Süperiletken entegre devreler için çok kanallı, kararlı, düşük maliyetli, düşük gürültülü, yüksek hassasiyetli, geniş aralıklı akım kaynağı geliştirilmesi
Development of a multi-channel, stable, low-cost, low-noise, high precision, wide range current source for superconducting integrated circuits
Yazar: UFUK YUMRUKAYA
Danışman: DOÇ. DR. ALİ BOZBEY
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Tek akı kuantum (SFQ) mantık devreleri, icadından bu yana, birçok uygulamada kullanılarak gelişmekte olan teknolojilerden biri haline gelmiştir. SFQ devrelerin çekirdeğini Josephson eklemi oluşturmaktadır. Bu nedenle SFQ devreler akım beslemeli devrelerdir. SFQ devreler, Josephson eklemlerini anahtarlama aracı olarak kullanırlar, bu sayede daha az güç ile daha hızlı işlemler gerçekleştirirler. Karmaşık SFQ devrelerde termal yüke bağlı olan Joule ısınma etkisinin düşük olması için devreye birçok noktadan akım beslemesi gerekmektedir. Bu akım beslemesi için gerekli olan seviye, kapı seviyesindeki birimler için μA mertebesindeyken, mikroişlemci devreler için birkaç A mertebelerinde olabilir. Oda sıcaklığında çalışan yarıiletken devreler voltaj kutuplamalı devrelerdir. Dolayısı ile termal yük problemleri ve çok noktadan akım beslemesine ihtiyaçları yoktur. Bu nedenle piyasadan, süperiletken devreler için, kompakt, düşük gürültülü, çok kanallı ve geniş aralıklı gibi özellikleri olan bir akım kaynağı bulmak çok mümkün değildir. Bu çalışmada, süperiletken entegre devrelerin akım beslemeleri için, düşük gürültülü, yüksek hassasiyetli ve geniş aralıklı akım kaynağı geliştirilmiştir. Burada akım kaynağından daha kararlı ve düşük gürültülü bir akım çıkışı elde etmek için geribesleme algoritması kullanılmıştır. Akım kaynağının çıkışları FPGA ile kontrol edilmektedir. Kullanıcı istediği akımı bilgisayar üstündeki bir arayüzden girebilmektedir. Bilgisayar kullanıcının istediği akım için gerekli parametreleri hesaplayıp FPGA'e gönderir. Bu çalışmada, 1 mA akım çıkışı için, 1.5 mHz'den 10 Hz'e kadar ölçülen toplam gürültü akımı 13.9 nA/√Hz'dir.

Abstract:
Since the discovery of single flux quantum (SFQ) logic circuits, SFQ logic became one of the emerging technologies, being used in numerous applications. As the core element of an SFQ circuit is Josephson junction, they are current biased circuits. SFQ logic circuits provide faster operations with lower power consumption, using Josephson junctions as the switching devices. Complicated circuits need to be biased from many points in order to decrease the Joule heating effect related thermal load (I2R) as the current source is placed at the room temperature whereas the SFQ circuits are at the cryogenic temperatures. In addition, the requirements of the range of current bias may be in the order of μA as in the case of 1-bit comparator cell to a range of few Amperes as in the case of a microprocessor circuit. Semiconductor circuits operating at room temperatures do not have such requirements as they are voltage biased and they do not have a thermal load problem. Due to the small market associated to superconducting integrated circuits, it is not easy to find a compact, low noise, multi-channel and computer controller compact current sources sold off the shelf. So, in this study, we develop a low noise, high precision, wide range current source for the biasing of superconducting integrated circuits. Feedback algorithm is used to increase the stability and decrease the noise amount of the current source. Channels of the current source are controlled with an FPGA. Desired current can be set via the user interface which is running on the PC. The PC sends the required commands to FPGA, which controls the high speed feedback algorithm. For a 1 mA
setting, the measured noise current is 13.9 nA/√Hz, in a bandwidth of 1.5 mHz to 10 Hz.