DE1449778A1 - Vorrichtung zur Anzeige des Leitfaehigkeitszustandes eines Widerstandselementes - Google Patents

Description

Neue Anmeldungsunterlogen

IBM Deutschland Int*rnetiomale Bäro-Maeehinen Uetellidiaft mbH

Böblingen, 18, Juni 1968 ru-hn

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N. Y. 10 504

Amtliches Aktenzeichens J 26 130 IXc/Zla¹ - P 14 49 778.0

Aktenzeichen der Anmelderin: Docket 10 606

Vorrichtung zur Anzeige des Leitfähigkeitszustandes eines Widerstandselementes

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Anzeige des Leitfähigkeitszustandes eines in seinem Leitfähigkei te zustand veränderbaren stromdurchflossenen Widerstandselementes, insbesondere des Torleiters eines Kryotrons.

Derartige Anzeige-vor richtungen werden z.B. in den für die Verwendung in Speicher-, Steuer- und Recheneinrichtungen der Nachrichtentechnik, der Steuer- und Regeltechnik sowie der Datenverarbeitungstechnik entwickelten Supraleiter schaltungen benötigt, um Ausgangs signale zwischen Teilschaltungen oder zu außerhalb de» Kryostaten befindlichen Auswerteeinrichtungen zu übertragen. Bisher bekannte derartige Anordnungen arbeiteten entweder mit Stromimpulsen und waren wegen der erforderlichen Koppelinduktivität in ihrer Arbeitsgeschwindigkeit beschränkt oder mit Spannungsimpulsen und benötigten aufwendige Gleichstromverstärker mit hohem Verstärkungsfaktor. Eine an sich wünschenswerte j

Spannungeverstärkung innerhalb des Kryostaten scheiterte bisher wegen der damit verbundenen Wärmeentwicklung an der extremen Temperaturempfindlichkeit solcher Supraleiter schaltungen.

Gegenstand der Erfindung ist eine Anzeigevorrichtung der eingangs genannten Art, welche gegenüber den bisher bekannten derartigen Vorrichtungen den Vorteil aufweist» daß sie schneller

BAD ORIGINAL

809813/0449 Neue lJn*f^'ⁱ*^f|o^ '^r> ' *'^Al ' "^r ^^r '* * ^^qn ^*"¹'"'""''""''⁰'³" * ° ■^if>r""

- 2 - Docket 10 δ 06

arbeitet, einfacher aufgebaut ist, weniger Stromwärme erztu-t und einen besseren Störabstand, besitzt. Dies wird erfindußgsge— ziliß dadurch erx'eieht, daß dem tv'iderstandseleraent ein monostabiler nicht-linearer Zweipol mit mindestens zwei Arbeifcsbereicnen verschiedener Leitfähigkeit parallel geschaltet ictj? ·-.. daß dieser Zweipol durch kurzer Abtastirapulse vorübergehend : in einem zweiten Arbeitsbereich umsteuerbar ist, wenn die Leitfähigkeit des. Widerstaiid-jelementes einen vorbestimmten Wert unterschreitet und daß die Dauer der Äbtastimpulse klein ist ^ gegen die induktive. Zeitkonstante der mit dem Widerstands- · element abgeschlossenen Zuleitung zum Zweipol. Damit die Abtastimpulse im wesentlichen nur den Zweipol-beeinflussen, kann in die mit dem Widerstandselement abgeschlossenen Iu- -■-leitung zum Zweipol eine Serieninduktivität eingefügt sein..

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann eine solche < - '-^; Anordnung auch als Majoritätsschaltung betrieben werden, weiche· '" erst bei einer vorbestimmten.Mindestanzahl von öingangssei-tigeh LeitfShigkeitsveränderungcn anspricht. Dies wird erfIndung-sge-' maß dadurch erreicht, daß das Widerstandselement aus der-Hinter--' einanderschaltung mehrerer Einzelelemente besteht. ■·■'■· ■■ '=^;ΰ1"^!Ϊ

Der nichtlineare Zweipol ist dabei vorteilhafterweise eir.e³-' Tunneldiode. ·..;.-.. .".

