Study of an analog-to-digital converter with hygh dynamics based on superconducting logic gates
Etude d'un convertisseur analogique-numérique
à très grande dynamique à base de portes logiques supraconductrices
Résumé
RSFQ (Rapid Single Flux Quantum) superconducting logic is suitable to process very high speed digital
data with very low power dissipation and with performances well beyond what should be possible with CMOS
technology in the next decades. The RSFQ circuit technology, based on superconducting niobium nitride
(NbN), presently developed at CEA-G, involves NbN/Ta_{X}N/NbN internally shunted Josephson junctions
with high critical current density and high maximum switching frequency close to 1 THz at 10 K, as required
by ultra-fast RSFQ electronics. The purpose of this work is to apply the NbN technology to an ADC
(Analog-to-Digital Converter) for space telecommunications. An ADC with sigma-delta architecture
was studied oversampling
at 200 GHz clock frequency a signal with a bandwidth of 500 MHz modulated over a carrier
frequency of 30 GHz. In particular a clock, a comparator and some other logic gates were studied at 200
GHz as well as a third order sigma-delta band-pass modulator whose the SNR and SFDR performances,
after optimization, should satisfy the specifications. Decimation filter architecture complexity was analyzed.
Some basic components of the filter, such frequency dividers and shift registers, were studied and designed,
and in the end some possible methods to test the modulator were also proposed. The implementation of NbN
circuits in a multi-levels technology was treated including the complete fabrication of two wafers. For some
technology problems clarified afterwards, these two lots couldn't reach the ADC logic gate test. However
the RSFQ gate margins were determined thanks to junctions, SQUIDs and microwaves filters (resonators)
characterization. Finally, we compare some circuits based on self-shunted NbN junctions and other similar
circuits in Nb foundry technology using Nb/AlO_{X}/Nb externally shunted junctions operating at 4 K. This
comparative study shows all the advantages given by the NbN technology.
data with very low power dissipation and with performances well beyond what should be possible with CMOS
technology in the next decades. The RSFQ circuit technology, based on superconducting niobium nitride
(NbN), presently developed at CEA-G, involves NbN/Ta_{X}N/NbN internally shunted Josephson junctions
with high critical current density and high maximum switching frequency close to 1 THz at 10 K, as required
by ultra-fast RSFQ electronics. The purpose of this work is to apply the NbN technology to an ADC
(Analog-to-Digital Converter) for space telecommunications. An ADC with sigma-delta architecture
was studied oversampling
at 200 GHz clock frequency a signal with a bandwidth of 500 MHz modulated over a carrier
frequency of 30 GHz. In particular a clock, a comparator and some other logic gates were studied at 200
GHz as well as a third order sigma-delta band-pass modulator whose the SNR and SFDR performances,
after optimization, should satisfy the specifications. Decimation filter architecture complexity was analyzed.
Some basic components of the filter, such frequency dividers and shift registers, were studied and designed,
and in the end some possible methods to test the modulator were also proposed. The implementation of NbN
circuits in a multi-levels technology was treated including the complete fabrication of two wafers. For some
technology problems clarified afterwards, these two lots couldn't reach the ADC logic gate test. However
the RSFQ gate margins were determined thanks to junctions, SQUIDs and microwaves filters (resonators)
characterization. Finally, we compare some circuits based on self-shunted NbN junctions and other similar
circuits in Nb foundry technology using Nb/AlO_{X}/Nb externally shunted junctions operating at 4 K. This
comparative study shows all the advantages given by the NbN technology.
