DE2535425A1

DE2535425A1 - Supraleitende abfuehlvorrichtung fuer logische schaltungen

Info

Publication number: DE2535425A1
Application number: DE19752535425
Authority: DE
Inventors: Harvey Charles Hamel; Kenneth Dick Terlep
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1974-12-23
Filing date: 1975-08-08
Publication date: 1976-06-24
Also published as: FR2296313B1; JPS5231696A; DE2535425C2; US3987309A; GB1498860A; FR2296313A1; IT1044744B; JPS5515872B2

Description

Aktenzeichen der Anmelderin: PO 974 029

Supraleitende Abfühlvorrichtung für logische Schaltungen j

Die Erfindung betrifft eine supraleitende Abfühlvorrichtung für · logische Schaltungen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Diese Vorrichtung zeichnet sich insbesondere durch ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis aus. ;

Das Ausgangssignal von logischen Schaltkreisen, welche Josephson -■ kontakte verwenden, besteht normalerweise in einem kleinen Strom, der sich aus dem Umschalten eines oder mehrerer Josephsonkontakte ergibt. Dieser Strom oder dessen Abwesenheit stellt den logischen Wert "1" bzw. "0" dar. Die Peststellung dieses kleinen Stromes ist oft schwierig und zwar infolge des Stroms, der sowieso schon in der logischen Leitung fließt, wie beispielsweise ein Arbeitsstrom und bezüglich dessen dann kleine Stromänderungen unterschieden werden müssen. Dieser schon vorhandene Strom kann als Störrauschen aufgefaßt werden; daraus ergibt sich, daß das Signal-Rausch-Verhältnis klein ist.

Josephsonkontakte sind supraleitende Vorrichtungen, wobei unter Supraleitung das vollständige Verschwinden des elektrischen Widerstands in einer Anzahl von Metallen und Legierungen bei sehr tiefen Temperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunktes verstanden wird. Die Supraleitfähigkeit tritt plötzlich unterhalb einer gewissen Temperatur auf. Diese sogenannte kritische Temperatur ist von Material zu Material verschieden. Es ist bekannt, daß Elektronen durch eine Potentialschwelle zwischen zwei durch

609826/0 640

eine dünne nichtleitende Schicht getrennte Leiter getrieben werden können. Diese Schwelle wird dabei mit Hilfe eines Tunnelvorgangs überwunden. Der Effekt wird aus diesem Grund Tunneleffekt genannt. Wenn die Leiter Supraleiter sind, können einzelne Elektronen durch derartige Gebiete tunneln, wobei sie eine Potentialdifferenz überwinden müssen, die dem Wert der Lückenspannung entspricht. Neben diesem Einzelelektronentunneleffekt gibt es jedoch noch einen weiteren supraleitenden Tunneleffekt, in dem gebundene Elektronenpaare auftreten. In einem supraleitenden Metall sind die hauptsächlichen Ladungsträger Elektronenpaare, die mit dem Gitter über die Elektron-Phonon-Wechselwirkung gekoppelt sind. Derartige Elektronenpaare werden "Cooper-Paare" nach dem Wissenschaftler gleichen Namens genannt. Von B. D. Josephson wurde vorausgesagt, daß ein Tunneleffekt mit Cooperpaaren als Ladungsträger zwischen zwei benachbart liegenden supraleitenden Metallen auftreten sollte, die durch eine genügend dünne Isolierschicht voneinander getrennt sind. Die Isolierschicht verhält sich dann j wie ein supraleitendes Metall bei diesem Josephson-Tunneleffekt. j Bei dieser Art von Tunneleffekt wird kein Potentialunterschied I überwunden und der Strom erfährt infolgedessen auch keinen Widerstand. Die grundlegende Veröffentlichung über den Josephson-Tunnelr ;effekt ist "Possible New Effects in Superconductive Tunnelling" j von B. D. Josephson in Physic Letters, Vol. 1, Seiten 252 bis 253 j !vom 1. Juli 1962. Im allgemeinen besteht ein Josephson-Element ioder ein Josephson-Kontakt aus einer dünnen Oxidschicht zwischen ;zwei supraleitenden Leiterzügen. Mindestens eine Steuerleitung ist I zur Steuerung des Umschaltverhaltens des Elementes vorgesehen. Die ;supraleitenden Josephson-Kontakte arbeiten bei einer Temperatur von einigen wenigen Grad Kelvin und können sich in zwei verschiedenen Zuständen befinden, in Abhängigkeit des durchgehenden Stroms} I In dem Bereich unterhalb des maximalen Josephson-Stroms I ,