Im folgenden wird die Erfindung anhand einiger-in den böigefügten Zeichnungen dargestellter Ausführurigsbeisplele nähsr'

Es zeigen;

Fig. 1, 2 und 5 die Ausführungsbeispiele,

Pig, 5 die Strom- Spannungs-Charakteristik

• einer tunneldiode und

Pig. 4 das Impulsdiagrainrn einer Anordnung nach

Pig. I oder 2.

Die Fig. 1 und 2 zeigen als Beispiel für eine Supraleitorschaltun eine an sich bekannte Speichereinrichtung mit einer Speieher-

9813/0 44? . ^BA0

Neue

- 3 - Docket 10 605

schleife 1. Die Speicherschleife 1 besteht aus zwei parallele -weigen 3 und 5 &U3 einem harten Supraleitermaterial, z. B. Blei, welche über die Ansehlüße 9 und 11 an eine Stromquelle 7 und an Masse angelegt sind. Die Zweite 3 und 5 enthalten Ja einen Abschnitt 13 aus einem v/eichen Supairieitermaterial, ζ . B. Zinn, welcher den Torleiter Je eines Einsabekryotrons 15 oder 17 bildet. - Neben dem Torleiter 13 enthält Jedes diese=!' Eing&bekryotrons in bekannter Weise einen Steuorleiter 19 aus hartem Supraleiternaterlsl. In den Zweie 5 ist weiterhin der auf den Torleiter 25 einwirkende Ste-uerleitcr 2'ß eines Aus-Cabekryotrons Π vorgesehen, so daß der Leitfä"hi£kei"cszustand des Torleiteis 25 als Anzeige für oen in der Speicherschleife sespeichertcn üinärwert dienen kann.

Da der Strom von der Stromquelle 7 sich umgekehrt proportional zu ihrem Widerstand auf die beiden parallelen Zweige 3 und 5 aufteilt, führt stets derjenige Zweig* dessen Torleiter 13 supraleitend war, während der Torleiter 13 des anderen Zweites in den nornalleitenden Zustand überführt wurde, den gesamten Strom aus der Stromquelle 7 so lange, bis einmal sein Torleiter 13 normalleitend gemacht wird. So lanse beide Zweite supraleitend sind, bleibt eine einmeJ. eingestellte Stromverteilung unbegrenzt gespeichert. Die Arbeitsweise der Speicherschleife 1 ist demnach bistabil, und ein Speicherzustand wird durch einen Stromfluß durch e.inen bestimmten der beiden parallelen Zweige 3 und 5 dargestellt. Die Speicherschleife 1 wird durch Erregen des Steuerleiters 19 ihrer Eingabekryotrons 15 und 17 zwischen ihren beiden Speieherzustanden umgesteuert.

Da der Steuerleiter 23 des Ausgabenkryotrons 21 in c-^:.na.-n dar bellen parallelen Zweige l> und 5 liest, wird der Sccichersustand der Speicherschleife 1 durch den Leitfähigkeitssustand des Torleiters 25 dieses Kryotrons ansegelst. Der Torleiter 25 ist über die Zuleitungen 37 und 49c sowie die Anschlüsse 39 und 40 an die Stromquelle 7 sowie an Kasse angeschlossen. Wenn der Strom in der Speicherschleife 1 vollst^rä.£ in dem Zweig 5 fliesst, was dam Spe-lcherzuatand "1" entsprechen ms-s, 3*1anju üer Torleiter 25 in den normaileitenden Zustand und es füllt an ihm eine Spannung V. ab. Uenn umgekehrt der Stro:.:

tO3

Neue Änmeldyngsuntenagen

- 4 - Docket 10 606

in der Speicherschleife 1 vollständig durch den Zweig 3 fliesst (Zustand "0"), so verbleibt der Torleiter 25 im supraleitenden Zustand und es fällt keine Spannung an ihm ab.