La logique supraconductrice RSFQ (Rapide Single Flux Quantum) est une solution très attractive pour le
traitement des données à très haute fréquence avec une dissipation très faible et des performances nettement
supérieures à ce que la technologie CMOS pourra offrir dans la prochaine décennie. La technologie RSFQ
en nitrure de niobium (NbN) en cours de développement au CEA-G est basée sur des jonctions Josephson
NbN/Ta_{X}N/NbN auto-shuntées qui présentent une fréquence d'oscillation maximum proche du THz jusqu'à
10 K. L'objectif de cette recherche a été d'appliquer cette technologie NbN 9K à un CAN (Convertisseur
Analogique-Numérique) adaptable aux télécommunications spatiales. Une architecture de type CAN
sigma-delta a été étudiée, sur-échantillonnant à 200 GHz de fréquence d'horloge un
signal avec une bande de 500 MHz et modulé sur une porteuse de 30 GHz. En particulier une horloge,
un comparateur et différents portes
logiques ont été étudiés et conçus pour opérer à 200 GHz ainsi qu'un modulateur sigma-delta passe-bande
du troisième ordre dont les performances SNR, SFDR, devraient après optimisation satisfaire les objectifs
visés. La complexité de l'architecture du filtre de décimation a été analysée. Certains composants de base
du filtre, des diviseurs de fréquence et des registres à décalage, ont été étudiés et dessinés, enfin quelques
méthodes de test du modulateur sont proposées. Le travail d'implémentation de circuits NbN en technologie
multi-niveaux a été traité conduisant à la réalisation complète de deux lots de circuits qui pour des raisons
technologiques clarifiées ensuite n'ont pu aboutir au test des portes logique du CAN. Cependant, les marges de
fonctionnement des portes logiques NbN ont été déterminées grâce à la caractérisation de jonctions, SQUIDs
et de filtres (résonateurs) micro-ondes. Finalement, une étude comparative entre des circuits à jonctions NbN
auto-shuntées opérant à 9K en réfrigération allégée et des circuits similaires obtenus en fonderie Nb basés sur
des jonctions Nb/AlO_{X}/Nb shuntées en externe opérant à 4K, démontre tous les avantages qu'on peut espérer
attendre de la technologie NbN.
traitement des données à très haute fréquence avec une dissipation très faible et des performances nettement
supérieures à ce que la technologie CMOS pourra offrir dans la prochaine décennie. La technologie RSFQ
en nitrure de niobium (NbN) en cours de développement au CEA-G est basée sur des jonctions Josephson
NbN/Ta_{X}N/NbN auto-shuntées qui présentent une fréquence d'oscillation maximum proche du THz jusqu'à
10 K. L'objectif de cette recherche a été d'appliquer cette technologie NbN 9K à un CAN (Convertisseur
Analogique-Numérique) adaptable aux télécommunications spatiales. Une architecture de type CAN
sigma-delta a été étudiée, sur-échantillonnant à 200 GHz de fréquence d'horloge un
signal avec une bande de 500 MHz et modulé sur une porteuse de 30 GHz. En particulier une horloge,
un comparateur et différents portes
logiques ont été étudiés et conçus pour opérer à 200 GHz ainsi qu'un modulateur sigma-delta passe-bande
du troisième ordre dont les performances SNR, SFDR, devraient après optimisation satisfaire les objectifs
visés. La complexité de l'architecture du filtre de décimation a été analysée. Certains composants de base
du filtre, des diviseurs de fréquence et des registres à décalage, ont été étudiés et dessinés, enfin quelques
méthodes de test du modulateur sont proposées. Le travail d'implémentation de circuits NbN en technologie
multi-niveaux a été traité conduisant à la réalisation complète de deux lots de circuits qui pour des raisons
technologiques clarifiées ensuite n'ont pu aboutir au test des portes logique du CAN. Cependant, les marges de
fonctionnement des portes logiques NbN ont été déterminées grâce à la caractérisation de jonctions, SQUIDs
et de filtres (résonateurs) micro-ondes. Finalement, une étude comparative entre des circuits à jonctions NbN
auto-shuntées opérant à 9K en réfrigération allégée et des circuits similaires obtenus en fonderie Nb basés sur
des jonctions Nb/AlO_{X}/Nb shuntées en externe opérant à 4K, démontre tous les avantages qu'on peut espérer
attendre de la technologie NbN.
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