max ι

j fließt ein Tunnelstrom aus Cooperpaaren. Dies ist das sogenannte j"Paartunneln" und der Spannungsabfall am Kontakt ist Null. Das !Element befindet sich also im supraleitenden Zustand. Wird der ! I Stromwert I überschritten, so schaltet das Element in den ande-ί

PO 974 029

609826/0630

ren, den spannungsbehafteten Zustand, den Zustand mit endlichem Spannungsabfall. Der dann fließende Strom ist ein Tunnelstrom, der jedoch jetzt im wesentlichen aus einzelnen Ladungsträgern oder Quasiteilchen besteht. Der Tunnelvorgang bei Einzelteilchen wird von einem Spannungsabfall begleitet, der von dem Tunnelstrom hervorgerufen wird und dessen Betrag gleich der Energielückenspannung V entspricht.

Im sogenannten spannungsbehafteten Zustand eines Josephsonkontakts bleiben die Leiterzüge im supraleitenden Zustand und durch die isolierende Zwischenfläche fließt ein Tunnelstrom. In Josephsonelementen tritt ein sehr geringer Spannungsabfall auf, was eine sehr geringe Wärmedissipation ergibt. Wird der Strom nach dem [Jmschalten in den spannungsbehafteten Zustand reduziert oder abseschaltet, so tritt ein Hysteresereffekt auf, d. h. das Zurückschalten in den supraleitenden Zustand erfolgt bei einem Stromwert, der beträchtlich unterhalb des Werts I_max liegt. Der maximale Josephsonstromwert I_max kann durch steuernde Magnetfelder !beeinflußt werden, die von dem Strom hervorgerufen werden, der durch die benachbart liegenden Steuer leitungen fließt. Der maximale! Josephsonstrom, bei dem das Umschalten vom supraleitenden in den 'spannungsbehafteten Zustand erfolgt, kann durch entsprechende | !Konstruktion des Josephsonkontakts variiert werden. !

¹Da Josephsonkontakte zwei unterscheidbare Zustände einnehmen !können, lassen sie sich auch in binären Schaltkreisen verwenden. In der US-Patentschrift 3 281 609 wird ein supraleitendes Schaltjelement unter Verwendung von Tunneleffekten beschrieben. Die

Eingangsströme werden dort durch einen Josephsonkontakt geschickt übersteigt der Strom, der durch den Josephsonkontakt fließt, den maximalen Josephsonwert, so schaltet der Kontakt in seinen spannungsbehafteten Zustand um. Der sich daraus ergebende Ausgangsstrom fließt durch einen Arbeitswiderstand, der parallel zum Josephsonkontakt geschaltet ist. Die US-Patentschrift 3 626 391

609626/0630

bildet ein Beispiel der Anwendung von Josephsonkontakten für Speicherzwecke. Die Binärwerte werden durch die Richtungen eines kreisförmigen Stroms in supraleitenden Schleifen dargestellt. Das Umschalten der Stromrichtung und das Abzählen des Speicherwerts erfolgt mit Hilfe von Josephsonkontakten.

