DE2448051A1

DE2448051A1 - Logische universalbaugruppen mit einem josephson-tunnelkontakt

Info

Publication number: DE2448051A1
Application number: DE19742448051
Authority: DE
Inventors: Dennis James Herrell
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1973-10-30
Filing date: 1974-10-09
Publication date: 1975-05-07
Also published as: IT1020148B; FR2249502A1; JPS5075761A; FR2249502B1; CA1024608A; JPS5341060B2; NL7414138A; GB1441509A; DE2448051C2

Description

Böblingen, den 3. Oktober 1974 te/bs

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N. Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anitielderin: YO 972 120

Logische üniVersalbaugruppen mit einem Josephson-Tunnelkontakt

Die Erfindung betrifft logische Universal-Baugruppen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die physikalischen Grundlagen und Anwendungen von Josephson-Kontakten sind in einem Artikel von J. Matisoo beschrieben, der in dez Zeitschrift IEEE Transactions on Magnetics, Band Mag. - 5, Nr. 4, Dezember 1969, auf den Seiten 848 bis 874 erschienen ist.

!Ein Kontakt, der im wesentlichen aus einer zwischen zwei supraleitenden Elektroden angeordneten Tunnelgrenzschicht besteht, die genügend dünn ist, um einen Josephson-Tunneleffekt zu erlauben, befindet sich in einem supraleitenden Zustand, solange die durch ihn ,fließenden Ströme einen maximalen Strom I nicht überschreiten.

!Die Tunnelgrenzschicht kann aus einem Oxid bestehen, das typischerweise 10 bis 15 8 dick ist. Für Josephson-Ströme, die über (diesen Wert I hinausgehen, schaltet der Kontakt in einen nichtjsupraleitenden Zustand um, und es erscheint ein Spannungsabfall

^über den Kontakt von ν = 2Δ, wobei 2Δ die Energielücke angibt.

Der Wert von I hängt von den Magnetfeldern ab, die den Kontakt

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durchdringen. In den Pign. 13 und 18 des angegebenen Artikels sind zwei Diagramme der Abhängigkeit des Stromes I vom Magnet feld im Fall eines Josephsonkontakts angegeben.

Die Umschalteigenschaften von Josephson-Tunnel-Kontakten können zur Herstellung von logischen Verknüpfungsgliedern ausgenützt werden. Hierzu wird das den Kontakt durchdringende Magnetfeld mit Hilfe von Steuerströmen in supraleitenden Steuerleitungen verändert, die in unmittelbarer Nachbarschaft isoliert vom Tunnelkontakt angeordnet sind. Wird der Kontakt von einem Arbeitsstrom I durchflossen,so bleibt er so lange supraleitend, wie der Wert von I kleiner ist als der Maximalwert I . In diesem Fall bleibt der Kontakt in seinem Zustand ν = O, d. h. am Kontakt fällt keine Spannung ab. Durch Veränderung des Steuerstroms I und der daraus resultierenden Änderung des Magnetfeldes im Kontakt l£ßt sich der

Wert von I auf einen Wert kleiner als I herabsetzen. Unter dient g

sen Umständen schaltet der Kontakt in seinen Zustand ν = 2Δ um. In einem zum Kontakt parallelliegenden Stromkreis mit einem Widerstand R fließt dann bei jedem Umschalten des Kontakts Ausgangsstrom 2A/R. Beaufschlagt man nun die Steuerleitungen entsprechend der gewünschten logischen Verknüpfung, so kann das Josephsonelement als logisches Verknüpfungsglied verwendet werden.

Ein bekannt gewordenes Verfahren hierzu besteht darin, Steuerströme an verschiedene Steuerleitungen in unterschiedlicher Stromrichtung anzulegen. In diesem Fall wird das Umschaltverhalten des Kontakts durch das resultierende Magnetfeld bestimmt, das den Kontakt durchsetzt; dieses Gesamtfeld besteht im wesentlichen aus einer Feldkomponente in einer ersten Richtung, die von den Steuerströmen in der einen Stromrichtung erzeugt wird, abzüglich der Magnetfeldkomponente in einer zweiten Richtung, die von den Steuerströmen mit einer zweiten Stromrichtung erzeugt wird. In den bekannten Einrichtungen dieser Art gibt es nur eine einzige Umschaltrichtung, d. h. um den Tunnelkontakt vom Zustand ν = O

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in den Zustand ν = 2δ umzuschalten, darf das resultierende Magnetfeld nur in einer bestimmten Richtung angelegt werden, um den Arbeitspunkt des Kontakts aus den Bereich unterhalb der Verstärkungskurve in der vorbestimmten Richtung herauszuführen.

