DE1170009B - Verstaerker, bei welchem die Widerstands-aenderung eines Leiters bei tiefer Temperatur ausgenutzt wird - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: H03f

Deutsche Kl.: 21 a2-18/08

Nummer: 1170 009

Aktenzeichen: I 15215 VIII a / 21 a2

Anmeldetag: 9. August 1958

Auslegetag: 14. Mai 1964

Die Erscheinung der Supraleitfähigkeit, d. h. die Eigenschaft bestimmter Stoffe, unterhalb bestimmter kritischer Temperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunktes keinen meßbaren elektrischen Widerstand mehr zu zeigen, ist seit vielen Jahren bekannt. Ebenfalls ist es bekannt, daß dieser widerstandslose Zustand durch Anlegen eines magnetischen Feldes ausreichender Feldstärke wieder aufgehoben werden kann. Diese Erscheinung begann jedoch erst kürzlich für die Anwendung in elektrischen und elektronischen Schaltungen wichtig zu werden.

Zu den wichtigsten neueren Entdeckungen auf diesem Gebiet gehört das sogenannte Kryotron. Es besteht aus einem langgestreckten Leiter und einer auf diesem aufgebrachten Zylinderspule, die sich normalerweise beide im supraleitenden Zustand befinden. Die Spule besteht aus einem Stoff, der eine höhere kritische Temperatur aufweist als der Stoff, aus dem der Leiter besteht. Dadurch bleibt die Spule auch in einem Magnetfeld im supraleitenden Zustand, dessen Feldstärke ausreicht, um den Leiter in den widerstandsbehafteten oder normalleitenden Zustand zu bringen.

Seine Hauptanwendung findet das Kryotron in einer Flip-Flop-Schaltung, die aus zwei parallelen durch eine Quelle konstanten Stromes gespeisten Stromwegen besteht. Jeder Weg umfaßt den in seinem Leitfähigkeitszustand umsteuerbaren Leiter eines Kryotrons und die Steuerspule eines zweiten Kryotrons. Das Magnetfeld, das eine Steuerspule erzeugt, wenn durch sie der eingeprägte Strom fließt, hat eine solche Feldstärke, daß es den von der betreffenden Steuerspule beeinflußten umsteuerbaren Leiter in den normalleitenden Zustand bringt, so daß dieser einen Stromfluß in seinem Stromweg unterbindet. Dieser Zustand hält sich also selbst, wenn er nur einmal hergestellt worden ist. Die Schaltung kann dadurch in ihren anderen Zustand umgeschaltet werden, daß in dem Zweig, in dem der eingeprägte Strom fließt, kurzzeitig ein Widerstand eingefügt wird, beispielsweise durch ein weiteres Kryotron.

Der Übergangsbereich zwischen dem supraleitenden und dem normalleitenden Zustand ist bei einem Kryotron mit den üblicherweise dafür verwendeten Materialien, z. B. Niobium, Blei, Tantal, sehr schmal. Der Gedanke, die mit dem Übergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand verbundene Widerstandsänderung zum Aufbau eines Verstärkers zu benutzen, stößt deshalb auf praktische Schwierigkeiten. Es sind Versuche bekannt, den Ubergangsbereich zwischen den beiden Zuständen durch Verunreinigungen zu dem Kryotronmaterial zu ver-Verstärker, bei welchem die Widerstandsänderung eines Leiters bei tiefer Temperatur
ausgenutzt wird

Anmelder:

IBM Deutschland Internationale Büro-Maschinen Gesellschaft m. b. H.,
Sindelfingen (Württ.), Tübinger Allee 49

Als Erfinder benannt:

Donald Reeder Young,

Poughkeepsie, Dutchess, N.Y. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 9. August 1957 (677 239)

breitern. Die Herstellung genau reproduzierbarer Kennlinien ist jedoch mit diesem Verfahren nicht möglich.

Die Erfindung macht es sich zur Aufgabe, einen Verstärker zu liefern, der unter Benutzung der Supraleitfähigkeit gewisser Materialien arbeitet. Es sollen dabei die Nachteile vermieden werden, die der bekannten Anordnung anhaften. Gegenstand der Erfindung ist demnach ein Verstärker, bei welchem die Widerstandsänderung eines Leiters ausgenutzt wird, der durch ein von einem Steuerleiter erzeugtes Magnetfeld zwischen dem supraleitenden und dem normalleitenden Zustand umgesteuert wird, mit dem Merkmal, daß zur Vergrößerung des Übergangsbereiches des Widerstandes zwischen dem supraleitenden und dem normalleitenden Zustand der Steuerleiter derart ausgebildet ist, daß das steuernde Magnetfeld im Bereich des umsteuerbaren Leiters inhomogen ist.

Die Inhomogenität des steuernden Magnetfeldes ist derart, daß seine Intensität in Richtung des umsteuerbaren Leiters gleichmäßig von einem Minimalwert zu einem Maximalwert ansteigt. Dann gelangen bei einer Erhöhung der Feldstärke nacheinander immer größere Teile des umsteuerbaren Leiters in den normalleitenden Zustand, und der Gesamtwiderstand des Leiters hängt linear von der Feldstärke ab. Eine solche Anordnung kann dann als linearer Verstärker dienen.

Das inhomogene Magnetfeld wird entweder von einer auf den umsteuerbaren Leiter aufgebrachten Zylinderspule mit gleichmäßig abnehmender Gang-

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höhe oder von einem parallel zum umsteuerbaren Leiter mäanderförmig geführten leitenden Band mit in der Umgebung des umsteuerbaren Leiters gleichmäßig abnehmender Breite erzeugt. Zuweilen ist es vorteilhaft, zwei gleichartig aufgebaute und parallel 5 zueinander verlaufende Spulen bzw. Bänder vorzusehen. Es lassen sich auch Kennlinien beliebigen Verlaufes herstellen, z. B. solche mit quadratischem oder kubischem Verlauf.