In der Zeitschrift Proceedings of the IEEE, Vol. 55 vom Februar 1967 ist ein Artikel von J. Matisoo enthalten, "Tunneling Cryotron - A Superconductive Logic Element Based on Electron Tunneling". Diese Veröffentlichung beschreibt eine Anwendung von Josephsonkontakten als logische Verknüpfungsglieder. Sie beschäftigt sich hauptsächlich mit dem Umschaltverhalten eines einzelnen Elementes. In einer der Pign. wird vorgeschlagen, daß die tromverteilung in zwei Zweigen einer supraleitenden Schleife gesteuert werden kann.

In der US-Patentschrift 3 758 795 wird ein binärer Logikschaltkreis unter Verwendung von Josephsonkontakten beschrieben, wobei eine Leitung, die mit ihrer charakteristischen Impedanz abgeschlossen ist, in Parallelschaltung zu einem Josephsonkontakt liegt. Im supraleitenden Zustand fließt der Strom im wesentlichen durch den Josephsonkontakt, im normalleitenden Zustand fließt er jedoch durch die Parallelleitung. Nachfolgende Elemente können durch den Strom in dieser Leitung gesteuert werden. Diese supraleitenden Schaltkreise fühlen ab, ob der Arbeitsstrom vorhanden ist oder nicht. Sie betreffen aber nicht den Fall einer Stromänderung, die den Arbeitsstrom verstärkt oder aber auf diesen folgt.

Selbst bei Kenntnis dieser supraleitenden Josephsontunneleffekte und deren Anwendung auf logische Schaltkreise und Umschaltkontakte, ergibt sich aus dem Stand der Technik nicht wie der Josephsontunneleffekt zur Herstellung verläßlicher Abfühlschaltkreise angewendet werden kann, insbesondere für solche, die eine. Abfühlung mit einem großen Signal-Rausch-Verhältnis ermöglichen und zwar trotz der Tatsache, daß das Signal bei Anwesenheit des

PO 974 029

609826/0830

- ο Josephsonarbeitsstromes festgestellt werden muß.

Die vorliegende Erfindung stellt sich infolgedessen die Aufgabe, eine Abfühlvorrichtung für supraleitende Logikschaltkreise anzugeben, die nicht an den besprochenen Mängeln des Standes der Technik leidet und insbesondere ein lrohes Signal-Rauschverhältnis aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch gekennzeichnete Erfindung gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in de Unteransprüehen gekennzeichnet.

!Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird der Signalstrom, der festgestellt werden soll, vom sogenannten Rauschstrom getrennt, so daß sich theoretisch ein sehr hohes Signal-Rauschverhältnis einstellt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß als hauptsächliches Element der Abfühlvorrichtung wiederum ein Josephsonkontakt Verwendung findet; diese Kompatibillität der Abfühlvorrichtung mit den eigentlchen logischen Kreisen gewährleistet, daß keine besonderen Schwierigkeiten bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Schaltung auftreten.

Die Erfindung betrifft im wesentlichen eine supraleitende Abführvorrichtung mit einem verbesserten Signal-Rauschverhältnis zur Verwendung in logischen Schaltkreisen, um dort das Umschalten von einem oder mehreren logischen Elementen festzustellen. Der Abfühlschaltkreis umfaßt einen ersten und einen zweiten Zweig, die parallel zueinander liegen, wobei der erste Zweig einen Josephson-Umschaltkontakt in Reihenschaltung mit einer ersten Induktivität enthält. Im zweiten Zweig ist eine zweite Induktivität enthalten, die größer oder gleich der Induktivität im ersten Zweig ist. Der Josephsonkontakt im ersten Zweig der Abfühlschaltung ist so eingestellt, daß er durch ein Steuersignal in seinen spannungsbehafteten Zustand umgeschaltet werden kann und somit der Arbeitsstrom aus dem logischen Schaltkreis in den

PO 974 029

609826/0630

zweiten Zweig der Abfüllvorrichtung gelangt. Der Josephsonkontakt im ersten Zweig schaltet automatisch in seinen supraleitenden Zustand zurück, so daß nachfolgende Eingangsströme aufgrund des Umschalten» eines oder mehrerer logischer Glieder im logischen Schaltkreis proportional zu den jeweiligen Induktivitäten zwischen die beiden Zweige aufgeteilt wird. Dieser nachfolgende Strom im ersten Zweig der Abfühlschaltung wird festgestellt und zeigt an, daß eines oder mehrere der logischen Elemente im logischen Schaltkreis umgeschaltet wurden.