Der Speicherzuctcnd der Speicherschleife 1 bzw. der Ihrn zugeordnete Leitfähigkeitszustand des Torleiters 25 wird durch eine Anordnung nach Pi's. 1 an den ausserhalb des Kryostaten ^5 gelegenen Abfühl verstärker 41 und. durch eine Anordnung nach Fig.2 an eine weitere derartige Speicherschleife übertragen. Die hier-• für erforderliche Koppelvorrichtung besteht aus der auf die gleiche ünta^la^i 31 aufgebrachte und dem Torleiter 25 über die Zuleitung 49a und 49b parallel geschalte te Tunneldiode 45. Die Scricninduktivität 47 ist dabei entweder die Streuinduktivitiit der Zuleitungen 49a und 49b oder eine zusätzlich eingefügte Induktivität. Die Parallelschaltung aus dom Torleiter 25 und der Tunneldiode 45 ist il'oer die übsrtra.£un£,sleitung 51 ε-** einen ausserhalb des Kryostaten j-,5 eelagenen Inpulsserierator 53 an^csohlcssen und über eine* v.-citei-e ÜbertragunGsleitur-s 55e- oder 55b mit der Einheit verbündet;, an welche der Speicherwert der Speicherschleife 1 übertreten werden soll. In Fig. 1 ist dies der Abfühlverstärker 41, in Piß. 2 der Steuerleiter 19* des Eincabckryotrcns 15* einer weiseren Speichorschleife 1¹, welche sich auf einer anderen Unterlage 27* befindet.

Zum Ablesen wird über den niedarohnilsen Impulsgenerator 53 entweder ein Einzel impuls oder, wie in Fit;. 4c njezej-o't j__st, . eine Impulsserie an die Parallelschaltung von Torleiter 25 und Tunneldiode 45 BnQeIeQt. Die Dauer eines Abtastinipulses 57 ist klein gegen die induktive 2-eitkonstante des Torleiters 25 una der Serieninduktiviuät 47, so daß der Abtastinipuls nahezu vollständig durch die Tunneldiode 45 fliesst.

'.'oi.ii der Torleiter 25 iai ncrmalleitenderi, wid erst and sbehaf tti'oen Zustand ist (Speichorv/ert 1), "so wird in Pig. 3 der hieraus

809813/CH49

N6Ü

- 5 - JDoclcc-c 10 βθβ

resultierende Vorstroni I^ durch den Ab'cast impuls unters tür zz, so daß beiden den. HÖckerstroni I. überschreiten und die- Tunneldiode 45 in ihren Zustand hoher Spannung gelan^'i;. V/enn dagegen der Torleiter 25 supraleitend ist {Speichersustand ⁿO"), so ist die Tunneldiode 45 nicht vorgespannt und die Abtastimpulse können die'Tunneldiode lediglich auf ihrem im Zustand Modriger Spannung gelegenen Ast hin und zurück aussteuern, wGdtircii<nur ein kleiner Störimpuls 6j5 Entsteht. Wenn der Torleiter 25 z· 3· zur Zeit T₀ supraleitend ist, so wird der Vorstrom der Tunneldiode 45 von der Stromquelle 7 aurch den Torleiter kurz geschlossen und die Tunneldiode ist nicht vorgespannt, sondern im Punkt a ihre Strom-Spannungs-Charektaristilc 01 nach Pig. j5. Da in diesem Zustand kein Strom durch die Tunneldiode 45 fliesst, wird auch keine l.'ärme erzeugt und an deti Kryostaten 35 abgegeben. Die Abtastimpulse 57 steuern die Tunneldiode 45 bis zum Punkt b aus. Sie sind daher nic.it in der Lage, den Höckerstrom I₍. zu überwinden, so daß die Tunneldiode nach Beendigung des Abtastimpulses zum Punkt a zurilckyelangt. Die an den dynamischen Widerstand der Tunneldiode, abfallende Spannung V₁ verursacht in "Fig. 4d lediglich kleine Störimpulse 65 auf der Übertragungsleitung 35a oder 55b. Da der Widerstand deiJTunneldiode 45 sehr viel Geringer ist als der Wellenwiderstand der Übertragungsleitung 51 * werden die Abtastimpulse 57 mit umgekehrter Polarität als negative Impulse 59 in Fig.^c reflektiert.