Zwei Anordnungen nach der Erfindung lassen sich auf einfache Art zu einem Gegentaktverstärker zusammenschalten, der die bekannten Vorteile eines solchen gegenüber einem Einfachverstärker aufweist. Dazu werden die beiden umsteuerbaren Leiter, und zwar jeweils über ein als Ausgang dienendes Glied, parallel geschaltet und an eine Quelle konstanten Stromes angeschlossen. Die beiden das steuernde Magnetfeld erzeugenden Spulen dienen als Eingang und werden im Gegentakt erregt.

Die beiden als Ausgang dienenden Glieder können die zum Umschalten eines Kryotron-Flip-Flops in diesem zusätzlich vorgesehenen Kryotron sein oder, wenn nur eine Zustandsänderung von dem Verstärker gesteuert werden soll, zwei gegeneinandergeschaltete Spulen auf einem oder beiden zusätzlichen Kryotrons.

Sollen mehrere Verstärkerstufen hintereinandergeschaltet werden, um in bekannter Weise die Gesamtverstärkung zu erhöhen, so werden für die beiden als Ausgang dienenden Glieder die das steuernde Magnetfeld erzeugenden Spulen einer weiteren gleichen Anordnung verwendet und die beiden jeweils mittelbar parallel geschalteten Leiterpaare in Serie an die Quelle konstanten Stromes angeschlossen.

Der Verstärkungsfaktor jeder einzelnen Stufe eines solchen Verstärkers kann durch die Anwendung positiver Rückkopplung erhöht werden. Dazu wird in jedem Parallelzweig eine weitere Steuerspule mit veränderlicher Ganghöhe eingeschaltet, die eine umsteuerbare Leitung in dem anderen Zweig beeinflußt. Wird die umsteuerbare Leitung dagegen in den gleichen Zweig eingeschaltet, so erhält man eine negative Rückkopplung.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Zur Erläuterung dienen die Zeichnungen. Es zeigt

F i g. 1 in einem Schaltbild die Abhängigkeit der zum Umschalten erforderlichen Feldstärke von der Temperatur,

Fig. 2 das Schaltbild einer Flip-Flop-Schaltung mit Kryotronen,

Fig. 3 die Umschaltcharakteristik einer Anordordnung nach der Erfindung für zwei verschiedene Ganghöhen,

Fig. 4 eine Verstärkeranordnung nach der Erfindung,

F i g. 5 und 6 zwei Schaubilder, welche das Verhalten der Anordnung nach F i g. 4 beschreiben,

Fig. 7 den Gegentaktverstärker nach der Erfindung,

F i g. 8 einen mehrstufigen Verstärker mit mehreren Anordnungen nach F i g. 7,

Fig. 9 einen Gegentaktverstärker mit positiver Rückkopplung,

Fig. 10 eine Verstärkeranordnung ähnlich der nach F i g. 4, jedoch mit zwei gleichartig und parallel zueinander verlaufenden Spulen,

Fig. 11 eine weitere Ausgangsschaltung eines Gegentaktverstärkers und

Fig. 12 eine flache Ausführungsform der Verstärkeranordnung nach der Erfindung.

F i g. 1 ist eine Darstellung der Obergangstemperaturen für mehrere Stoffe bei verschiedenen Weiten der magnetischen Feldstärke. Zum Beispiel geht Tantal (Ta) aus dem normalleitenden in den supraleitenden Zustand bei 4,4° K über, wenn kein magnetisches Feld vorhanden ist. Diese Übergangstemperatur wird bei Verstärkung des an das Material angelegten magnetischen Feldes gesenkt. Man kann den Leitfähigkeitszustand der verschiedenen Stoffe bei verschiedenen Temperaturen und Feldstärken dadurch bestimmen, daß man feststellt, ob der betreffende Zustand links oder rechts von der Übergangskurve für den Stoff dargestellt ist. Die Zustände links der Kurve zeigen einen supraleitenden Zustand und rechts der Kurve einen Normalzustand an. Wenn z. B. Tantal auf einer Temperatur von 4,2° K — der Siedetemperatur des flüssigen Heliums bei atmosphärischem Druck — gehalten wird, ist der Stoff supraleitfähig, solange das magnetische Feld, dem er ausgesetzt wird, unter einem Schwellenwert liegt, der etwa 85 Oersted beträgt. Wenn dieser Wert des magnetischen Feldes überschritten wird, hört die Supraleitfähigkeit auf, d. h., der Stoff geht zum normalen mit Widerstand behafteten Zustand über. Aus F i g. 1 geht hervor, daß es bei dieser Betriebstemperatur auch andere Stoffe gibt, die in Gegenwart eines über dem kritischen Feld für Tantal liegenden Feldes im supraleitenden Zustand bleiben. Niobium (Nb) hat den höchsten Schwellwert der dargestellten Stoffe. Es sei angenommen, daß die nachstehend besprochenen Kryotrone einen umsteuerbaren Leiter (Torleitung) aus Tantal und eine Steuerspule aus Niobium enthalten.

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer Flip-Flop-Schaltung aus mit konstanter Ganghöhe gewickelten Kryotronen. Die Wirkungsweise kann kurz wie folgt beschrieben werden: Der Strom wird von einer Quelle konstanten Stroms zugeführt, die hier durch ein Kästchen 10 dargestellt ist. Dieser Strom kann durch einen von zwei Parallelpfaden von einer Klemme 12 zu einer Klemme 14 (Erde) fließen. Der Stromkreis umfaßt sechs Kryotrone Cl bis C 6. Der eine Strompfad besteht aus den Toren Gl und G 2 der Kryotrone Cl und C 2 und den Steuerspulen WS und W6 der Kryotrone C5 und C6. Der zweite Pfad enthält die Tore G 4 und G 5 und die Steuerspulen W 2 und W 3. Die Eingänge Null und Eins werden der Schaltung über die Steuerspulen Wl und WA der Eingangskryotrone Cl und C 4 zugeleitet.