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

Fig. 1 die schematische Darstellung eines logischen I Schaltkreises aus dem Stand der Technik zur

Durchführung einer mehrfachen ODER-Verknüpfung

i unter Verwendung von Josephsonkontakten als logi-

ί sehe Elemente;

|Fig. 2 die schematische Darstellung eines Mehrfach-ODER

logischen Schaltkreises und den Abfühlschalt-

' kreis entsprechend der vorliegeden Erfindung;

pig. 2b die schematische Darstellung eines dreiphasigen

Taktgenerators zur Versorgung des in Fig. 2a gezeigten Schaltkreises mit Takteignalen;

?ig. 3 die Wellenform der dreiphasigen Betriebsweise

der Abfühlvorrichtung in graphischer Form;

fig. 4 die Wellenform zur Angabe der Ströme, die in den ι jeweiligen Zweigen einer typischen Abfühlschal

tung auftreten;

PO 91k 029

609826/0630

Pig. 5 die Punktionsdarstellung des Arbeitsstroms I

als Punktion der Kontaktspannung V ;

Pig. 6 die Punktionsabhängigkeit des ArbeitsStroms I

vom Steuerstrom I .

In Fig. 1 ist ein Mehrfach-ODER Schaltkreis dargestellt» der aus einer Kette von N Paaren von Gliedern besteht, deren jec.es zum Abfühlen des Zustande einer Eingangsleitung in einem N-Eingangs-ODER-Schaltkreis verwendet werden kann. Der Mehrfach-ODER-Schalt- ; kreis bildet eine symmetrische Anordnung, wobei eine An:sahl von ■ Josephsonkontakten Xl, X2, ... Xn jeweils in Reihe auf jeder Hälfte einer übertragungsleitung 12 angeordnet sind. Ein Arbeits- ' stromgenerator 10 erzeugt einen Arbeitsstrom 2Iq, der in jeder Hälfte der symmetrischen übertragungsleitung 12 einen Strom I_Q hervorruft und mit Hilfe dieses Arbeitsstroms jeden der Josephsonkontake Xl bis Xn entsprechend voreinstellt. Jede Eingangsleitung für die Josephsonkontakte wird einem Kontakt-Paar zugeführt; dies erfolgt zum Zweck der "Balancierung" der Leitung, die physikalisch isoliert von der supraleitenden Grundplatte angeordnet ist. Für den Fall, daß Verbindungen zur Grundplatte zusammen mit Abschlußwiderständen der Größe Z_Q verwendet werden_; wobei Z die charakteristische Impedanz der Leitung ist, können natürlich auch einzelne Josephsonkontakte für jede einzelne Eingangsleitung verwendet werden. Die Eingangssignale für die Josophsonkontakte Xl ... Xn kommen aus anderen Teilen des logischen Schaltkreises, wobei ein logisches Eingangssignal "1" auf irgendeiner der Eingangsleitungen das Umschalten des Kontakt-Paars in dessen spannungsbehafteten Zustand hervorruft und dabei den S;rom in der übertragungsleitung 12 herabsetzt. Es sollte beachtet werden, daß mehr als ein Eingangssignal mit einer logischen "1" eine entsprechende Anzahl von Josephsonkontaktpaaren umschaltet; und dabei einen entsprechenden Abfall des Stroms auf der Übertrajsungsleitung hervorruft. Die maximale Betriebsgeschwindigkeit für die übertragungsleitung mit N Eingangsleitungen für die ODER-Schaltungen er-