Zum Aufbau von logischen Verknüpfungsnetzwerken werden im allgemeinen mehrere verschiedene Verknüpfungsglieder benötigt. Die verschiedenen Typen von Verknüpfungsgliedern, beispielsweise ODER-Glieder, UND-Glieder sind dabei verschieden aufgebaut. Die verschiedenen logischen Verknüpfungsfunktionen können mit Hilfe von Josephson-Schaltkreisen durch entsprechende Wahl der Steuerströme I , der Arbeitsströme I , der Steuervorströme und der Geoc g

metrie des Kontakts erhalten werden.

Im bisher bekannt gewordenen Stand der Technik sind zwar Anordnungen enthalten, die auch komplexeren Punktionen als die elementaren logischen Verknüpfungen UND, ODER, NAND, NOR erfüllen (wobei normalerweise die einzelnen Komponenten des Magnetfelds alle in der gleichen Richtung angelegt werden); insgesamt sind aber zum Aufbau eines allgemeinen logischen Verknüpfungsnetzwerkes noch eine beträchtliche Anzahl von verschiedenen Baugruppen erforderlich, die alle verschiedene logische Funktionen erfüllen.

Die vorliegende Erfindung stellt sich dementsprechend die Aufgabe, eine universell verwendbare logische Baugruppe anzugeben, die einfach strukturiert ist und alle elementaren logischen Verknüpfungen realisiert.

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch gekennzeichnete Erfindung gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Die von der Erfindung erzielten Vorteile liegen auf technischem und auf wirtschaftlichem Gebiet. Die allgemeine Anwendbarkeit der

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logischen Baugruppe ermöglicht den Aufbau von komplexen Schaltungen mit nur einem Bauelement, was zu flexiblen und regelmäßig strukturierten Anordnungen führt. Die Verringerung der Zahl der Bauelemente führt außerdem zu erhöhten Stückzahlen und damit zu verbilligter Herstellung und einfacherer Lagerhaltung.

Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, daß zur Steuerung des Josephson-Kontakts sich überlagernde Magnetfelder verschiedener Richtung verwendet werden, die je nach Ansteuerung so auf den Kontakt einwirken, daß der Arbeitspunkt des Kontakts in zwei verschiedenen Richtungen aus dem Bereich unterhalb der Verstärkungskurve ( d. h. aus dem supraleitenden Bereich) herauswandern kann. Besitzt der Kontakt eine asymmetrische Verstärkungskurve, so kann er durch Anlegen der Magnetfelder in zwei verschiedenen Richtungen verschiedene logische Funktionen ausführen.

Außerdem kann mit Hilfe der vorliegenden Erfindung die logische Funktionsweise des Kontakts durch das Umdrehen der Stromrichtungen in den Steuerleitungen verändert werden. Hierzu wird ein Kontakt mit asymmetrischer Verstärkungskurve und einer Vielzahl von Steuerleitungen verwendet, in denen die Steuerströme entweder parallel oder antiparallel zum Arbeitsstrom durch den Kontakt fließen. In beiden Fällen führt der Kontakt dann verschiedene logische Funktionen aus.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Flg. 1 eine schematische Darstellung eines Logikkreises mit einem Josephson-Kontakt,

Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Verwendung

eine Josephson-Tunnelkontakts mit asymmetrischer Verstärkungskurve für Logikschaltungen mit mehreren Einstellmöglichkeiten,

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Fig. 3 ein Blockdiagramm eines logischen Netzwerkes,

das aus verschiedenen Punktionaleinheiten(Baugruppen) besteht, die alle identische Struktur aufweisen,

Fig. 4 eine schematische Darstellung des logischen Netzwerkes nach Fig. 3,

Fig. 5 ein Blockdiagramm einer logischen Einheit mit

gemischten Eingängen und einem Josephson-Tunnelkontakt,

Fig. 6 ein Blockdiagramm eines Schaltkreises zur binären Addition mit einer Vielzahl von logischen Einheiten mit gemischten Eingängen,

Fig. 7 ein Blockdiagramm eines logischen Netzwerkes zur

Erzeugung einer logischen Verknüpfung, welche an eine der Eingänge des in Fig* 6 gezeigten Additionskreises angelegt wird,

Fig. 8 ein Blockdiagramm eines Schaltkreises mit einer

Vielzahl von Josephson-Tunnelelementen zur Erzeugung des Übertrags in einem Binäraddierwerk,

Fig. 9 ein Blockdiagramm einer anderen Ausführungsform

eines Addierwerkes,

Fig. 10 die schematische Darstellung eines Josephson-

Tunnelkontakts, der als NOR- oder als NAND-Verknüpfungsglied verwendet wird,

Fig. 11 ein Blockdiagramm zur Darstellung der zeitlichen

Reihenfolge der angelegten Eingangssignale und

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der Vorströme für die logischen Einheiten eines Verknüpfungsnetzwerkes, das aus Verknüpfungsgliedern der in Fig. 10 gezeigten Art besteht.