Zunächst sei angenommen, daß der ganze Strom nach rechts von der Klemme 12 aus durch den ersten der parallelen Pfade fließt und daß der Stromfluß durch die Wicklungen WS und W6 stark genug ist, um Magnetfelder, die stärker als ihre kritischen Felder sind, auf die Tore G 5 und G 6 einwirken zu lassen. Da in den Spulen Wl und W 2 kein Strom fließt und die Tore Gl und G 2 daher supraleitend sind, ist kein Widerstand im ersten parallelen Pfad vorhanden. Der Widerstand des Tors G 5 in dem anderen Parallelpfad wird durch das Feld aufrechterhalten, daß durch den Stromfluß durch die Wicklung W 5 im ersten Pfad errichtet wird. Der anfangs errichtete Stromflußzustand hält sich selbst. Die Vorrichtung ist in diesem Zustand stabil. Bezeichnet man ihn als Nullzustand, so kann die Schaltung in den

anderen oder Einszustand dadurch umgeschaltet werden, daß an die Eins-Eingangswicklung Wl ein genügend starker Stromimpuls angelegt wird, um im Tor Gl einen Widerstand entstehen zu lassen. Der Strom aus der Quelle 10 beginnt sich dann zwischen beiden Pfaden zu teilen. Wenn ein genügend großer Teil des Gesamtstroms aus dem ersten Pfad abgeleitet worden ist, sinkt die Stärke des durch die Wicklung WS angelegten magnetischen Feldes unter den Wert, der nötig ist, um den Widerstand im Tor G 5 aufrechtzuerhalten. Der ganze Strom verläßt dann den ersten Pfad und fließt durch den zweiten Pfad, der nach links von der Klemme 12 aus und durch die Wicklung Wl verläuft und erzeugt dadurch einen Widerstand im Tor G 2, so daß bei Beendigung des Eingangsimpulses auf der Wicklung Wl die Vorrichtung sich selbst stabil in diesem zweiten oder Einszustand hält. Die Vorrichtung kann durch Anlegen eines Stromimpulses an die Null-Eingangswicklung W 4 in den Nullzustand zurückgeschaltet werden. Der Zustand der Schaltung kann durch Beobachtung der Richtung des Stromflusses oder des Widerstandszustandes der Tore G 3 und G 6 mit Hilfe der Stromquelle 20 abgefragt werden. Wenn die Vorrichtung in dem ersten oder Nullzustand ist, fließt der Strom aus der Quelle 10 durch die Wicklung W 6 und erhält dadurch den Widerstand im Ausgangstor G 6 aufrecht. Dadurch kann erreicht werden, daß der ganze Strom aus der Quelle 20 durch das Tor G 3 fließt. Wenn die Vorrichtung im Einszustand ist, wird der Widerstand im Tor G 3 aufrechterhalten, und es kann erreicht werden, daß der ganze Strom aus der Quelle 20 durch das Tor G 6 fließt. Wenn ein ständiger Ausgang zulässig ist, braucht der Abfragestrom nicht durch eine besondere Quelle 20 geliefert zu werden, so daß die Klemmen 14 und 22 miteinander derart verbunden werden können, daß der Strom aus der Quelle 10 durch die im supraleitenden Zustand befindliche der Spulen W3 und W6 fließt.

In der beschriebenen Vorrichtung sind die Kryotrone zwar hintereinandergeschaltet, aber alle entweder in dem einen oder dem anderen von zwei möglichen Zuständen. Daher kann ein mit einem solchen Kryotron erreichbarer Verstärkungsfaktor nicht durch Anwendung eines weiteren Kryotrons desselben Typs erhöht werden. Außerdem müssen die Eingangsimpulse zu den Wicklungen Wl und W 2, die für die Umschaltung der Schaltung aus dem einen stabilen Zustand in den anderen erforderlich sind, ausreichend sein, um das zugeordnete Tor in den mit Widerstand behafteten Zustand zu treiben, d. h., die Schaltung spricht nicht auf kleine Signale an.

Bisher sind nur die durch die Spulen erzeugten magnetischen Felder berücksichtigt worden. Bei einem normalen Kryotron ist dies zulässig, da, wenn das Kryotron in einem seiner stabilen Zustände ist, ein Strom entweder durch die Tor- oder die Steuerspule jedes Kryotrons, aber nicht durch beide fließt. Es wird jedoch auch durch den Stromfluß durch die Kryotrontore ein Feld erzeugt, und zwar liegt dieses rechtwinklig zu dem von dem Stromfluß in der zugeordneten Spule erzeugten. Wenn während des Übergangs von dem einen in den anderen Zustand der Strom sowohl durch die Spule als auch das Tor desselben Kryotrons fließt, wird das Gesamtfeld, dem das Tor ausgesetzt ist, durch die vektorielle Addition dieser beiden Felder bestimmt. Die dieses Verhältnis für ein Kryotron dieser Art mit konstanter Ganghöhe darstellende Charakteristik ist durch die innere Ellipse 30 in F i g. 3 angedeutet. Die Ordinate L₁ stellt den Stromfluß durch das Tor und die Abszisse I₁ den Stromfluß durch die Steuerspule des Kryotrons dar. Die Ellipse definiert den Übergang zwischen dem supraleitenden und dem normalen Zustand für das Tor; der von der Ellipse umschlossene Raum stellt den supraleitenden Zustand dar und der außerhalb der Ellipse den normalen Zustand. Der Schnittpunkt/₂₀ stellt den Wert des Stroms durch das Tor dar, der ein ausreichendes Selbstfeld erzeugt, um die Supraleitfähigkeit in dem Kryotrontor zu beseitigen. Der Schnittpunkt Z₁₀ stellt den Wert des Stromflusses durch die Spule dar, welcher ein dazu ausreichendes magnetisches Feld erzeugt. Der theoretische Stromverstärkungsfaktor der Vorrichtung kann als Verhältnis dieser beiden Werte, d. h. I₂Ji₁₀, definiert werden. Für das Kryotron, dessen Charakteristik durch die Ellipse 30 dargestellt ist, beträgt der Ver-Stärkungsfaktor 2.

