DE1094305B

DE1094305B - Gegentaktverstaerker mit zwei steuerbaren Supraleitern (Kryotronverstaerker)

Info

Publication number: DE1094305B
Application number: DEI17451A
Authority: DE
Inventors: Robert Murrell Walker; Eugene Stewart Schlig
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1957-08-09
Filing date: 1959-12-23
Publication date: 1960-12-08
Also published as: GB887652A; NL229948A; FR1214885A; NL132105C; US3020489A; DE1170009B; GB920008A; US3015041A

Description

Verstärkeranordnungen mit steuerbaren Supraleitern besitzen den großen Vorteil, wegen der niedrigen Betriebstemperatur in der Nähe des absoluten Nullpunktes kein thermisches Rauschen mehr zu zeigen. Überdies haben sie nur verhältnismäßig geringen Raumbedarf und arbeiten sehr betriebssicher. Die bekannten Verstärkerelemente mit Supraleitern, bei denen der Supraleiter durch ein konstantes Magnetfeld auf einen Arbeitspunkt in dem Übergangsbereich zwischen dem supraleitenden und dem normalleitenden Zustand vorgespannt wird, weisen jedoch den Nachteil auf, daß es sehr schwierig ist, einen definierten Arbeitspunkt zu erreichen, da diese Elemente sehr empfindliche gegen kleinste Änderungen des auf sie einwirkenden Magnetfeldes sind. Weiterhin ist die dynamische Übergangskennlinie eines Supraleiters relativ stark gekrümmt, so daß die bekannten Verstärkeranordnungen nur einen kleinen linearen Aussteuerbereich besitzen.

Gegenstand der Erfindung ist eine Gegentaktver-Stärkeranordnung mit zwei parallel an eine Speisestromquelle angeschlossenen Supraleitern, deren Leitfähigkeit durch die Feldstärkeänderung des von je einem Steuerelement erzeugten Magnetfeldes stetig zwischen dem supraleitenden und dem normalleitenden Zustand steuerbar ist, welche diese Nachteile nicht aufweist.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß jeder der beiden Supraleiter von einer weiteren Spule, welche mit ihm hintereinandergeschaltet ist, beeinflußt wird und daß der Speisestrom durch beide Zweige jeweils so groß gewählt ist, daß die Supraleiter auf einen bestimmten Wert zwischen dem supraleitenden und dem normalleitenden Zustand vorgespannt sind, solange die Steuerspulen der beiden Supraleiter nicht erregt sind.

Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispiels der Gegentaktstufe näher erläutert; außerdem wird gezeigt, wie mehrere Verstärkerstufen nach der Erfindung in Kaskade geschaltet werden können. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 die Übergangskennlinie eines Supraleiters, Fig. 2 das Schaltbild des Ausführungsbeispieles,

Fig. 3 die Darstellung der dynamischen Ubergangskennlinien der Supraleiter in der Anordnung nach Fig. 2 und

Fig. 4 das Schaltbild der Kaskadenschaltung zweier Verstärkerstufen nach Fig. 2.

Bei den meisten bekannten Supraleitermaterialien liegen die kritischen Temperaturen nahe am absoluten so Nullpunkt. Aus diesem Grunde wird vorzugsweise flüssiges Helium verwendet, um eine geeignete Arbeitstemperatur zu erzeugen. Es ist erwünscht, daß die kritische Temperatur des Materials für die zu Gegentaktverstärker mit zwei steuerbaren Supraleitern (Kryotronverstärker)

Anmelder:

International

Business Machines Corporation,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr. jur. E. Eisenbraun, Rechtsanwalt,
Böblingen (Württ), Poststr. 21

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 24. Dezember 1958

Robert Murrell Walker, Closter, N. J.,
und Eugene Stewart Schiig, Crompond, N. Y.

