路。這已由S.M.Kocimski(1991年6月，IEEE電子器件學(xué)報第38卷，第1524頁)證實(shí)。這一新原理的另一個重要優(yōu)勢是約瑟夫遜結(jié)可以具有弱連接型而不是隧道結(jié)，其具有靈敏準(zhǔn)粒子隧道效應(yīng)部件。使用HTC超導(dǎo)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(shí)現(xiàn)弱連接。
獲得20GHz或超過20GHz的偏轉(zhuǎn)帶寬的一個主要方面涉及當(dāng)N＞10時在動態(tài)范圍2N的線性度。幸而，所公開的A/D轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)可以在超導(dǎo)芯片中解決此問題。代替具有以間距p周期性重復(fù)的若干行，某些由若干行構(gòu)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(zhuǎn)換器系統(tǒng)70的一個優(yōu)選實(shí)施例在圖7中示出。該A/D轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)70包括三個主要的子系統(tǒng)。電子束子系統(tǒng)76一般包括已知的電子束生成系統(tǒng)，其可以根據(jù)所需的模擬帶寬發(fā)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(jù)該性能，XY偏轉(zhuǎn)電路設(shè)計成實(shí)現(xiàn)100MHz到20GHz范圍內(nèi)的帶寬。
還提供一超導(dǎo)傳輸線芯片76，其使用高Tc超導(dǎo)傳輸線以及提供上述參照圖2-4說明的線性傳輸?shù)娜踹B接裝置，連同適當(dāng)?shù)慕^緣器和電阻器技術(shù)及一調(diào)節(jié)電源。芯片76最好包括寬帶寬放大器以便與常溫電子設(shè)備連接。芯片76應(yīng)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(tǒng)78。
設(shè)置該冷卻子系統(tǒng)78以補(bǔ)償從超導(dǎo)電路消耗的幾分之一毫瓦功率。因此，冷卻限制不是很嚴(yán)格。使用例如圖6所示的一微型斯特林(Stirling)閉合循環(huán)制冷器，可以方便地實(shí)現(xiàn)冷卻，該制冷器是眾所周知的。
附加的電子設(shè)備，沒有在圖7中特別示出，例如線性寬帶寬放大器、同步發(fā)生器和常溫接口電子設(shè)備，例如存儲緩沖器和處理器，都可以根據(jù)特定應(yīng)用的需要而被包括在其中。
對上面所描述的本發(fā)明的各個方面的修改僅僅是示例性的。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對于舉例說明的實(shí)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(rèn)為是在根據(jù)所附權(quán)利要求所定義的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種獲取有關(guān)電壓信號大小的信息的系統(tǒng)，包括一超導(dǎo)傳輸線，該線具有一起始點(diǎn)；一個或多個約瑟夫遜結(jié)(JJ)，其中所述JJ被嵌入在所述超導(dǎo)傳輸線中，并且其中所述JJ以與該起始點(diǎn)已知的距離串聯(lián)；以及一電子束，該電子束照射到所述超導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)傳輸線上產(chǎn)生一電壓階躍。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括N-1條附加超導(dǎo)傳輸線，其中，該N-1條附加超導(dǎo)傳輸線相鄰并且基本上相互平行地布置，并且與該超導(dǎo)傳輸線一起產(chǎn)生N條基本上相同的超導(dǎo)傳輸線的一個結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)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(dǎo)傳輸線之結(jié)構(gòu)上嵌入的若干JJ的矩陣，該矩陣由該N條超導(dǎo)傳輸線的每一條上的2N-1個JJ構(gòu)成，其中這些JJ的配置使得在x方向產(chǎn)生N個數(shù)字二進(jìn)制數(shù)，此外該N個數(shù)字二進(jìn)制數(shù)在y方向上符合數(shù)字順序；以及一掃描電壓使電子束在x方向偏轉(zhuǎn)，其中，該電子束周期性地照射到該N條超導(dǎo)傳輸線的每一條上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述超導(dǎo)傳輸線由HTC超導(dǎo)材料制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一冷卻子系統(tǒng)，該冷卻子系統(tǒng)提供一環(huán)境，在該環(huán)境中該HTC超導(dǎo)材料導(dǎo)電而沒有電阻；和一電子束子系統(tǒng)，該電子束子系統(tǒng)進(jìn)一步包括一真空系統(tǒng)。
5.一種用于取時變電壓信號的N比特數(shù)字采樣的方法，包括以下步驟提供N條超導(dǎo)傳輸線，該N條超導(dǎo)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(jié)構(gòu)，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(dǎo)傳輸線的每一條上嵌入串聯(lián)的2N-1個約瑟夫遜結(jié)(JJ)，其中所述JJ形成在該N條超導(dǎo)傳輸線之結(jié)構(gòu)上的一個矩陣，配置這些JJ以便在x方向產(chǎn)生N個數(shù)字二進(jìn)制數(shù)，此外所述N個數(shù)字二進(jìn)制數(shù)在y方向上符合數(shù)字順序；以及將一電子束照射到該N條超導(dǎo)傳輸線的配置上，該電子束由x方向的一掃描電壓偏轉(zhuǎn)，其中，該電子束周期性地照射到該N條超導(dǎo)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(dǎo)傳輸線的任何一條上產(chǎn)生一電壓階躍，從而在該N條傳輸線上的電壓階躍產(chǎn)生該時變電壓信號的數(shù)字表示。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，進(jìn)一步包括選擇用于制造所述超導(dǎo)傳輸線的HTC超導(dǎo)材料的步驟。
全文摘要
提供一種用于高速轉(zhuǎn)換模擬電壓信號為數(shù)字表示的系統(tǒng)和方法，稱作模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D轉(zhuǎn)換器)。本發(fā)明提出一種N比特A/D轉(zhuǎn)換器，由N條超導(dǎo)(最好是HTC)傳輸線構(gòu)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(lián)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(yōu)先權(quán)日2001年3月14日
發(fā)明者薩迪克·M·法里斯 申請人:瑞威歐公司