Fig. 4 zeigt ein Kryotron mit einer Steuerspule 40, die mit verschiedener Ganghöhe gewickelt ist. Die Ganghöhe ist rechts am größten und nimmt der Länge der Spule nach ab bis auf eine Mindestganghöhe am linken Ende. Die Stärke des magnetischen Feldes, das als Ergebnis des Stromflusses durch die Wicklung 40 an ein Tor 42 angelegt wird, ist links, wo die Ganghöhe am kleinsten ist, am größten und nimmt der Länge des Tors nach ab bis auf ein Mindestmaß am rechten Ende, wo die Ganghöhe am größten ist. Die Charaktenstika der Vorrichtung sind in F i g. 3 durch die Ellipse 30 und eine zweite Ellipse 44 dargestellt. Die Ellipse 30 stellt die Übergangscharakteristik am linken Ende des Tors dar, wo die Spulenganghöhe am kleinsten ist, und die Ellipse 44 die Charakteristik dort, wo die Spulenganghöhe am größten ist. Natürlich ist der Wert des Torstroms, der in sich selbst genügt, um das Tor zu löschen, auf der ganzen Länge des Tors gleich. Daher haben beide Ellipsen gemeinsame Schnittpunkte mit der Ordinatenachse für Torströme von ±i₂₀. Weil die Ganghöhe der Spule 40 am rechten Ende größer ist, ist ein größerer Spulenstrom Z₁ nötig, um die Supraleitfähigkeit am äußersten rechten Teil des Tors zu unterdrücken, als derjenige, der erforderlich ist, um die Supraleitfähigkeit am linken Ende des Tors zu beseitigen. Die Vorrichtung sei so aufgebaut, daß ein Stromwert von i₁₀ Ampere die Supraleitfähigkeit am linken Ende löscht und ein Strom von 1,51₁₀ nötig

So ist, um die Supraleitfähigkeit am rechten Ende zu beseitigen, in welchem Falle die ganze Länge des Tors 42 gelöscht wird. Wenn der durch die Spule fließende Strom zwischen den Grenzen I₁₀ und 1,5 I₁₀ erhöht wird, wird ein zunehmend größerer Teil des Tors 40 gelöscht. Dasselbe trifft natürlich auch für die durch Addition der magnetischen Felder, die durch den Stromfluß sowohl im Tor als auch in der Spule erzeugt werden, entstandenen Felder zu. Der Bereich innerhalb der Ellipse 30 stellt die Strombedingungen dar, unter denen das ganze Tor 42 supraleitend ist; der Raum zwischen den beiden Ellipsen stellt die Strombedingungen dar, unter denen Teile des Tors 42 normal und andere Teile supraleitend sind, und der Bereich außerhalb der Ellipse 44 stellt die Strombedingungen dar, unter denen das ganze Tor 42 im Normalzustand ist.

Fig. 5 stellt das Verhältnis zwischen dem Widerstand R des Tors 42, dem Strom I₁ in der Spule 40

und dem Strom Z₂ in dem Tor 42 des Kryotrons von F i g. 4 mit veränderlicher Ganghöhe dar. Die Ordinate ist der Widerstand R des Tors 42 bezogen auf i?₂₀, dem größten Torwiderstand, der besteht, wenn das ganze Tor im Normalzustand ist. Die Abszisse ist der Spulenstrom Z₁, bezogen auf den kritischen Torstrom Z₂₀. Die Kurven a, b, c, d, e, f, g, h, i und j stellen die Übergangscharakteristika für Werte des Spulenstroms Z₂ gleich 0,95 Z₂₀, 0,9 Z,_o, 0,8 Z₂₀, 0,75Z₂₀, 0,6Z₂₀, 0,5Z₂₀, 0,4 Z₂₀, 0,317 Z₂₀," 0,025 Z₂₀ bzw. 0 dar. Der Schnittpunkt jeder dieser Kurven mit der Abszisse stellt die Stärke des Torstroms Z₁ dar, die bei diesem Spulenstromwert nötig ist, um die Erzeugung von Widerstand im Tor 42 einzuleiten, d. h. um an den äußersten linken Teil des Tors ein Feld mit kritischer Feldstärke anzulegen. Die Schnittpunkte dieser Kurven mit der Parallelen zur Abszisse für R=R₂₀ stellen den Strom Z₁ im Tor dar, der bei diesem Strom in der Spule nötig ist, um einen Widerstand auf der ganzen Länge der Torleitung 42 zu erzeugen. Wenn z. B. der Spulenstrom Z₂ gleich 0,8 Z₂₀ ist, ist ein Torstrom Z₁ gleich 0,3 Z₂₀ gerade ausreichend, um die Erzeugung von Widerstand im Tor 42 einzuleiten, und ein Torstrom Z₁ gleich 0,45 Z₂₀ genügt, um das ganze Tor in den mit Widerstand behafteten Zustand zu bringen.

Die Kurven x, y und ζ stellen den Zusammenhang zwischen den Veränderlichen R, Z₁ und Z₂ für verschiedene Werte der konstanten Spannung F₂ am Tor 42 dar. Die Kurve χ steht für einen Wert von F₂ gleich 0,5 Z₂₀A₂₀, die Kurve y für einen Wert von F₂ gleich 0,25 Z₂₀A₂₀ und die Kurve ζ für einen Wert von V₂ gleich 0,15 Z₂₀A₂₀.