In Fig. 1 ist ein Schaltkreis mit einem Josephson-Kontakt in schematischer Weise aufgezeichnet. Der Kreis besteht aus einem Josephson-Tunnelelement 10, den Supraleitern 12 und 14 für die Zuführung eines Arbeitsstromes zum Tunnelelement, aus einer Stromquelle 16, aus Steuerleitungen 17, 18 und 19 und aus einem Parallelzweig mit den Supraleitern 20 und 22 und dem Widerstand 24.

Der Josephson-Kontakt besitzt eine asymmetrische Verstärkungskurve; diese veranschaulicht die Abhängigkeit des maximalen Josephson-Stroms I durch das Element vom angelegten Steuerstrom I (Fig. 2). Vorzugsweise wird der Schaltkreis nach den bekannten Herstellungsmethoden für Josephson-Elemente mit mehreren Steuerleitern und einer asymmetrischen Verstärkungskurve aufgebaut. Der in Fig. 1 enthaltene Parallelzweig läßt sich mit den üblicherweise bekannten Herstellungsverfahren realisieren. Die Supraleiter 20 und 22 haben typischerweise die Eigenschaften von Übertragungsleitungen; ihre charakteristische Impedanz beträgt Z_Q. Der Wert des Widerstands 24 wird dann zu 2·Ζ gewählt. Der an das Josephson-Element 10 angeschlossene Kreis wird üblicherweise mit einer Impedanz abgeschlossen, um Reflexionen beim Umschalten des Elementes 16 zu verhindern.

Der wesentliche Vorteil eines Josephson-Kontakts mit einer Mehrzahl von Steuerleitungen besteht in seiner Fähigkeit, mehrere verschiedene logische Funktionen durchzuführen. In der Darstellung von Fig. 2 ist der gesamte Steuerstrom (Strom in 17, 18 und 19) auf der Abszisse aufgetragen und auf der Ordinate der maximale Josephson-Arbeitsstrom. Bekanntlich liegt ein Teil jeder Steuerleitung direkt über dem Kontakt 10. Ein Steuerstrom, der in diesem Teil in gleicher Richtung wie der Arbeitsstrom durch die Leiter 12 und 14 fließt, wird als positiv oder parallel zum

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Arbeitsstrom bezeichnet. Ein entgegengesetzt fließender Steuerstrom ist negativ oder antiparallel. Der Ausdruck parallel wird hier also in dem Sinn gebraucht, daß die Steuerströme sowohl parallel als auch in der gleichen Richtung wie der Arbeitsstrom fließen. Unter antiparallel versteht man einen Steuerstrom, der parallel zum Arbeitsstrom, aber in entgegengesetzter Richtung fließt.

Der maximal zulässige Josephson-Strom I wird durch das den Kontakt durchdringende Magnetfeld bestimmt, welches seinerseits in der speziellen Anordnung von Fig. 2 durch den Strom in den Steuerleitungen 17, 18 und 19 bestimmt wird. Ein Strom, der in paralleler Richtung angelegt wird, ruft ein Magnetfeld hervor, welches den Kontakt in einer ersten Richtung durchsetzt, während ein Strom in antiparalleler Richtung ein Magnetfeld erzeugt, welches den Kontakt in einer zweiten Richtung durchdringt. Die einzelnen Feldkomponenten, die von den Strömen in den entsprechenden Kontrolleitungen erzeugt werden, bilden ein resultierendes Magnetfeld. Der Betrag und die Richtung des resultierenden Feldes bestimmen den Arbeitspunkt des Josephson -Kontakts.

Ein durch die Linie 28 in Fig. 2 dargestellter Arbeitsstrom I soll an den Kreis von Fig. 1 mit Hilfe der Stromquelle 16 angelegt werden; in Abwesenheit von Steuerströmen in den Steuerleitungen 17, 18 und 19 befindet sich dann der Kontakt 10 in seinem Zustand mit ν = O. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß der Wert von I bei I_c = 0 deutlich über I liegt. In dem Parallelkreis mit den Leitern 20 und 22 wird also kein Ausgangsstrom erscheinen. Wird nun der Steuerstrom auf die Werte i, 2i, und 3i erhöht, schaltet der Kontakt in den Zustand ν « 2Δ um und es ergibt sich im Auegangskreis ein Strom I_Q = 2Δ/2Ζ-. Nimmt man die drei Steuerleitungen als Eingangssignale A, B und C und wird ein paralleler Steuerstrom der Stärke i als binäre 1 aufgefaßt, so verhält eich der Schaltkreis in Fig. 1 wie ein ODER-Glied, dessen Wahrheitetabelle folgendermaßen aussieht:

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A	B	C	O	Ausgang
O	O	1	O
O	O	O	1
O	1	1	1
O	1	O	1
1	O	1	1
1	O	O	1
1	1	1	1
1	1	1

Wird an irgendeinen der Eingänge ein paralleler Steuerstrom I angelegt, so erscheint am Ausgang das Signal für eine binäre 1 (entsprechend einem Strom der Stärke Δ/Ζ ).

Derselbe Schaltkreis verhält sich ohne irgendwelche Änderungen im Wert des Arbeitsstromes, der Steuerströme oder der Schaltkreisparameter als UND-Glied, wenn als Eingangssignale die antiparallelen Steuerströme verwendet werden. Anhand von Fig. 2 wird deutlich, daß ein antiparalleler Steuerstrom vom Wert i oder 2i den Josephson-Kontakt nicht umschaltet und somit auch kein Ausgangssignal erzeugt, daß aber andererseits ein antiparalleler Steuerstrom des Werts 3i den Kontakt umschaltet und ein Ausgangssignal erzeugt. Die Wahrheitstabelle für die UND-Funktion im Fall von antiparallelen Steuerströmen mit den Eingangssignalen A, B und C hat folgendes Aussehen:

A B C Ausgang

O 0 0 0

0 0 10

0 10 0

0 110

1 0 0 0 10 10 1 1 0 ο 1111

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Der Schaltkreis kann so ausgelegt werden, daß i = A/Z_Q; der Ausgangsstrom läßt sich als Eingangssteuerstrom für andere Josephson-Elemente heranziehen. Im bisherigen Stand der Technik war es jedoch nicht möglich, Elemente derselben Struktur für zwei verschiedene logische Verknüpfungen zu verwenden.

Mit Hilfe von Josephson-Tunnelkontakten mit parallelen und antiparallelen Eingängen können verschiedene logische Kreise aufgebaut werden. Beispielsweise läßt sich der im Blockdiagramm von Fig. 3 dargestellte logische Kreis mit drei identischen Josephson-Schaltkreisen der in Fig. 1 gezeigten Art herstellen. Der Kreis umfaßt zwei ODER-Glieder, 30 und 32 und außerdem ein UND-Glied 34. Die logische Funktion ist dabei folgende:

G = (A+B+C)·(D+E+F)

Der einzige Unterschied zwischen den ODER-Glieder 30 und 32 und dem UND-Glied 34 besteht darin, daß die Eingangssignale parallel an die Glieder 30 und 32, jedoch antiparallel an das Glied 34 angelegt werden. Die Buchstaben P und A innerhalb der Blöcke bedeuten parallel bzw. antiparallel. An das Glied 34 wird in der angedeuteten Weise ein antiparalleler Vorstrom i angelegt. Eine schematische Darstellung des Schaltkreises von Fig. 3 zeigt Fig. 4. Danach werden die Ausgangssignale der Glieder 30 und 32 zusammen mit einem Vorstrom als antiparallele Steuerströme an den Tünnelkontakt des Gliedes 34 angelegt.

Der bisher betrachtete Logikkreis mit einem einzigen Tunnelkontakt kann auch noch für andere logische Verknüpfungen verwendet werden. Werden beispielsweise zwei Eingangssignale antiparallel und eines parallel zugeführt, so lautet die logische Verknüpfung:

Ausgangssignal = C · (A + B)

Wenn gemischte Eingangssignale angelegt werden, ist darauf zu achten, daß die parallelen Eingangssignale erst nach dem Einsetz·

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en der antiparallelen Eingangssignal angelegt werden. Dies kann leicht mit Hilfe einer Verzögerung der parallelen Eingangssignale erreicht werden. Eine Möglichkeit der Verzögerung besteht darin, in die Leitung für den parallelen Eingang ein ODER-Glied zu legen. Dies ist in Fig. 5 dargestellt.