(V. St. A.),
sind als Erfinder genannt worden

steuernden Elemente etwas über der Arbeitstemperatur liegt, damit ein relativ schwaches magnetisches Feld das Material aus dem supraleitenden in den normalleitenden Zustand bringt. Andererseits muß die kritische Temperatur des Materials für die Steuerelemente genügend weit über der Betriebstemperatur liegen, damit sie für alle auftretenden Werte von magnetischen Feldern supraleitend bleiben. Auf diese Weise tritt kein Energieverlust in diesen Steuerelementen auf, und die darin erzeugte Wärme erzeugt keine örtlichen Temperaturgradienten. Deshalb werden z. B. Tantal und Zinn, d. h. Stoffe, deren kritische Temperaturen etwa bei 4,4 bzw. 3,7° K liegen, für die gesteuerten oder Torelemente, und Niobium oder Blei, d. h. Stoffe, deren kritische Temperatur etwa 8,0 bzw. 7,2° K beträgt, für die Steuerelemente verwendet.

Fig. 1 zeigt nun die Übergangskurve eines Supraleiters, und zwar für eine konstante Temperatur die Änderung des Widerstandes als Funktion eines steuernden magnetischen Feldes. Beim Wachsen des Feldes vom Wert Null aus bleibt das Material zunächst supraleitend, bis der Wert Hc erreicht ist, bei welchem ein Widerstand auftritt. Bei weiterer Vergrößerung des Feldes steigt der Widerstand weiter, bis bei dem Wert Hr der normale Widerstand des Materials erreicht ist. Dieser Widerstand bleibt bei

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weiterer Vergrößerung des angelegten Feldes relativ Strom bestimmt wird, den die Stromquelle 20 liefert,

konstant. Gemäß Fig. 1 ist die Änderung des Wider- Jede Neigung des Arbeitspunktes zur Verschiebung

stands zwischen den Punkten 10 und 11 im wesent- in einer der Torleitungen wird korrigiert durch die

liehen eine lineare Funktion des steuernden ma- erfindungsgemäße Selbstvorspannung, die die Auf-

gnetischen Feldes. 5 rechterhaltung eines gleichen Widerstandes in jedem

Wenn ein erstes magnetisches Feld, das z. B. den Pfad bewirkt, wenn identische Torelemente verwendet Wert Ho hat, auf den Supraleiter einwirkt, hat dieser werden, und eines annähernd gleichen Widerstandes, den bei 12 dargestellten Widerstand. Mittels eines wenn verschiedene Torelemente benutzt werden,
zweiten mit der Zeit sich ändernden magnetischen Das zu verstärkende Signal wird an die Klemmen Feldes, so daß das resultierende auf den Supraleiter io 28 und 29 gelegt; der Signalstrom fließt durch zwei einwirkende Feld die Vektorsumme beider Felder Signalsteuerspulen 30 und 31, von denen 30 dem Torbildet, ist die zeitliche Veränderung des Widerstandes element 24 und 31 dem Torelement 26 zugeordnet ist. des Supraleiters eine lineare Funktion des zweiten Je nach der Richtung des Signalstromflusses verstärkt Feldes, vorausgesetzt, das resultierende Feld über- dann das Feld der ersten Signalsteuerspule das Feld schreitet nicht die Grenzen Hx und Hy. Da der Strom, 15 der einen Vorspannungssteuerspule, während das der das zeitlich veränderliche Feld erzeugt, geringer Feld der zweiten Signalsteuerspule das der anderen als der Strom sein kann, der durch den schwankenden Vorspannungssteuerspule schwächt. Auf diese Weise Widerstand gesteuert wird, ist eine Verstärkung erzeugen z. B. die Ströme I₁ in den Signalsteuerspulen möglich. 30 und 31 Felder, die den Widerstand des einen Tor-