F i g. 6 ist eine Darstellung des Torstroms Z₂ zum Spulenstrom Z₁ für die drei durch die Kurven x, y, ζ von Fig. 5 dargestellten Werte der Spannung F₂; die entsprechenden Kurven von Z₂ zu Z₁ in F i g. 6 für F₂ sind mit X₁, V₁ und Z₁ bezeichnet. Jede dieser Kurven weist einen linearen Teil auf, in dem das Kryotron als linearer Verstärker betrieben werden kann. Die Neigung auf diesen linearen Teilen der drei Kurven X₁, V₁ und Z₁, d. h. das Verhältnis der Änderungen des Stromes Z₂ zu den Änderungen von Z₁, stellt den Verstärkungsfaktor der Vorrichtung dar, wenn sie als linearer Verstärker betrieben wird. Der Verstärkungsfaktor für eine Spannung F₂ gleich 0,5 Z₂₀A₂₀ beträgt etwa 1,2, für F₂ gleich 0,25 Z₂₀A₂₀ etwa"l,4und für F₂ gleich 0,15 Z₂₀ etwa 2,0.

F i g. 7 zeigt zwei Kryotrone veränderlicher Ganghöhe in einer Parallelschaltung, in der ein Strom Z durch eine Quelle 50 geliefert wird. Den Spulen 40 α und 40 b dieser beiden Kryotrone wird ein konstanter Strom von den Stromquellen 52 a und 52 b zugeleitet, der jeweils gleich der halben von der Quelle 50 gelieferten Stromstärke ist. Anfangs ist also der Strom durch jede der Spulen 40 α und 40 b gleich Z/2. Da der Widerstand der Tore 42 a und 42 b gleich ist, wird der Strom Z von der Quelle 50 gleichmäßig aufgeteilt, und es fließt durch jedes der Tore ein Strom Z/2. Die Stromquellen 50, 52 a und 52 b sind so dimensioniert, daß der Stromwert Z/2 gleich 0,5 Z₂₀ ist. Dieser Anfangszustand oder Arbeitspunkt ist bei »o« auf den Kurven ζ und Z₁ von F i g. 5 und 6 dargestellt. Diese Kurven stellen die Charakteristika für eine Spannung F₂ gleich 0,15 Z₂₀A₂₀ dar. Dieser Arbeitspunkt liegt auf dem linearen Teil" der Kurve Z₁, in der der Verstärkungsfaktor, wie oben gesagt, gleich 2 ist.

Wenn nun in diesem Zustand durch zwei Signalquellen an die Klemmen 54 a und 54 b Signale im Gegentakt angelegt werden, z. B. +Ai an Klemme 54a und -Ai an Klemme 54b (Ai ist so groß, daß der lineare Teil der Kurve Z₁ nicht überschritten wird) ist die Stromzunahme in dem durch das Tor 42b verlaufenden Pfad gleich der Stromabnahme durch das Tor 42 a, und daher bleibt die Spannung an der Schaltung konstant. Unter diesen Bedingungen, ίο d. h. wenn die Quelle 50 Strom bei einer Spannung gleich 0,15 Z₂₀A₂₀ liefert und Eingänge im Gegentakt an die Klemme 54 α und 54 b angelegt werden, bleibt der Gesamtstrom »Z« derselbe, da bei der Gegentakterregung der Spulen 40 a und 40 b die Stromzunahme durch das eine Tor 406 genau gleich der Stromabnahme durch das andere Tor 40 α ist. Die Schaltung arbeitet also sowohl mit konstanter Spannung als auch mit konstantem Strom. Die Quelle 50 liefert einen konstanten Strom »Z«, welcher gleich 2 (0,5 Z₂₀) ist. Die Arbeitskurve des Kryotrons bleibt gleich der Kurve Z₁ von F i g. 6.

Fig. 8 zeigt die Zusammenschaltung mehrerer Gegentaktverstärkerstufen in aufeinanderfolgenden Stufen. Jede Stufe gleicht im wesentlichen der in F i g. 7 gezeigten Anordnung mit der Ausnahme, daß in jeder Stufe die Steuerspulen 40 für jede nachfolgende Stufe in Reihe mit den Toren 42 für die vorausgehende Stufe geschaltet sind. Die in F i g. 7 verwendeten Bezugszeichen sind auch auf entsprechende Elemente der ersten Stufe des in F i g. 8 gezeigten Verstärkers angewendet worden. Zwei weitere Spulen 40 c und 4Od mit veränderlicher Ganghöhe sind mit den Toren 42 a bzw. 42 b in Reihe geschaltet. Wenn ein Strom Z/2 von den Quellen 52 a und 52 & geliefert wird, wodurch die Tore 42a und 42b im gleichen Widerstandszustand bleiben, wird anfangs der von der Quelle 50 kommende Strom »Z« gleichmäßig an der Klemme 62 aufgeteilt, so daß der Strom durch die Spulen 40 c und 4Od ebenfalls gleich Z/2 ist. Die Spulen 40 c und 4Od bilden mit den Toren 42 c und 42 d Kryotrone, die ebenfalls Charakteristika wie die in F i g. 5 und 6 gezeigten haben. Die erste Stufe des Verstärkers endet an einer Klemme 62, wo die Ströme in den beiden parallelen Pfaden dieser Stufe wieder zusammenfließen, so daß wieder der Gesamtstrom »Z« verfügbar ist, um gemäß dem Widerstand aufgeteilt zu werden, der durch die parallelen Pfade der zweiten Stufe entgegengesetzt wird. Da der Strom durch die Spulen 40 a und 4Od anfangs gleich Z/2 ist, wird der Strom wieder an einer Klemme 64 gleichmäßig aufgeteilt, und der durch die Tore 42 c und 42 d und ein weiteres Paar von Spulen 4Oe und 40/ desselben Typs mit veränderlicher Ganghöhe fließende Strom ist ebenfalls gleich Z/2. Die Spulen 4Oe und 40/ steuern die Tore 42 e und 42/ so, daß der Strom, der an einer Klemme 66 kombiniert wird, sich wieder gleichmäßig an der Klemme 68 der Eingangsklemme für den Stromfluß durch die dritte Stufe des Verstärkers aufteilt. Bei dieser Anordnung spannt jede Verstärkerstufe anfangs die Kryotrone in der nachfolgenden Stufe auf den Arbeitspunkt »o« von F i g. 5 und 6 vor.