Der Schaltkreis ist Fig. 5 realisiert die oben angegebene logische Verknüpfung. Dies läßt sich anhand des Diagramms in Fig. 2 und unter Beachtung der Eingangsströme leicht nachweisen. Am Verknüpfungsglied 50 erscheint dann und nur dann ein Ausgangssignal, wenn ein Strom i dem Eingang C zugeführt wird und die Eingänge A und B ohne Strom bleiben. Das UND-Glied 52, welches vorzugsweise mit den ODER-Gliedern 30 und 32 in Fig. 3 identisch ist, (abgesehen davon, daß nur eine Eingangsleitung benutzt ist) verursacht infolge der Umschaltzeit des Kontakts in Glied 52 eine geringe Verzögerung. Die Verzögerung ist infolge des Hystereseverhaltens der Kontakte notwendig. Würde das Eingangssignal C das Glied 5o zeitlich vor den Eingangssignalen A und B erreichen, wäre das Ausgangssignal von Glied 50 fehlerhaft.

Legt man die Eingangssignale A und B parallel, das Signal C aber antiparallel an das Glied an, so ergibt sich folgende logische Verknüpfung:

Ausgangs signal == (A + B) · C + A· B

Die bisher beschriebenen Verknüpfungsglieder können zum Aufbau einer Addierschaltung verwendet werden. In der folgenden Betrachtung wird das zuletzt beschriebene Verknüpfungsglied der Kürze halber als PPA-Glied bezeichnet, das Glied nach Fig. 5 als AAP-Glied.

Vergleicht man die Wahrheitstabelle eines PPA-Gliedes mit der eines Volladdierers (SUM) , so stellt man fest, daß sich diese nur bei zwei Eingangskombinationen unterscheiden:

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A	B	C	O	SUM	PPA
O	O	1	O	O
O	O	O	1	O
O	1	1	1	1
O	1	O	O	O
1	O	1	1	1
1	O	O	O	O
1	1	1	O	1
1	1	1	1

Diese beiden Kombinationen von Eingangssignalen sind ABC und
ABC. Das unterschiedliche Verhalten läßt sich im Fall der Eingangskombination Ä" S" C beheben, wenn das PPA-Glied mit einem AAP-Glied in einer ODER-Schaltung verknüpft wird. Ein ΑΑΡ-Glied, an
dessen Eingang P das Eingangssignal C angelegt wird, liefert nur dann ein Ausgangssignal 1, wenn die Eingangssignale in der Kombination ABC vorliegen.

Im Fall der Eingangskombination ABC kann ein gleiches Verhalten der beiden Schaltkreise erzielt werden, wenn ein zweites PPA-Glied als blockiertes ODER-Glied hinzugeschaltet wird. Von dem
bisher beschriebenen logischen Addierwerk mit Josephson-Verknüpfungsgliedern ist in Fig. 6 ein Blockdiagramm wiedergegeben. Entsprechend der obigen Wahrheitstabelle stimmt das Ausgangssignal
des Verknüpfungsgliedes 60 mit der Summenfunktion überein, mit
der Ausnahme zweier Fälle. Abgesehen von diesen beiden Fällen
steuert das Ausgangssignal von Glied 60 das Ausgangssignal von
Glied 64. Wenn also keine anderen Eingangssignale an Glied 64 angelegt werden, stimmt sein Ausgangssignal mit dem Ausgangssignal von Glied 60 überein. Im Fall der Eingangskombination ABC ist
das Ausgangssignal von Glied 60 Null, die Summenfunktion erfordert aber ein Ausgangssignal Eins. Ein derartiges Ausgangssignal Eins wird jedoch vom Glied 62 an einen zweiten parallelliegenden Eingang von Glied 64 geliefert und erzeugt damit ein Ausgangssignal Eins entsprechend der Summenfunktion.

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Liegt die Kombination ABC der Eingangssignale vor, so liefert Glied 60 ein Ausgangs signal Eins,, während die Summenfunktion einen Ausgang Null erfordert» Dies läßt sich erreichen, indem die logische Verknüpfung A B C an den antiparallelen Eingang von Glied 64 gelegt wird/

Die logische Verknüpfung A B Ü, die dem antiparallelen Eingang von Glied 64 zuzuführen ist, wird von den Gliedern 70 und 72 in Fig. 7 erzeugt; der übertrag wird mit Hilfe einer einfachen Kombination von UND- und ODER-Gliedern entsprechend der Schaltung in Fig. 8 erzeugt.