Fig. 2 zeigt einen linearen Gegentakt-Kryotron- 20 elements erhöhen und den des zweiten Torelements verstärker, der die Selbstvorspannung nach der Er- verringern. Der Strom i_z aus der Stromquelle 20, der findung verwendet. Eine Quelle konstanten Stromes in Abwesenheit des Signalstroms I₁ zu gleichen Teilen 20 liefert einen Strom i_a zum Verbindungspunkt 21 zwischen die Torelemente 24 und 26 aufgeteilt ist, und von dort aus durch zwei parallele Pfade zu zwei wird jetzt aufgeteilt als Funktion der neuen WiderKlemmen 22 und 23. Der erste Pfad enthält das Tor- 35 stände der Torelemente, d. h. das Torelement 26 leitet element 24 und das Steuerelement 25, der zweite Pfad z. B. einen größeren Strom als das Torelement 24. das Torelement 26 und das Steuerelement 27. Die Diese Änderung im Widerstand der Torelemente erKlemmen 22, 23 sind normalerweise mit einer Be- zeugt eine Stromverschiebung vom einen Torelement lastung verbunden, die eine weitere Kryotron- oder zum anderen, deren Größe eine Funktion des Signalelektronische Vorrichtung sein kann. Über diese Be- 3° Stroms I₁ ist.

lastung wird dann der Kreis der Speisestromquelle 20 Diese Stromverschiebung beeinflußt außerdem das

geschlossen. Die Torelemente 24 und 26 können je ein an jedes Torelement angelegte Vorspannungsfeld in

Draht, eine Leiste oder ein Band aus supraleitfähigen! der Weise, daß das Vorspannungsfeld dazu neigt, dem

Material sein. Die Steuerelemente 25 und 27 können magnetischen Feld entgegenzuwirken, das durch I₁ in

ebenfalls je ein Draht, eine Spule, eine Leiste oder ein 35 den Steuerspulen 30 bzw. 31 erzeugt wird. Bei dem

Band aus supraleitfähigem Material sein. Um die Er- dargestellten Beispiel verleiht das durch I₁ in der

läuterung der Erfindung zu vereinfachen, werden Steuerspule 30 erzeugte Feld dem Torelement 24 mehr

jedoch die Steuerelemente nachstehend als Steuer- Widerstand, wodurch der vom Torelement 24 geleitete