PO 974 029

609826/0630

gibt sich bei ordnungsgemäßem Abschluß an jedem Ende der geteilten Schleife mit Hilfe der Widerstände Z_Q. Der Abfühlschaltkreis umfaßt nicht nur den ursprünglichen Arbeitsstrom I_Q für die Josephsonkontakte, er muß außerdem in diesem Strom die zusätzliche Stromänderung infolge des Umsehaltens irgendeines der Josephsonkontakte in der Kette unterscheiden können. Der Abfühlschaltkreis gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 2a als Schaltkreis 14 dargest stellt. In Wirklichkeit wird der Abfühlschaltkreis anstelle der in Fig. 1 gezeigten Abfühlleitung angeschlossen. Der Abfühlschaltkreis könnte aber auch zwischen die Impedanzen Z_Q am anderen Ende der Übertragungsleitung an der mit A bezeichneten Stelle eingebaut werden. Der Abfühlschaltkreis an der Stelle A würde nach genau demselben Prinzip arbeiten. Der einzige bedeutende Unterschied würde darin bestehen, daß die Stromänderung, die durch ein umgeschaltetes logisches Element hervorgerufen wird, als Änderung in positiver Richtung und nicht als Änderung in negativer Richtung auftreten würde, wie es der Fall ist, wenn der Abfühlkreis am rechten Ende entsprechend der Darstellung in Fig. 2a eingebaut ist.

Die Einfügung des Abfühlsehaltkreises 14 in den gesamten logischen Schaltkreis entsprechend der Darstellung in Fig. 2a stört die Symmetrie der Einrichtung nicht, da diese durch die beiden Widerstände Rl = ZO und R2 = ZO, die an beiden Enden der Abfüllvorrichtung gezeigt sind, optimal abgeschlossen bleibt. Die Zweige 20 und 22 der Abfühlschaltung 14 weisen jeweils solche Impedanzwerte auf, daß die Geschwindigkeit der Abfühlschaltung und damit auch die des gesamten Systems ein Optimum wird. Der logische Schaltkreis erfordert einen Vorstrom. Dies wird mit Hilfe eines Stromgenerators 21 erreicht, der den Vorstrom IO für beide Seiten der übertragungsleitung erzeugt.

per Abfühlschaltkreis 14 umfaßt einen Josephsonkontakt J₁ und eine Induktivität Ll in seinem ersten Zweig 20. Der zweite Zweig 22 ier Abfühlschaltung 14 enthält eine Induktivität L2. Diese In- luktivitäten werden so ausgewählt, daß L2 um ein beträchtliches größer ist als Ll. Infolgedessen wird der Großteil des Stroms,

PO 974 029

609826/0630

der in die Schleife der Abfühlsehaltung eintritt, in den Zweig mit der geringeren Induktivität L₁ gelangen. In einem typischen Fall ist L2 = 9 Ll, so daß der Zweig mit der Induktivität Ll 90£ des EingangsStroms I_Q führt. Der Josephsonkontakt J₁ im Zweig 20 befindet sich in seinem supraleitenden Zustand, so daß der Teil des EingangsStroms I_Q im Zweig 20 durch ihn hindurchgeht. Der Kontakt J₁ wird umgeschaltet, wenn am Steuereingang 24 zur Zeit dl ein Steuerstrom Jl angelegt wird. Es ist dabei zu beachten, daß zur Zeitfll der Strom ^EO, (wobei ß = —* ebenfalls durch den Kontakt Jl fließt und damit den notwendigen Vorstrom darstellt. Die überlagerung des Vorstroms ß IO und des Steuerstroms Jl im Josephsonkontakt Jl reicht aus, um den Josephsonkontakt Jl in seinen spannungsbehafteten Zustand umzuschalten. Das Umschalten des Josephsonkontakts Jl in seinen spannungsbehafteten Zustand bewirkt, daß der Teil des Eingangstroms 10, der in Zweig 20 fließt, nun durch den zweiten Zweig 22 mit der Induktivität L2 fließt.