Zwischen den Zeiten T_Q und T₁ werden durch den Steuerleiter 19 des fiingabekryotrons 15 eine binäre "1" in die- Speicherschleife 1 eingeschrieben. Dadurch gelangt der Torleiter 25 in seinen normalleitenden Zustand und spannt die Tunneldiode 45 auf den Wert I, vor. Infolge der Induktivität 47 und des dynamischen Widerstands der Tunneldiode steigt ihr Verström, wie bei 65 in Pig. 4b angedeutet, exponentiell an. Die Tunneldiode gaLanst sun Punkt c ihrer Charakteristik 61. Die Widerstsndsgerade 67 wird dabei im wesentlichen durch den 'Widerstand des Torleiters 25 im normalleitenden Zustand bestimmt. Die von der Tunneldiode im Punkt c erzeugte Wärme ist so gering, daß sie vernachlässigt wei"den knnn. Der Vorstrom I. muß für einen einwandfreien monoctabllen Betrieb lediglich der Bedingung genügen, daß er größer als der Talstrfim.T und kleiner

6 - Locket 10 6o6

als der Höekerstroin I ist.

Der nächste Abtastinipuls 57 zur Zeit T- unterstützt den Verstrcüi I. und schaltet die Tunneldiode in ihren Zustand hoher Spannung um. Die Amplitude des Abt as t impulses 57 Kiui3 dabei *""* etwas größer sein als die Differenz zwischen den Küekerstroza I„ und άοω Vastrom 1^. Z?ieekniZii3iäex*weise wird der VorötroiB

y D ■

1 etx\ra 2U einem Sechstel des Höekerstrorns I, gewählt, um P - P ■-·■■.·..

ausreichende Abtastimpuls-Toleranzen zulassen zu können.

Wenn die Summe I. des Vors trams I. und des Abtastinipulses nur v/enig großer als der Höckers trorn I ist und üelastungseffekte

P- ■

zu vemachlässigen sind, gelangt die Tunneldiode ¹Pj, zum Punkt d ihrer Charakteristik öl, uo sie so lange verbleibt., b*s der Abtastilapuls 57 abklingt. Danach duruhv:andert die Tunneldiode ihren Bereich hoher Spannung vom Punkt d über Punkt e zürn Tal Pujdct ν mit einer Geschwindigkeit, die von d^r Induktivität 4Y und aen\ dynamischen Widerstand der Turü'i&ldiode abhänst. Die Ausüan^sspannuns Über der Tunneldiode ist jedoch relativ konstant und hat etwa den Wert V₂ in Fig. 4c. Wenn der S tr on in der Tunneldiode auf einen Wert unter dem Talstroiü X,_r abgesunken ist, splngt die Tuimeldiode in ihren Dereich x_Aiedri^er ' Spannung, und zwar ^ura Punkt f auf ihre Charr-üvteristik 61. Und gelangt sohließlicii, da sxe aurch die V.'idertit^ids^erade 67 auf monostabiie Arbeitsweise einsesteilt -ist, zu ihrem stabilen Arbeitspunkt c zurück. Auf diese Weise ist das sehwache Signal V₁ am Torleiter 25 gleichsam verstärkt und in den kurzen Inforrnationsimpuls 09 von Fis· 4d umgewandelt worden. Dieser Informationsimpuls 69 wird entweder über die Über leitung 55a zura Abfühlverstärker 41 oder über die leitung 55b zum Steuerleiter 19* des Einsabekryotrons 15* Übertrafen.