Mit den Toren 42 e bzw. 42/ sind zwei Spulen W 4 und Wl mit konstanter Ganghöhe in Reihe geschaltet, die ähnlich arbeiten wie die gleich bezeichneten Spulen in Fig. 2. Diese Spulen, die zugeordnete Tore Gl und G 4 steuern, können die Eingangs-

ίο

spulen zu einer Kryotron-Flip-Flop-Schaltung sein, deren Wirkungsweise oben in Verbindung mit F i g. 2 erklärt worden ist. Sie sind so dimensioniert, daß der Strom i/2 nicht genügt, um die Tore aus dem supraleitenden in den normalen Zustand zu treiben. Wenn also der Flip-Flop einmal in einen seiner stabilen Zustände gebracht worden ist, wird er durch den die Spulen Wl und Wl durchfließenden Strom i/2 nicht beeinflußt.

Der Schaltung werden an den Klemmen 54 a und 546 von den Signalquellen 53 α und 53 6 Eingangssignale zugeführt, z. B. +Ai an Klemme54a und —Δι an Klemme546. Als Folge eines solchen Signals wird der Strom durch Tor 42 a und Spule 40 c

Stufen eingeschaltet werden. Die Eingangssignale werden an die Klemmen 54 a und 546 angelegt. Ein Signal vom Wert Eins schaltet nur das an die dritte Stufe angeschlossene Flip-Flop um, ein Signal vom Wert Zwei auch das an die zweite Stufe angeschlossene Flip-Flop und ein Signal vom Wert Drei alle drei Flip-Flops.

Eine andere Ausführung der Verstärkerschaltung, in der eine positive Rückkopplung verwendet wird, ist in F i g. 9 veranschaulicht. Hier ist nur eine einzige Stufe dargestellt, obwohl natürlich mehrstufige Vorrichtungen in der in F i g. 8 gezeigten Art und Weise aufgebaut werden können. In F i g. 9 sind der Schaltung von Fig. 7 zwei Kryotrone veränderlicher

von i/2 auf einen Wert von i/2 + g Δ i erhöht, wenn g 15 Ganghöhe, die die Spulen 70 a und 70 & und die

den Verstärkungsfaktor der verwendeten Kryotrone mit veränderlicher Ganghöhe darstellt. Der Strom durch den anderen Pfad der ersten Stufe, der das Tor 42 b und die Spule 40 d umfaßt, wird um einen ähnlichen Wert vermindert. Diese Änderung im Stromfluß durch die Spulen 40 c und 4Od führt zu einem höheren Verstärkungsfaktor, da dadurch der Strom i an Klemme 64 so aufgeteilt wird, daß ein Strom von i/2 +g² Ai durch das Tor 42 d und die Tore 72 α und 72 b umfassen, zugefügt worden. Diese Kryotrone sind mit den Eingangskryotronen über Kreuz gekoppelt, und zwar sind die Spule 706 und das Tor 72 a in dem einen der Parallelpfade in Reihe mit dem Tor 42 b geschaltet, und die Spule 70 α und das Tor 726 sind in dem anderen Parallelpfad in Reihe mit dem Tor 42 a geschaltet. Diese Kreuzkopplung bewirkt die gewünschte positive Rückkopplung. Zum Beispiel wird der Strom durch das Tor 42 a

Spule 4OjE und ein Strom von i/2 — g² Δι durch das 25 durch eine Verminderung des Stroms durch die Spule

Tor 42 c und die Spule 4Oe fließt. Der Verstärkungsfaktor wird weiter erhöht durch die Kryotrone der dritten Stufe, und zwar wird der Strom an der Klemme 68 so aufgespalten, daß ein Strom von i/2 + g³ Δ i durch das Tor 42 e und die Eingangsspule W 4 des Kryotron-Flip-Flops und ein Strom von i/2 — g³ Ai durch das Tor 42/ und die andere Eingangsspule Wl des Kryotron-Flip-Flops fließt. Da der Verstärkungsfaktor für das hier besprochene Kryotron mit veränderlicher Ganghöhe gleich 2 ist, stellt dies eine Verstärkung des Stromflusses durch die Spule W 4 und eine entsprechende Verminderung durch die Spule Wl dar, die um einen Faktor 8 größer ist als die an die Klemmen 54 a und 54 & angelegten Eingangsstromimpulse Δ i. Wenn z. B. für die Überschreitung der kritischen magnetischen Feldstärke, die nötig ist, um die Eingangskryotrone des Flip-Flops umzuschalten, ein Strom erforderlich ist, der stärker als i/2 + 4 Ai ist, gestattet die Verstärkerschaltung die Umschaltung des Kryotrons mit einem Impuls, der ein Viertel dieser Stärke hat, ohne daß es nötig ist, die Eingangssteuerspulen auf einen Punkt vorzuspannen, bei dem eine stabile Arbeitsweise äußerst kritisch wird.

Die Verstärkerschaltung braucht natürlich nicht für den Betrieb einer einzigen Flip-Flop-Schaltung verwendet zu werden, der nur eine von vielen möglichen Anwendungen ist. Es können z. B. die Kryotrone konstanter Ganghöhe, die die Spulen W 4 und Wl und die Tore G4 und Gl umfassen, durch Kryotrone veränderlicher Ganghöhe ersetzt werden und der Ausgang durch eine Spannungsanzeige der Veränderung des Widerstandes in den Toren dieser Kryotrone mit veränderlicher Ganghöhe bei Anlegung verschiedener Stromeingangswerte an die Klemmen 54 a und 546 abgenommen werden, um im Gegentakt an die Klemmen 54 a und 546 angelegte Wechselstromsignale zu verstärken.