Am Ende des Taktimpulses 01 hat der Josephsonkontakt Jl auf 0 zurückgeschaltet. Zur Taktzeit 02 werden die Eingangssignale an die logischen Elemente Xl ... Xn der logische Schleife der übertragungsleitung angelegt und die Josephsonkontakte, die mit dem logischen Signal "1" beaufschlagt werden, schalten in ihrem spannungsbehafteten Zustand um. Das Umschalten eines oder mehrerer der Josephsonkontakte in den spannungsbehafteten Zustand prägt der übertragungsleitung eine Spannung auf und veranlaßt dadurch eine entsprechende Stromänderung, die in beiden Richtungen, aber mit jeweils unterschiedlicher Polarität auf der übertragungsleitung läuft. Da die Josephsonkontakte in Paaren aktiviert werden, führt dies zu einem Stromfluß auf beiden Teilen der übertragungsleitung. Der Stromfluß in Richtung auf den Abfühlschaltkreis von irgendeinem der umgeschalteten Josephsonkontakte ist dabei negativ. Zur Zeit 02 ist der Josephsonkontakt Jl automatisch in seinen supraleitenden Zustand zurückgeschaltet. Diese automatische Rückstellung wird in Verbindung mit Fig. 2 genauer beschrieben. Der sogenannte nachfolgende Strom, der durch das

PO 974 029

609826/0630

Umschalten von einem oder mehreren der Josephsonkontakte Xl ... Xn in der übertragungsleitung hervorgerufen wird, gelangt in den Abfühlschaltkreis und fließt durch die beiden Zweige in solchen Beträgen, die umgekehrt proportional zu den Induktivitäten Ll und L2 sind. Der Strom, der durch Zweig 20 fließt, wird mit Hilfe eines weiteren Josephsonkontaktes J-Abfühl festgestellt, der mit Zweig 20 über eine Steuerleitung 26 verbunden ist. Es ist dabei zu beachten, daß der Eingangsstrom I_Q für den Abfühlschaltkreis 14 nach seiner Verschiebung in Zweig 22 aufgrund des Umschaltens von Kontakt Jl in den Zweig 22 bleibt, wenn der Josephsonkontakt Jl in seinen supraleitenden Zustand zurückschaltet. Polglich wird der Hauptteil der Stromänderung, die in der Abfühlsehaltung 14 nach dem Anfangsstrom IO erscheint, durch den Zweig 20 laufen, der den Josephsonkontakt Jl enthält. Dieser Strom II, der durch Zweig 20 fließt, wird mit dem Josephsonkontakt J-Abfühl festgestellt. Der Abfühlschaltkreis hat also im wesentlichen den Strom 10, d. h. den ursprünglichen Vorstrom, der auch als Störrauschen aufgefaßt werden kann, von dem Strom Il abgetrennt. Das Signal-Rauschverhältnis wird dadurch theoretisch unendlich. Da die logischen Eingangssignale zur Umschaltung eines der Josephsonkon-I takte in der übertragungsleitung zur Zeit 02 angelegt werden, !wird der Josephsonkontakt J-Abfühl ebenfalls zur Zeit 02 mit einem j Vorstrom aktiviert, der zusammen mit dem Steuerstrom Il in Zweig 20 den Kontakt J-Abfühl in seinen spannungsbehafteten Zustand umschaltet und damit anzeigt, daß ein Strom Il vorliegt, der seinerseits vom Umschalten eines oder mehrerer der logischen Josephsonkontakte in der übertragungsleitung abhängt. Die Werte der Induktivitäten im Abfühlschaltkreis 14, der Kapazität des Josephsonkontaktes Jl und aller erforderlichen Nebenschlußwiderstände ! RS, die parallel zu den Josephsonkontakten liegen, werden so gewählt, daß der Josephsonkontakt Jl kritisch gedämpft wird;;Jl nimmt damit wiederum ungefähr den Wert 0 ei und der Kontakt Jl wird in der Schleife zurückgesetzt, wobei sich 12 gleich Il und Il ungefähr gleich 0 einstellt.