In der Anordnung nach Fig. 1 erhöht die ünuiandiunc des schv/achen Gleichstrornslsnal3 am Torieicer £5 in einem verstärktun Informations iinpuis Ö9 ain Anfang der Ubertraguiiissleituiiü 55a ganz beträchtlich den Störabstand der Anzeigevorrichtung ^ecenüber bekannten ßleiehstromgekoppelten An^eigevorriehtunken, in denen

809813/0 449 bad

"' Heue Anm'eidurigsunterlcc-:?:

- 7 - Docket 10 60S *

eine Verstärkung des Inforisatior;csi£nais erstmalig aus serhalb des Kryostaten J5 erfolgt-. Dadurch v/ird der sonst Tür die Unterseheidung einer binären "1" erforderliche kostspielige und umfangreiche äussere Schaltunssaufwand vermieden.

Ba die InformatSonsiinpulse 69 nicht nur auf der ÜbertracurGoleitung 55» sondern euch auf der Übertragungsleitung 51 auftreten, kann der Impulsgenerator 53 gleichzeitig als Abfühl verstärker ausgebildet sein. Hierdurch v/ird der Anschluß an die Supräleiterschaltung vereinfacht, ebc-r der Gesr.ritaufviand durch die erfordex\Liche Unterscheiduns von Ab test- und Informationsimpulsen rnöslicherwoise vergrößert.

In der Anordnung nach Fi£. 2 ist die Tunneldiode -4-5 über die übertrcijiunssleituno 55b Mit den Steuerlcitcr 19¹ uss EXnscbckryotrons 15* parallel cesclifcj&rt. Tn die Übej.'trc.3un;-vsleitunr 55b ist ein iViderstand 75 eingeschaltet, un einmal ?:u vorKisiden, caß dt.r stets supraleitende S^cuerloitor 19* die Parallelschaltur»c von Torieiter ?5 urid^Tunneldioäe 45 kurr. schließt, und um zum anderen zu erreichen, da.3 der Snannunjsprur^ einer Tunneldiode iit eine-n großen Stro;t:sprun3 unjev;r-r:uelt '.;ii-d, wenn die Tunneldiode durch einen Abts-stira^uls 57 'in ihren zustand hoher Spannung un^eschßltet viird. Kiei-durch gelangt aie Tunneldiode auf einen Punkt im Tal ihrer Chcrc-k^eristi!: in die iiähe des Punktes v. Während des Speicher: ustaiides "0", vicnn öin Abtastir.puls 57 die Tunneldiode 45 lcdirlich r.v.-ischcn ihrcxi Punkten a und b auf der Cliax'öktc-risuik 61 aussteuert, ist der Strom la Steuerleiter 19* kleiner als der zürn U.-steucrn des Torleiters 13¹ erforderliche kritische Viert. Lor Stroir. von der Stromcuelle 7 fliesst dchei· v/ciiterliin durch der. 'Ζ\;ζ±ζ J* und die Speicherschleife 1* verbleibt in ihre:n Zustand "0". Mann jedoch der Torleiter 25 in seinem noi'malieitencien Hustaud ist und damit den 3peicher2.usta.nd "1" Ejri-sei:;t, verursach« das Umschalten der Tunneldiode 45 durch einen Pbtantimpuls 57 einen Strom im Steuerleiter 19¹* der mindestens diesen kritischen Wort erreicht und damit den zvii;chörir;i?n Torleiter 1^* in seinen ncraalleitendon Zustand umschaltet und de;i Strom von der Stromquelle 7 in den Zweig 5* umleitet, v.'cdurch die Speicher-

809813/0449 bad or.ginal

schleife 1¹ in ihren Zustand "1" gelangt. Nach Beendigung dieses Vorgangs gelangt der Torleiter 13' zwar in seinen supraleitenden Zustand zurück, der Strom von der Stromquelle 7 fliesst jedoch weiterhin durch den Zweig 5'. Wegen des relativ hohen Ausgangswiderstandes der Tunneldiode 45 und wegen der relativ großen Amplitude des Informationsimpulses 69 werden der Einfluß der Induktivität von Übertragsleitung 55b und Steuerleiter 19' wesentlich verringert, wodurch die Übertragung mit sehr hoher Geschwindigkeit erfolgt.