Eine Addierstufe braucht nicht unbedingt entsprechend der Figuren 6, 7 und 8 aufgebaut zu sein. Eine Realisierung, in der nur vier Verknüpfungsglieder benötigt werden, zeigt Fig. 9. Die Glieder 90, 92 und 94 sind identisch mit den oben beschriebenen. Glied 96 weicht von diesen ab, sein Aufbau entspricht aber dem anhand von Fig. 1 und 2 beschriebenen. Das Verknüpfungsglied 96 ist ein Schwellwertglied und gibt nur dann ein logisches Ausgangssignal Eins, wenn zwei oder mehrere Eingangssignale den logischen Wert Eins besitzen. Eine Möglichkeit zur Realisierung dieses Gliedes bestünde darin, den Wert der Steuerströme zu ändern, welche einem Eingangssignal mit dem logischen Wert Eins entsprechen. Beispielsweise ergibt sich aus Fig. 2, daß sich der Schaltkreis von Fig. 1 als Schwellwertglied verhält, wenn jedes logische Eingangssignal einem antiparallelen Strom vom Wert 2i entspricht und ein Ausgangssignal mit dem logischen Wert Eins erzeugt, wenn irgend zwei oder mehrere Eingangssignale den logischen Wert Eins besitzen. Dieselbe Funktion läßt sich auch erreichen, wenn parallele Ströme als Signale mit dem logischen Wert Eins verwendet werden, vorausgesetzt der Wert der Steuerströme ist so gewählt, daß ein einziges Eingangssignal mit dem Wert Eins den Kontakt nicht umschaltet, die gleichzeitige Anwesenheit von mehr als einem Eingangssignal Eins jedoch zum Umschalten führt.

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Der auf diesem Gebiet tätige Fachmann wird außerdem leicht erkennen, daß diese gewünschten Funktionen auch auf anderen Wegen erreicht werden können, beispielsweise durch Verwendung von verschiedenen Arbeitsströmen oder durch eine Abänderung der Struktur und des Aufbaus der Kontakte, um damit die Größe der asymmetrischen Verstärkungskurve zu variieren.

Das Ausgangssignal von Glied 96 stellt den übertrag einer Addierstufe dar. Die Summenfunktion wird von der Kombination der Glieder 90, 92, 94 und 96 ausgeführt. Wenn alle drei Eingangssignale den logischen Wert Eins haben, liefern die Glieder 90, 94 und 96 Ausgangssignale mit dem Wert Eins an Glied 92. Das Summensignal ist dann eine logische Eins. Haben nur zwei der Eingangssignale A, B uund C den Wert Eins, so liefern die Glieder 94 und 96 den Wert Eins an Glied 92. Das Ausgangssignal von Glied 92 ist damit eine logische Null. Ein einziges Eingangssignal mit Wert Eins erzeugt nur in den Gliedern 94 und 92 ein Ausgangssignal Eins.

Das Glied 96 kann auch durch die Zusammenschaltung von Verknüpfungsgliedern entsprechend Fig 8 ersetzt werden» In diesem Fall besteht die Addierstufe aus lauter identischen Verknüpfungsgliedern; außerdem ergeben sich identische Stromstärken für die Signale mit dem logischen Wert Eins„

Der Schaltkreis in Fig. 1 kann auch die logischen Funktionen NAND (NICHT UND) und NOR (NICHT ODER) durchführen, wenn die Eingangssignale und Ausgangssignale entsprechend Fig„ 10 angelegt werden. Die Eingangssignale A und B sind danach antiparallel, während ein Vorstrom parallel verläuft. Wenn die antiparallelen Signale A und B einen Wert i besitzen (siehe hierzu Fig. 2) und außerdem der Vorstrom auf einen Wert 2i eingestellt wird, verhält sich das Glied als NAND-Glied. Die Wahrheitstabelle hierfür lautet wie folgt:

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	B	Ausgang	2448051
A	O	1
O	Ί	1
O	O	1
1	1	ο
1

Wählt man als Vorstrom einen Strom der Stärke i, so verhält sich der Schaltkreis in Fig. 10 als NOR-Glied mit folgender Wahrheitstabelle:

A B Ausgang

O	O	1
1	O	O
O	1	O
1	1	O

Es ist bekannt, daß viele Verknüpfungsnetzwerke mit Hilfe von NAND-und NOR-Gliedern aufgebaut werden« Die in Fig. 10 gezeigten NAND/NOR-Glieder sind für derartige Verknüpfungsnetzwerke gleichermaßen geeignet* Bei der Zusammenschaltung mehrerer solcher Glieder sind jedoch Vorkehrungen zu treffen, um sicherzustellen, daß der Vorstrom erst nach dem Anlegen der anderen Steuerströme anger· j legt wird. Eine Möglichkeit hierfür besteht im Einbau eines ODER-Gliedes der oben beschriebenen Art in die Leitung des Vorstroms zwischen die verschiedenen Stufen eines Logikkreises mit NOR/ NAND-Gliedern.