Wenn der Strom in der logischen Schleife auf Null gesetzt wird,

um zur Zeit 03 die logischen Glieder zurückzusetzen, bleibt in

P(T974 029

609826/0630

der Abfühlschleife ein Dauerstrom zurück. Dieser Ringstrom in der Abfühlschleife stellt für Jl einen genügend großen Verström dar, um diesen Kontakt in seinen spannungsbehafteten Zustand umzuschalten , wenn ein ausreichend starker Steuerstrom an den Steuereingang 24 angelegt wird, der zum Abschalten des Ringstroms führt. Es ist außerdem möglich, automatisch «jeden restlichen Ringstrom zum Verschwinden zu bringenj dies kann ohne jedes Eingangssignal an die Steuerung von Jl geschehen und zwar durch geeignete Auswahl der Verstärkungscharakteristik für Jl bezüglich des ursprünglichen Signalstroms 10, d. h. der Stromänderung infolge des Umschaltens irgendeines Abfühlpaares und der Stromänderung infolge des Abschaltens des Stromgenerators 21. In anderen Worten, der ! Reststrom infolge des Umschaltens eines oder mehrerer Abfühlpaare ' !ergibt zusammen mit der Stromänderung beim Abschalten des Stromgenerators einen resultierenden Strom, der ausreicht, den UmschaltH Punkt I_n^_x des Josephsonkontakts Jl zu überschreiten. Der Kontakt Jl schaltet damit automatisch in seinem spannungsbehafteten Zustand] !um und bringt damit den Reststrom zum Verschwinden. j

Zusammengefaßt beginnt der Arbeitszyklus mit dem Anlegen von IO j pur Zeit 01 und damit dem Aufbau des Stromes IO in der logischen I pchleife. Zur gleichen Zeit schaltet Jl unter Steuerung eines j Steuerstromes zur Zeit 01 in seinen spannungsbehafteten Zustand j Um und verlagert daher den gesamten Strom IO in dem Abfühlschaltkreis auf den zweiten Zweig 22 des Abfühlkreises, in dem sich die oße Induktivität befindet. Nachdem sowohl die Ströme in der logischen Schleife als auch in der Abfühlschleife abgeklungen sind, werden die Daten an die logischen Glieder angelegt. Das Umschalten von einem oder mehreren der logischen Josephsonkontakte ruft ei- ^e Stromänderung hervor, deren Großteil durch Zweig 20 der Abfühlschaltung 14 fließt und durch J-Abfühl festgestellt wird. Der Josephsonkontakt J-Abfühl wird zur Zeit 02 durch einen Vorstrom so eingestellt, daß er umschaltet, wenn der Strom Il auf der Steuerleitung 26 erscheint. Während der Zeit 03 wird 10 entfernt und damit die Glieder der logischen Schleife zurückgesetzt. Der Kontakt Jl in der Abfühlschleife schaltet um, wenn die Steuerung

PO 97M 029

609826/0630

Jl zur Zeit 03 gleichzeitig mit dem in Abfühlschaltkreis verbleibenden Ringstrom angelegt wird. Damit werden entsprechend der obigen Beschreibung die Ringströme in der Abfühlschleife gleich Null.

Wenn m Kontaktpaare Xl ... Xn beim Anlegen der Daten umschalten, ergibt sich die gesamte Stromänderung in der logischen Schleife zu:

Ar - m(2 Vgap) * m(5,0mV)
R Total ¹IZO

Ist beispielsweise M = 1 (d. h. der ungünstigste Fall bezüglich der Unterscheidungsfähigkeit) und Z_Q = 1 Ohm, so wird &I = 1,25mA Dieser Wert der Stromänderung stellt das minimale logische Signal "1" zum Abfühlen dar. Eine Stromänderung von 1,25 mA spaltet sich umgekehrt proportional zum Wert der Induktivitäten in den beiden Zweigen der Abfühlschleife auf. Unter der Annahme, daß L2 = 9Ll, wird Il ^Ä 1,12 mA mit dem ursprünglichen Wert von I . Ist beispielsweise I_m^_n der Abfühlschleife gleich 0,1 mA, so gilt:

L2

Δ I L1+L2 _β 11,2

Il Anfangs Imin

Für den Steuerstrom Il des Abfühlkontakts J-Abfühl ist das Signal-Rauschverhältnis also 11,2.