Die Ausgangssignale können auch von jeder der 40 a verstärkt. Dieser verstärkte Strom fließt durch die Spule 70 a und erhöht dadurch den Widerstand des Tores 72 a und damit des anderen Parallelpfades. Hierdurch wird natürlich der Stromfluß durch das Tor 42 a weiter verstärkt. Bei der Konstruktion der Rückkopplungskryotrone muß sorgfältig vorgegangen werden, wenn die Schaltung als Verstärker arbeiten soll, um den Betrag der Rückkopplung unter denjenigen zu beschränken, der die Schaltung instabil machen würde.

Wenn sehr große Stabilität und Bandbreite erwünscht sind, laßt sich eine negative Rückkopplung dadurch erreichen, daß das Tor 42a sowohl mit der Spule als auch mit dem Tor eines der Rückkopplungskryotrone in Reihe geschaltet wird und daß das Tor 426 sowohl mit der Spule als auch mit dem Tor des anderen Rückkopplungskryotrons in Reihe geschaltet wird. Bei einer solchen Anordnung vermindert sich natürlich der Verstärkungsfaktor der Schaltung.

Fig. 10 zeigt ein Kryotron, das sich insofern von dem in Fig. 4 dargestellten unterscheidet, als zwei Wicklungen 70 und 71 dem Tor 72 zugeordnet sind. Die Wicklungen 70 und 71 haben dieselbe veränderliche Ganghöhe wie die Wicklung 40 und sind nebeneinandergewickelt, so daß die Eigenschaften dieses Kryotrons dieselben sind wie die der oben beschriebenen Kryotrone mit veränderlicher Ganghöhe mit der Ausnahme, daß der gesamte Steuerstrom I₁ gleich der algebraischen Summe der Ströme i_b und i_c ist. Solche Kryotrone können an Stelle der Einzelkryotronen in der erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung verwendet werden, z. B. können die Vorspannungsstromquelle mit der Wicklung i_b und die Steuersignalquelle mit der Wicklung i_c verbunden sein.

Eine weitere abgewandelte Ausführung, in der sowohl die Stromsteigerung in einem der Parallelpfade als auch die Stromminderung in dem anderen Parallelpfad vorteilhaft verwendet werden, ist in Fig. 11 dargestellt. Der hier gezeigte Grundverstärker ist der

Stufen abgenommen werden, so daß die Anordnung 65 von Fig. 7, die Ausgangsanordnung von Fig. 11

als Analog-Digital-Wandler arbeitet. So können z. B. kann aber auch zusammen mit jeder beliebigen der

die Eingangsspulen von Kryotron-Flip-Flops des in hierin beschriebenen Ausführungen verwendet wer-

F i g. 2 gezeigten Typs auch in die ersten beiden den. Der Ausgang des Verstärkers dient zum Steuern

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des Widerstandszustandes eines Torelementes Gl, welches eines der Eingangstore für ein Kryotron-Flip-Flop, wie es z.B. in Fig. 2 gezeigt ist, sein kann. Dieses Tor wird durch zwei Steuerwicklungen WIa " und Wl b gesteuert, die mit den Toren 42α bzw. 42 6 in Reihe geschaltet sind. Die Wicklungen WIa und WIb sind gegenläufig gewickelt, so daß durch einen Strom durch das Tor 42a und damit durch die Wicklung WIa ein magnetisches Feld in der einen Richtung und durch einen Strom durch das Tor 42 b und damit die Wicklung WIb ein Feld in der entgegengesetzten Richtung auf das Tor Gl einwirkt. Wenn der Verstärker in seinem Ausgangszustand ist, in dem gleiche Ströme von je i/2 in jedem Parallelpfad fließen, heben die durch diesen Stromfluß durch die Wicklungen WIa und WIb erzeugten Felder einander auf. Wenn jedoch Eingangssignale im Gegentakt an die Klemmen 54 α und 54 b angelegt werden, wird der Stromfluß durch die eine der Ausgangsspulen verstärkt und durch die andere um denselben Wert verringert, so daß das auf das Tor Gl einwirkende Feld doppelt so stark ist wie dasjenige, welches angelegt würde, wenn nur eine einzige der Wicklungen verwendet würde. Damit wird der Verstärkungsfaktor der Schaltung durch Kombination der Felder der Ausgangsspulen, die in den Parallelstrompfaden der Verstärkerschaltung liegen, verdoppelt. Bei Verwendung einer solchen Schaltung für die Steuerung eines Flip-Flops der in F i g. 2 gezeigten Art ist ein weiterer Verstärker für die Steuerung des Eingangs zu dem anderen Tor G 4 nötig. Diese Anordnung unterscheidet sich von der in F i g. 8 gezeigten dadurch, daß erstens der Verstärkungsfaktor pro Stufe größer ist und zweitens kein Vorspannungsfeld ständig an die Tore Gl und G 4 angelegt wird. Bei Beendigung der Eingangssignale in dieser sowie in den anderen beschriebenen Anordnungen geht der Verstärker in seinen Ausgangszustand, in dem in jedem Parallelpfad der Strom i/2 fließt.