Ein einfaches Beispiel hierfür ist in Fig. 11 angegeben. Die dort mit N bezeichneten Blöcke stellen NAND- oder NOR-Verknüpfungsglieder dar. Die Glieder 120 und 122 befinden sich auf der ersten Stufe der logischen Schaltung, da sie alle ihre Eingangssignale von äußeren Quellen erhalten« Das Glied 124 befindet sich auf der zweiten Stufe, da es seine Eingangssignale

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nur von Gliedern der ersten Stufe erhält, die ihrerseits Eingangs- ;signale erhalten haben. Das Glied 126 liegt auf der dritten Stufe 'der logischen Schaltung, da es nur dann ein Eingangssignal erhält, :wenn Glied 124 auf der zweiten Stufe auf Eingangssignale reagiert

|Die ODER-Glieder 128, 130 und 132 sind in die Leitung für den Vor-; ¹ strom zwischen die verschiedenen logischen Stufen eingebaut. Jedes jODER-Glied hat denselben Aufbau wie jedes N-Glied und besitzt dem-i !entsprechend auch dieselbe Anwortzeit wie die N-Glieder. Werden !

also alle Signale A, B, C und D und die Vorströme gleichzeitig \ von den äußeren Quellen an die Logikschaltung angelegt, so er- \ <scheint der Vorstrom bei einem beliebigen N-Glied erst, nachdem ι alle anderen Eingangssignale für dieses N-Glied schon angekommen ; sind.
. - i

Aus der obigen Beschreibung geht hervor, daß Josephson-Glieder !

imit asymmetrischer Verstärkungskurve einen universell verwendbaren; !logischen Baustein darstellen. Durch einfaches Umkehren der Strom-' richtung der logischen Eingangssignale auf einer oder mehreren

!Leitungen lassen sich nützliche und völlig andere logische Funktionen erzielen.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Logische Universal-Baugruppe mit einem Josephson-Tunnel-Kontakt, der eine asymmetrische Verstärkungskurve und eine Mehrzahl von induktiv mit dem Kontakt gekoppelten supraleitenden Steuerleitungen aufweist, die parallel zu den Elektroden des Kontakts liegen, der von einem Arbeitsstrom I durchflossen wird und an den ein Parallelzweig mit einem Widerstand und supraleitenden Zuführungen angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß an die Steuerleitungen (17, 18, 19, Fig. 1) Eingangssignalsströme mit dem logischen Wert Eins oder Steuervorströme parallel (d. h. in Richtung des Arbeitsstromes) oder antiparallel (entgegengesetzt zum Arbeitsstrom) angelegt werden, daß der Tunnel-Kontakt bei zwei genau definierten, voneinander verschiedenen Schwellwertströmen von seinem supraleitenden in den normalleitenden Zustand umschaltet, wobei die erste Schwelle durch einen bestimmten Wert des resultierenden Gesamtsteuerstromes in paralleler Richtung und die zweite Schwelle durch einen weiteren Wert des resultierenden Gesamtsteuerstroms in antiparalleler Richtung gegeben ist, (Fig.2), und daß die Eingangssignalströme entsprechend der gewünschten logischen Funktion und der Umschalteigenschaften des Kontaktes gewählt werden.
2. Logische Baugruppe nach Anspruch 1, zur Verarbeitung einer Anzahl η logischer Eingangssignale, dadurch gekennzeichnet, daß η Steuerleitungen den Eingangssignalen zugeordnet sind, die jeweils beim Vorliegen des logischen Werts Eins mit einem Eingangsstrom (i ) in antiparalleler Riehtung beaufschlagt werden und daß der Josephson-Kontakt dann und nur dann umschaltet, wenn alle η Eingangssignale den logischen Wert Eins besitzen (UND-Funktion).

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3. Logische Baugruppe nach Anspruch 1, zur Verarbeitung einer
Anzahl η von logischen Eingangssignalen, dadurch gekennzeichnet, daß η Steuerleitungen den EingangsSignalen zugeordnet sind, die jeweils bei Vorliegen des logischen Wertes Eins mit einem Eingangsstrom (i ) in paralleler Richtung
beaufschlagt werden und daß der Josephson-Kontakt dann

und nur umschaltet, wenn mindestens eines der Eingangssignale den logischen Wert Eins besitzt. (ODER-Funktion)
4. Logische Baugruppe nach Anspruch 1 zur Verarbeitung einer
Anzahl η von logischen EingangsSignalen, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Eingangssignal eine Steuerleitung zugeordnet, daß insgesamt m S teuer leitungen mit einem Eingangs-' strom (i ) in paralleler Richtung beaufschlagt werden, so- !

