Conception de circuits Josephson ultrarapides : modélisation de la jonction tunnel Josephson ayant une constante de temps de l'ordre de la picoseconde : conception d'une famille logique à couplage direct adaptée aux jonctions Josephson picosecondes : application à un circuit additionneur et à un circuit multiplieur

Design of ultrafast josephson circuits : model of picosecond Josephson junction, design of direct coupled circuits, application to an adder and a multiplier

• Auteur / Autrice : André de Lustrac
• Direction : Robert Adde
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences appliquées. Électronique
• Date : Soutenance en 1986
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Supraconductivité

Josephson, Jonctions

Mots clés libres

Circuits logiques

Résumé

Un modèle adapté aux jonctions tunnel Josephson ayant des constantes de temps de l’ordre de la picoseconde est défini à partir d’un développement limité de l’expression du courant Josephson dépendant du temps, dite équation de Werthamer. Il se compose des composantes de l’expression adiabatique augmenté d’un terme supplémentaire qui dépend de la phase et de la tension aux bornes de la jonction et apparait comme un terme capacitif. Des expressions analytiques des temps caractéristiques d’une jonction (retard à la commutation, temps de montée) sont proposées pour les principales conditions de charge. Les principes de l’optimisation de la conception des circuits logique à couplage direct mettant en œuvre ces jonctions sont ensuite étudiés. Une famille de portes à hautes performances en vitesse et en consommation est proposée. Cette famille comprend un OU, un ET, un OU exclusif synchrone ainsi qu’une porte Majorité 2/3 et un NON. La conception optimisée, les marges et les délais logiques de ces portes sont déterminés. Enfin nous étudions deux circuits de complexité croissante : un additionneur 2+2 bits (20 ps/bit) et un multiplieur 4x4 bits (temps de multiplication : 100 ps)

A Josephson tunnel junction model adapted to junction dynamics in the 1 picosecond range is derived from a series expansion of the time dependent Josephson current (Werthamer equation). The model consists of the terms of the adiabatic approximation and an added term depending on the phase and voltage across the junction which appears as an added capacitance. Analytical expressions of the junction characteristic times (turn of delay, rise time) are derived in the main junction load conditions. Then the principles of optimum design of direct coupled logic circuits implemented with these junctions are studied. It is found that circuits with heavily loaded junctions do not improve significantly if faster switching junctions are used. Therefore a new logic family (OR, AND, EXOR, Majority 2/3, NOT) is proposed which avoids heavily loaded junctions are used. The optimum designs, margins and logic delays of such circuits are determined. Two circuits of increasing complexity are finally studied using this logic family: a 2+2 bit adder (20 ps/bit) and a 4x4 bit multiplier (multiplication time: 100ps).