spulen beschrieben. Strom herabgesetzt wird. Dieser verringerte Strom,

Es sei angenommen, daß alle Torelemente dieselbe 40 der auch durch die Vorspannungsspule 25 fließt, verCharakteristik haben und im Mittelpunkt der Über- ringert das an das Torelement 24 angelegte Vorgangskurve vorgespannt sind, obwohl natürlich auch spannungsfeld. Das resultierende Feld ist also nicht jeder beliebige andere Vorspannungspunkt gewählt die Summe des Signalfeldes und des ursprünglichen werden kann. Angesichts der Symmetrie der Schal- Vorspannungsfeldes, sondern die Summe des Signaltung kann man erwarten, daß sich der Strom t₂ zu 45 feldes und eines geschwächten Vorspannungsfeldes, gleichen Teilen am Verbindungspunkt 21 aufteilt und Entsprechend ist das resultierende Feld am Torelement in jedem der parallelen Pfade ein Strom t'₂/2 fließt. 26 kleiner als die Differenz zwischen dem Signal- und Daß dies stimmt, geht aus folgendem hervor. Es sei dem ursprünglichen Vorspannungsfeld,
angenommen, daß zunächst ein Strom, der größer Diese Wirkung geht weiter hervor aus Fig. 3 a als iJ2 ist, durch das Torelement 24 fließt, d. h. der 50 und 3 b, welche die Wirkungsweise des Verstärkers Strom teilt sich am Punkt 21 so auf, daß ein nach der Erfindung veranschaulichen. Fig. 3 a zeigt Strom i₂/2+Ai durch das Torelement 24 und ein eine Kurve, die den Strom im Torelement 24 als Strom i_z/2—Ai durch das Torelement 26 fließt. Diese als Funktion des Signalstroms darstellt, und Fig. 3b Ströme fließen außerdem durch die Steuerspulen 25 zeigt die entsprechende Kurve für das Torelement 26. bzw. 27, so daß zunächst das Torelement 24 einen 55 Ohne Signal am Verstärker leitet jedes der Torgrößeren Widerstand hat als das Torelement 26. Be- elemente einen Strom gleich i₂/2 (s. Punkte 40 und 50). kanntlich teilt sich jedoch der Strom in parallelen Ein positives Vorzeichen zeigt an, daß der Signal-Pfaden umgekehrt wie der Widerstand in den Pfaden Steuerstrom von der Klemme 29 aus zur Klemme 28 auf. Daher wird ein Teil des überschüssigen Stroms fließt (wie in Fig. 2). Ein negatives Vorzeichen zeigt im Torelement 24 und in der Steuerspule 25 durch 60 an, daß Steuerstrom in der entgegengesetzten Richdas Torelement 26 und die Steuerspule 27 umgelenkt, tung fließt. Ein Steuerstrom von -N₁ hat einen solchen bis der Widerstand in jedem der parallelen Pfade Wert, daß er in der Steuerspule 30 ein Feld erzeugt, gleich ist. Diesen Zustand erhält man, wenn kein Ein- das bei Addition zu dem ursprünglichen Vorspannungsgangssignal an den Verstärker gelegt ist. Der Wider- feld ausreicht, um das Torelement 24 vollständig stand des Torelementes 24 ist dann gleich dem des 65 normalleitend werden zu lassen, wie bei 41 in Fig. 3 a Torelements 26, d. h. i'₂/2 ist der Vorspannungsstrom gezeigt. Dieser Steuerstrom in der Steuerspule 31 erin jedem Steuerelement, wenn der Verstärker im zeugt ein magnetisches Feld, das in Kombination mit Ruhezustand ist. Der Arbeitspunkt des Verstärkers dem ursprünglichen Vorspannungsfeld ausreicht, um wird bestimmt durch die Stärke des das Torelement das Torelement 26 vollständig supraleitend werden zu beeinflussenden Feldes, welches seinerseits durch den 70 lassen, wie bei 51 in Fig. 3 b gezeigt. Bei Erhöhung

Claims

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des Widerstandes des Torelementes 24 wird jedoch sein, daß sowohl die Steuerspulen 60 und 62 als auch

der es durchfließende Strom entsprechend verringert, die Steuerspulen 61 und 63 zweiadrig gewickelt sein

wodurch auch das ursprüngliche Vorspannungsfeld können, damit gleiche und entgegengesetzte ma-

geschwächt wird, so daß nun an Stelle des erwarteten gnetische Felder entstehen, wenn in diesen Spulen Wertes 0 der bei 42 angezeigte Strom durch das Tor 5 gleiche Ströme fließen.

24 fließt. Entsprechend wird infolge Vergrößerung Ein Signalstrom durch die Eingangsklemmen 28, des Stroms durch das Torelement 26 und das Steuer- 29 bewirkt dagegen die Anlegung eines magnetischen element 27 das ursprüngliche Vorspannungsfeld ver- Feldes auch an die Torelemente 64, 66 usw. Auf diese größert und dadurch der Strom von dem erwarteten Weise bewirkt jede Stufe des mehrstufigen Ver-Wert L₁ auf den bei 52 angegebenen Wert gesenkt. io stärkers eine zusätzliche Verstärkung des zugeführten Ähnlich sind, wenn der Steuerstrom in der entgegen- Signals. Wieder sei angenommen, daß ein Signalstrom gesetzten Richtung fließt (-I₁), an Stelle der er- von der Klemme 29 zur Klemme 28 fließt, so daß das warteten Werte i._z bzw. 0 (bei 43 bzw. 53) die Werte Torelement 24 einen größeren Widerstand erhält als des erhaltenen Stroms die bei 44 bzw. 54 gezeigten. das Torelement 26. Damit fließt mehr Strom durch