Die Anordnung nach der Erfindung kann nach einem weiteren Merkmal auch als Majoritätsschaltung betrieben werden. Eine derartige Anordnung ist in Pig. 5 gezeigt. Hier ist die Tunneldiode 45 " parallel zu einer ungeraden Anzahl von Torleitern 25" geschaltet, welche in Serie an die Stromquelle 7" und Masse angeschlossen sind. Die Arbeitsweise der Anordnung nach Pig. 5 ist im wesentlichen gleich derjenigen der Anordnung nach Pig.1. Wenn mindestens eine vorbestimmte Anzahl von Speicherschleifen im Speicherzustand "1", die entsprechenden Steuerleiter 23" erregt und die zugehörigen Torleiter 25" in den normalleitenden Zustand überführt sind, erhält die Tunneldiode 45" mindestens den Vorstrom I, , aber weniger als den Höckerstrom I von Pig.3. Unter diesen Umständen kann ein Abtastimpuls 57 auf der Übertragungsleitung 51" über den Höckerstrom I hinaus umschalten, so daß ein Informations impuls 69 an die Übertragungsleitung 55" weitergegeben wird. Wenn jedoch weniger als diese vorbestimmte Anzahl von Torleitern 25'· im normalleitenden Zustand sind, erhält die Tunneldiode 45" einen Vorstrom, der geringer ist als der Wert I, und damit nicht ausreicht, um zusammen mit einem Abtastimpuls 57 die Tunneldiode 45" über den Höckerstrom I hinaus umzuschalten. Unter diesen Umständen entstehen auf der Übertragungsleitung 55'* lediglich kleine Störimpulse 63.

Die Anordnung nach Pig.5 kann in bekannter Weise zum Realisieren von logischen Grundverknüpfungen verwendet werden. So kann z.B. zum Realisieren der Verknüpfungen ODER und UND die genannte vorbestimmte Anzahl zu zwei gewählt und jeweils einer

809813/0

- 9 - Docket 10 βθβ

der Torleiter 25" stets im noraalleitenden bzv/. stets im supraleitenden Zustand gehalten werden.

809813/QU9

Claims (2)

1. N6Ü6

   Bocket 10 βθό

   29. Juni* t964

   Sü-fr

   ?r tentans orüoho

   Vorrichtung zur Anzeige ties Leitx'äiiigkeltsaustandes eines in seinem Lelti'ähi&'keitszustand voränderbaren strorndurchriossenen Widerstandselementes, insbesondere des Chorleiters eines Kryotrons, dadurch gekennzeichnet, daß dem Widerstandscleraent (25) ein nonostabiler nichtlinear-er Zweipol (45) ziit mindestens zwei Arbeitsbereichen verschiedener Leitfähigkeit parallel geschaltet j._st, daß dieser Zweipol (45) durch kurze Abtastirnpulse (57) vorübergehend in einen zweiten Arbeitsbereich umsteuerbar ist, uenn die Leitfähigkeit des Widerstandselementes (25) einen vorbestinaritcn. Wert unterschreitet und daß die Dauer der Abtastimpulse (57) klein 1st ge^en die induktive Zeitkonstante der mit dem Widerstandselement (25) Zuleitung (49a, 49b) zum Zweipol (45).
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die mit dem Widerstanaselement (25) abgeschlossene Zuleitung (49a, b) aura Zweipol (45) eine Serieninduktivität (47) ein-. gofi'-.t ist.

   ~$. Anorwiiuns nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement (25) aus der Hintereinanderschaltung mehrerer Einzelelemente (25") besteht.

   809813/CU49

   IC νίν^ο

   ^. A.iorar*uriS nach Anspruch 1, 2 oder'5» dadurch ^ekcnnsoichiiet, daß eier nichtlincare Zweipol (45) eine Tunneldiode ißt.

   809813/0AA9