Die beschriebenen Verstärkerschaltungen können auch mit flach aufgebauten Kryotronen nach F i g. 12 betrieben werden. In F i g. 12 umfaßt die Vorrichtung eine Stützplatte 80, auf der eine Torleitung 82 und eine Steuerleitung 84 montiert sind. Die Stützplatte ist von der Torleitung durch eine Schicht aus Isoliermaterial 86 und die Torleitung von der Steuerleitung durch eine ähnliche Isolierschicht 88 getrennt. Die Vorrichtung kann durch aufeinanderfolgendes Aufbringen dünner Filme der geeigneten Stoffe in der gewünschten Form hergestellt werden. Der Torstrom z₂ wird an die Torleitung 82 und der Steuerstrom I₁ an die Steuerleitung 84 angelegt, wie es oben in Verbindung mit den drahtgewickelten Kryotronen beschrieben ist. Die Steuerleitung wird aus einem harten supraleitfähigem Material, wie Niobium, und die Torleitung aus einem weichen supraleitfähigem Material, wie Tantal, hergestellt. Die durch den Stromfluß in der Stromleitung 82 und in der Steuerleitung 84 erzeugten magnetischen Felder stehen an jeder Stelle, wo die Segmente 84 a, 84 b, 84 c und 84 d der Steuerleitung 84 die Torleitung 82 kreuzen, rechtwinklig aufeinander. Diese Felder addieren sieh daher vektoriell. Da an diesen Schnittpunkten die Torleitung aus dem supraleitenden in den normalen Zustand gebracht wird, ist die Wirkungsweise dieselbe wie für die oben beschriebenen drahtgewickelten Kryotrone. Um ein magnetisches Feld veränderlicher Stärke zu erlangen, wird die Geometrie der Segmente der Leitung 84 abgewandelt. Für jeden Wert des Stroms I₁ durch die Steuerleitung 84 verändert sich das magnetische Feld, das durch die Segmente 84 a, 846, 84 c und 84 d angelegt wird, umgekehrt zur Breite dieser Segmente. In der gezeigten Ausführung ist das Segment 84 a schmaler als das Segment 846, das Segment 84 b schmaler als das Segment 84 c und das Segment 84 c schmaler als das Segment 84 ei. Infolgedessen ist die Stromstärke Z₁, die nötig ist, um den unter dem Segment 84 α liegenden Teil der Torleitung 82 in den mit Widerstand behafteten Zustand zu bringen, kleiner als diejenige, welche nötig ist, um den unter dem Segment 84 b liegenden Teil der Torleitung 82 umzuschalten usw. Die Torleitung 82 kann also in verschiedene Zustände gebracht werden, in denen sie verschiedene Widerstandswerte hat, wenn der Steuerstrom zwischen dem Wert, der nötig ist, um einen Widerstand in dem unter dem Segment 84 a liegenden Teil der Torleitung 82 zu erzeugen, und demjenigen, der nötig ist, um einen Widerstand in dem unter dem Segment 84 t/ liegenden Teil der Torleitung zu erzeugen, liegt.

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Verstärker, bei welchem die Widerstandsänderung eines Leiters ausgenutzt wird, der durch ein von einem Steuerleiter erzeugtes Magnetfeld zwischen dem supraleitenden und dem normalleitenden Zustand umgesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vergrößerung des Übergangbereiches des Widerstandes zwischen dem supraleitenden und dem normalleitenden Zustand der Steuerleiter derart ausgebildet ist, daß das steuernde Magnetfeld im Bereich des umsteuerbaren Leiters inhomogen ist.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das steuernde Magnetfeld von mindestens einer den umsteuerbaren Leiter (42) umfassenden Zylinderspule (40) mit gleichmäßig abnehmender Ganghöhe erzeugt wird (Fig. 4).

3. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das steuernde Magnetfeld von mindestens einem parallel zum umsteuerbaren Leiter (82) mäanderförmig geführten leitenden Band (84) mit in der Umgebung des umsteuerbaren Leiters (82) gleichmäßig abnehmender Breite erzeugt wird (F i g. 12).

4. Verstärker nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das steuernde Magnetfeld von zwei gleichartig aufgebauten und parallel zueinander verlaufenden Zylinderspulen (70 und 71) bzw. mäanderförmig geführten leitenden Bändern erzeugt wird (F i g. 10).

5. Verstärker nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch die Zusammenschaltung zweier Verstärker zu einem Gegentaktverstärker, dadurch daß die beiden umsteuerbaren Leiter (42 a, 426) parallel geschaltet und an eine gemeinsame Quelle konstanten Stromes (50) angeschlossen sind und daß die beiden das steuernde Magnetfeld erzeugenden Spulen (40 a, 406) als Eingang dienen und im Gegentakt erregt werden.

6. Verstärker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Verstärker nach einem der vorstehenden Ansprüche mit ihren umsteuerbaren Leitern (42 a, 426; 42 e, 42/), und zwar jeweils über ein als Ausgang dienendes Glied

(40c, 4OJ; W 4, Wl) parallel geschaltet und an eine Quelle konstanten Stromes angeschlossen sind und die beiden das steuernde Magnetfeld erzeugenden Spulen (40a„ 40Z>; 4Oe, 40/) als Eingang dienen und im Gegentakt erregt werden (Fig. 8).

7. Verstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden als Ausgang dienenden Glieder die das steuernde Magnetfeld erzeugenden Spulen (W4, Wl) von zwei Anordnungen (G4, Gl) ähnlich der nach Anspruch 1, jedoch mit homogenem steuernden Magnetfeld, sind (Fig. 8).

8. Verstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden als Ausgang dienenden Glieder die das steuernde Magnetfeld erzeugenden, gegeneinandergeschalteten Spulen (WIa, WIb) einer Anordnung (Gl) ähnlich der nach

Anspruch 1, jedoch mit homogenem steuerndem Magnetfeld, sind (Fig. 11).

9. Verstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden als Ausgang dienenden Glieder die das steuernde Magnetfeld erzeugenden Spulen (40 c, 4Od) einer weiteren Anordnung nach Anspruch 5 sind und daß die beiden jeweils mittelbar parallel geschalteten Leiterpaare (42 a, 42 b und 42 c, 42 d) in Serie an die Quelle konstanten Stromes angeschlossen sind (Fig. 8).

10. Verstärker nach Anspruch 6 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine positive oder negative Rückkopplung angewendet wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Britische Patentschrift Nr. 666 883;
»Proceedings of the IRE«, 1956, April, S. 482 bis 493.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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