Das erfindungsgemäße Merkmal der Selbstvor- 15 das Torelement 26 sowie durch die Steuerspule 62 und

spannung führt somit zu einem mehr linearen Ver- 63 und weniger Strom durch die Steuerspulen 60 und

stärker, der einen breiteren Eingangssignalbereich 61. Der verstärkte Strom in der Steuerspule 63 erzeugt

ermöglicht, allerdings einen herabgesetzten Ver- ein magnetisches Feld, das zu dem Selbstvorspan-

stärkungsfaktor hat, was daraus hervorgeht, daß die nungsfeld der Spule 69 hinzukommt. Gleichzeitig

Neigung der Kurven 44-42 bzw. 54-52 kleiner ist als 20 schwächt der verringerte Strom in der Steuerspule 61

die der Kurven 43-41 bzw. 53-51. Außerdem bewirkt das von dieser erzeugte magnetische Feld ab. Auf

die Selbstvorspannung, daß der Verstärkungsfaktor diese Weise erzeugen die Steuerspulen 63 und 61 ein

weniger von den Parametern des Torelementmaterials Nettofeld, welches, zu dem Selbstvorspannungsfeld 69

abhängig ist. addiert, den Widerstand des Torelementes 66 erhöht.

Fig. 4 veranschaulicht einen mehrstufigen Ver- 25 Umgekehrt erzeugt der erhöhte Strom in der Steuerstärker gemäß der Erfindung, bei dem die erste Stufe spule 62 ein magnetisches Feld, welches dem Selbstder Schaltung von Fig. 2 entspricht unter Verwendung vorspanungsfeld der Spule 65 entgegenwirkt. Gleichgleicher Bezugszeichen für gleiche Teile. Ohne Ein- zeitig setzt der verringerte Strom in der Steuerspule gangssignale liefert die Stromquelle 20 einen Strom i₂ 60 das von dieser erzeugte magnetische Feld herab, zum Verbindungspunkt 21 bzw. einen Strom i'₂/2 30 Auf diese Weise erzeugen die Steuerspulen 62 und 60 durch das Torelement 24 und die Vorspannungsspule ein Nettofeld, welches dem Selbstvorspannungsfeld

25 sowie einen Strom i₂/2 durch das Torelement 26 65 entgegenwirkt und damit den Widerstand des Tor- und die Vorspannungsspule 27. Gemäß Fig. 4 werden elements-64 verkleinert. Ein von der Klemme 29 zur diese Ströme den Steuerspulen einer zweiten identischen Klemme 28 fließender Signalstrom bewirkt somit, daß Stufe zugeleitet, so daß der durch das Torelement 24 35 das Torelement 26 einen Strom leitet, der größer ist, geleitete Strom durch die Steuerspulen 60 und 61 und das Torelement 24 einen Strom leitet, der kleiner fließt, während der durch das Torelement 26 geleitete ist als der Strom, der sie ohne Signalstrom durchStrom durch die Steuerspule 62 und 63 fließt. Die fließt. Der überschüssige Strom durch das Torelement Steuerspulen 60 und 62 bzw. 61 und 63 sind ent- 26 fließt durch die Steuerspulen 62 und 63 und bewirkt gegengesetzt magnetisch gekoppelt, so daß kein wirk- 40 in Verbindung mit der gleichzeitigen Abschwächung sames magnetisches Feld entsteht, wenn der Strom in des Stroms durch das Torelement 24 und die Steuerden Steuerspulen 60 und 61 gleich dem Strom in den spulen 60 und 61, daß der Widerstand des Tor-Steuerspulen 62 und 63 ist. In der zweiten Stufe elementes 66 erhöht und der des Elementes 64 herabwird ein erstes Torelement 64, das dem Torelement 24 gesetzt wird. In der schematischen Darstellung eines entspricht, sowohl durch die Felder der zwei Steuer- 45 mehrstufigen Verstärkers wechselt also das Torspulen 60 und 62 als auch durch das Feld der Selbst- element mit dem geringeren Widerstand in jeder vorspannungsspule 65 beeinflußt. Das Feld der Steuer- folgenden Stufe von einer Seite zur anderen.