- j

fern die zugeordneten Eingangssignale den logischen Wert \ Eins haben und daß die restlichen (n-m) Steuerleitungen mitj Strömen in antiparalleler Richtung beaufschlagt werden, ' wenn die zugeordneten Eingangssignale den logischen Wert
Eins haben.
5. Logische Baugruppe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Josephson-Tunnel-Kontakt mehr Steuerleitungen enthält als Eingangssignale vorhanden sind und daß die überschüssigen Steuerleitungen mit Vorströmen in paralleler
oder antiparalleler Richtung beaufschlagt werden.
6. Logische Baugruppe nach den Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß drei Steuerleitungen und zwei Eingangssignale vorgesehen sind, daß die beiden den Eingangssignalen
zugeordneten Steuerleitungen beim Vorliegen des logischen
Wertes Eins mit Strömen (i ) in antiparalleler Richtung
beaufschlagt werden, daß die dritte Steuerleitung mit
einem parallelem Vorstrom gleicher Stärke (i_c) beaufschlagt wird und daß der Josephson-Kontakt beim Überschrei4 ten des Gesamtsteuer-Stromes i in paralleler Richtung und i

t beim Überschreiten des Gesamtsteuer-Stromes 2i in anti- ι

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paralleler Richtung umschaltet. (NOR-Funktion.
7. Logische Baugruppe nach den Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß drei Steuerleitungen und zwei Eingangssignale vorgesehen sind, daß die beiden den Eingangssignalen zugeordneten Steuerleitungen beim Vorliegen des logischen Wertes Eins mit einem Strom (i ) in antiparalleler Richtung beaufschlagt werden, daß die dritte Steuerleitung mit einem parallelen Vorstrom doppelter Stärke 2i beaufschlagt wird, und daß der Josephson-Kontakt beim überschreiten des Gesamtsteuer-Stromes i in paralleler Richtung und beim überschreiten des Gesamtsteuer-Stromes 2i in anti-

j paralleler Richtung umschaltet. (NAND-Funktion).
8. Verknüpfungsnetzwerk mit logischen Unsiversal-Bausteinen

ι nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, wobei die ! Bausteine in verschiedenen logischen Stufen angeordnet sind und die Ausgangssignale einer Stufe als Eingangssignal für nächstfolgende Stufen dienen, dadurch gekennzeichnet, daß alle Bausteine denselben strukturellen Auf- ! bau besitzen, daß die in ihnen enthaltenen Josephson-Kontakte im wesentlichen dieselbe asymmetrische Verstärkungskurve aufweisen und mit demselben Arbeitsstrom beaufschlagt werden, und daß die verschiedenen logischen Funktionen der Bausteine durch geeignete Wahl (parallel, antiparallel) der Signal- und Vorströme bestimmt werden.
9. Logisches Verknüpfungsnetzwerk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorströme erst nach Eintreffen der Steuerströme entsprechend den EingangsSignalen mit logischem Wert Eins bei den einzelnen Bausteinen eintreffen und daß hierzu Verzögerungseinrichtungen (128, 13o, 132, Fig. 11) für die Vorströme in die entsprechenden Leitungen eingebaut werden.

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10. Logisches Verknüpfungsnetzwerk nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungseinrichtungen (128, 130, 132) aus ODER-Gliedern bestehen, die ebenfalls in Form eines logischen Universal-Bausteins nach Anspruch 1 aufgebaut sind.
11. Binäre Addierstufe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in einer ersten logischen Stufe ein erster und ein zweiter Universalbaustein (60, 62; Fig. 6) mit je drei Eingängen vorgesehen ist, wobei im ersten die Summandensignale (A, B) parallel und das Übertragsignal (C) antiparallel angelegt werden, im zweiten Baustein jedoch umgekehrt, und daß in einer zweiten logischen Stufe ein dritter Universalbaustein (64) vorgesehen ist, an den die Ausgangssignale des ersten und zweiten Bausteins parallel, ein drittes Signal der Form (ABC) antiparallel angelegt werden.
12. Binäre Addierstufe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfssignal der Form (ABC) ebenso wie der tibertrag (C) durch Verknüpfungsschaltungen mit logischen Universalbausteinen erzeugt werden (Fig. 7? 8).
13. Binäre Addierstufe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in einer ersten logischen Stufe ein erster (94) und ein zweiter (90) Universalbaustein mit rein parallelen bzw. mit rein antiparallelen Eingangssignalen für Summanden und tibertrag, sowie eine über trager zeuger schaltung (96) vorgesehen sind, und daß ein dritter Universalbaustein (92) in einer zweiten logischen Stufe das Ausgangssignal der Übertragerzeugerschaltung als antiparallelen Eingang, die Ausgangssignale der beiden ersten Bausteine jedoch als parallelen Eingang empfängt.

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