Быстрая одноквантовая логика

Основные схемы БОК логики

Принципы организации обработки информации в БОК схемах

Основные принципы кодирования и организации цифровой обработки информации в БОК схемах таковы:

а) используются одноквантовые тактовые импульсы, которые делят все время работы схем на такты;

б) появление на входе или на выходе схемы одноквантового импульса в течение такта рассматривается как логическая "1", а отсутствие импульса – как логический "0";

в) одноквантовый импульс, который появляется на выходе схемы в начале следующего такта, является логической функцией от ОК импульсов, действовавших на входах схемы в предыдущем такте.

Как видим, БОК логика – это тактовая импульсная логика.

D-элемент

На рис. 2.3 показана БОК схема, выполняющая простейшую одновходовую логическую функцию "Тождество" (повторитель). Она почти совпадает со схемой, изображенной на рис. 2.2, но прежний вход R стал входом Т, на который подаются тактовые ОК импульсы. Временнaя диаграмма работы схемы показана справа вверху. Вдоль горизонтали здесь отложено время, вдоль вертикали – напряжение.

Рис. 2.3. Слева – принципиальная схема D–элемента БОК логики. Справа внизу – его обозначение в последующих схемах. Справа вверху – временнaя диаграмма работы элемента

Тактовые ОК импульсы поступают на вход T с периодом . Чтобы на входах S и Т импульсы не могли появиться одновременно, период должен быть больше, чем время распространения импульса между последовательно соединенными логическими элементами.

На вход S сигнальный импульс может поступить в любой момент такового периода. Если он поступил, то, как описано выше, в контур сквида (с шунтированными переходами Джозефсона ПД1 и ПД2) просачивается квант магнитного потока, и сквид переходит из состояния "0" в состояние "1". Когда поступает следующий тактовый импульс, он кратковременно выводит ПД2 из сверхпроводящего состояния, из контура "вытекает" один квант магнитного потока, и сквид возвращается в состояние "0". При этом на выходе формируется одноквантовый импульс напряжения.

Если за период такта сигнальный импульс на вход S не действует, сквид остается в состоянии "0". И когда на вход Т поступает следующий тактовый импульс, он кратковременно выводит из сверхпроводящего состояния уже не ПД2, а ПД3. Связанный с этим квант магнитного потока в контур сквида не просачивается, и сквид остается в состоянии "0". Сигнал на выходе не формируется. Таким образом, эта схема действует как повторитель сигнала на входе с задержкой на 1 такт.

Обведенная штриховой рамкой схема является базовой, так как используется во многих других схемах БОК логики. Ее принято называть "D-элементом". Дальше она условно будет обозначаться так, как показано справа внизу.

БОК инвертор

БОК схема, выполняющая другую простейшую одновходовую логическую функцию "Отрицание", показана на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Слева – принципиальная схема БОК инвертора. Справа внизу – его обозначение в схемах. Справа вверху – временнaя диаграмма работы БОК инвертора

От D-элемента она отличается тем, что здесь использован дополнительный шунтированный переход Джозефсона ПД5 и выход схемы присоединен именно к этому ПД. Справа вверху показана временная диаграмма работы этой схемы. В начале такта сквид (ПД1 и ПД2) этой схемы всегда находится в состоянии "0". Если за период такта на вход S действует сигнальный ОК импульс , то сквид переходит из состояния "0" в состояние "1". Когда поступает следующий тактовый импульс, он кратковременно выводит ПД2 из сверхпроводящего состояния, а ПД5 остается в сверхпроводящем состоянии. Поэтому на выходе схемы импульс напряжения не формируется. Если же за период такта сигнальный ОК импульс на вход S не действует, то сквид остается в состоянии "0". И когда на вход Т поступает следующий тактовый импульс, он кратковременно выводит из сверхпроводящего состояния именно дополнительный переход Джозефсона ПД5. В результате на выходе схемы формируется одноквантовый импульс напряжения.

БОК схемы дизъюнкции и конъюнкции

На рис. 2.5 показаны принципиальные схемы элементов БОК логики, выполняющие двухвходовые логические операции дизъюнкции и конъюнкции.

Схема слева состоит из двух D-элементов D1 и D2, выходы которых присоединяются к симметричным "плечам" выходной цепи. Одно плечо образовано переходами Джозефсона ПД1 и ПД2 и сверхпроводящей шиной L1, второе – переходами Джозефсона ПД3 и ПД4 и сверхпроводящей шиной L2. На каждое плечо подается ток смещения ( и ). Если за период такта ни на один из входов S1 и S2 не действует сигнальный ОК импульс , то на выходах D-элементов D1 и D2 во время следующего тактового импульса одноквантовый импульс не возникает. Соответственно не возникает он и на выходе всей схемы.

Рис. 2.5. БОК логические схемы с двумя входами: слева – дизъюнкция, справа – конъюнкция

Если же за период такта хотя бы на один из входов S1 или S2 действует сигнальный ОК импульс , то на выходе соответствующего D-элемента D1 или D2 во время следующего тактового импульса формируется одноквантовый импульс. Это приводит к кратковременному выходу из состояния сверхпроводимости перехода Джозефсона ПД1 или ПД2. И на выходе схемы формируется одноквантовый импульс напряжения. В то же время квант магнитного потока, который генерируется, не просачивается в контур соответствующего сквида, и поэтому не влияет на его состояние.

Если на протяжении такта сигнальные ОК импульсы действуют на оба входа S1 и S2, то на выходе обоих D-элементов D1 и D2 во время следующего тактового импульса формируются одноквантовые импульсы. Это приводит к кратковременному выходу из состояния сверхпроводимости обоих переходов ПД1 и ПД2. Поскольку это происходит одновременно, то на выходе схемы формируется один ОК импульс напряжения.

В схеме конъюнкции, изображенной справа, во время следующего тактового импульса на выходе ОК импульс напряжения появляется лишь в том случае, если он формируется одновременно на выходах обоих D-элементов D1 и D2. Лишь в этом случае удается вывести из сверхпроводящего состояния переход ПД3. Когда ОК импульс напряжения появляется на выходе лишь одного из D-элементов D1 или D2, то из сверхпроводящего состояния кратковременно он выводит только один переход Джозефсона ПД1 или ПД2. Но это не приводит к формированию одноквантового импульса напряжения на выходе, так как переход ПД3 остается в сверхпроводящем состоянии. Сигнал на выходе схемы тем более не формируется, если за период такта сигнальный ОК импульс не действует на ни один из входов S1 и S2.