spule 60 ist dem der Steuerspule 62 entgegengesetzt; Der Deutlichkeit halber sind die Steuerelemente in

daher wird kein wirksames Feld durch diese Steuer- den Zeichnungen als Spulen dargestellt worden, es

spulen an das Torelement 64 angelegt, wenn dem Ver- 50 versteht sich aber, daß auch dünne Filme verwendende

stärker kein Eingangssignal zugeführt wird. Aus Kryotronelemente in der Verstärkeranordnung nach

demselben Grunde wird beim Fehlen eines Eingangs- der Erfindung benutzt werden können, signals kein wirksames Feld an das Torelement 66 an-

gelegt. Selbst wenn der gesamte Vorspannungsstromi₂ Patentansprüche:

der ersten Stufe durch die Steuerspule der zweiten 55 1. Gegentaktverstärkerstufe mit zwei parallel an

Stufe fließt, legt dieser Strom also kein wirksames eine Speisestromquelle angeschlossenen Supramagnetisches Feld an die Torelemente der zweiten leitern, deren Leitfähigkeit durch die Feldstärke-

Stufe. Die beiden Ströme, die jeder den Wert i₂/2 änderung des Magnetfeldes je eines auf sie ein-

haben, kombinieren sich daher an der Klemme 67 wirkenden Steuerelementes stetig zwischen dem

und ergeben einen Stromwert J₂, der zum Ver- 60 supraleitenden und dem normalleitenden Zustand bindungspunkt 68 fließt. Dieser Strom I₂ teilt sich steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die

wieder in zwei Ströme auf, wenn kein Eingangssignal- Steuerelemente (3Oj 31) der beiden Supraleiter

strom fließt; jeder dieser beiden Ströme hat wieder (24, 26) derart geschaltet sind, daß bei ihrer Erden Wert ig/2. Der erste fließt durch das Torelement regung die Leitfähigkeit des einen Supraleiters

64 und die Selbstvorspannungsspule 65 und der zweite 65 verringert und diejenige des anderen erhöht wird, durch das Torelement 66 und die Selbstvorspannungs- daß ferner jeder der beiden Supraleiter von einem

spule 69. Die Steuerspulen 70 und 71 sowie 72 und 73 Vorspannungselement (25,27), welches mit ihm in

stellen etwa die Eingangselemente einer dritten Reihe geschaltet ist, beeinflußt wird und daß der

gleichen Verstärkerstufe oder eines anderen elek- Speisestrom durch beide Zweige jeweils so be-

tronischen Gerätes dar. Dem Fachmann dürfte es klar 70 messen ist, daß die Supraleiter auf einen be-

stimmten Wert zwischen dem supraleitenden und dem normalleitenden Zustand vorgespannt sind, solange die Steuerelemente nicht erregt sind (Fig. 2).
2. Zweistufiger Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden weiteren Supraleiter (64, 66) je zwei Steuerelemente (60, 62 bzw. 61, 63) aufweisen, daß je zwei dieser

Steuerelemente (60, 61 bzw. 62, 63) hintereinander in einen Speisezweig (24, 25 bzw. 26, 27) der ersten Stufe eingeschaltet sind und daß die !-eidcn Steuerelemente jedes Supraleiters der zweiten Stufe derart ausgebildet sind, daß sich ihre Wirkungen gerade aufheben, solange die Steuerelemente (30, 31) der ersten Stufe nicht erregt sind (Fig. 4).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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