Ohne den Abfühlschaltkreis 14 dieser Erfindung, müßte der Strom in der logischen Schleife festgestellt werden, d. h. der Gleichgewichtsstrom IO mit einer Stromänderung Δι entsprechend der obiger Beschreibung für das Umschalten eines einzelnen Paars von Kontakten. Die maximale Stromänderung ΔΙ kann nicht größer als I_Q sein, so daß der Wert des Signal-Rauschverhältnisses gleich -yi * 1,0 ist.

Es ist dabei zu beachten, daß mit kleiner werdenden Geometrien der Kontakte und der Schaltkreise, die Impedanzpegel entsprechend

PO 974 029

609826/0630

größer werden und der Betrag der Stromänderung Al für ein einzelnes Paar von umschaltenden Kontakten im Verhältnis zu I_Q kleiner wird und sich somit das Signal-Rauschverhältnis vermindert.

Die Erfindung beschreibt einen Abfühlschaltkreis, der mit einem schnell arbeitenden und viele Eingangssignale aufweisenden logischen Schaltkreis wie beispielsweise einem ODER-Sehaltkreis verwendet werden kann. Dieser erfindungsgemäße Schaltkreis liefert eine große Signal-Rausch-Diskriminierung, er arbeitet sehr schnell wenn er mit großen Übertragungssystemen verwendet wird und er ist besonders vorteilhaft für den Einsatz in assoziativer Logk, (array logic) bei der ODER-Schaltkreise mit sehr vielen EingangsSignalen (großem fan-in) erforderlich sind.

3 zeigt eine typische Wellenform für einen Multi-ODER Schaltkreis, in dem das Umschalten eines Josephsonkontakts eine Stromänderung von 0,5 mA bei einem Eingangsarbeitsstrom von ungefähr 3 mA liefert. Wie man sieht, ist die Wellenform in drei Phasen aufgeteilt, die Einstellphase 01, die Dateneingabephase 02 und die Zurücksetzungsphase 03. Die Stromänderung ist als ΔΙ dargestellt. Es sollte beachtet werden, daß die Stromänderung ΔI von 0,5 mA in Anwesenheit des als Arbeitsstrom fließenden Vorstroms IO von ungefähr 2,5 mA festgestellt werden muß.

In ähnlicher Weise zeigt Pig. 4 eine typische Wellenform für den Strom Il und 12 in einem Abfühlschaltkreis der oben beschriebenen Art, wenn dieser mit einem Multi-ODER Logikschaltkreis verwendet wird, in dem ein Paar umschaltet, um eine Stromänderung von 0,5 mA entsprechend der Darstellung in Wellenform 3 hervorzurufen. Wie man der Darstellung entnimmt, erreicht während der Zeit 01 der Strom 12 in der Abfühlschleife ein Maximum von fast 3 mA, während der Strom Il im ersten Zweig den Wert von ungefähr Imin (0,013 mA) annimmt. Dieser Sachverhalt wird durch das Umschalten und das

ρσ 37ΙΓΤ529

609826/0630

nachfolgende Zurückschalten des Josephsonkontakts Jl hervorgerufen. Die Kurve für den Strom 12 ändert sich praktisch nicht, wenn eine Stromänderung Ä aufgrund des Umschaltes von logischen Gliedern erfolgt. Während der Rücksetzzeit wird der Strom 12, der als Ringstrom zurückbleibt, durch das Umschalten des Josephsonkontakts Jl während der Zeit 03 zum Verschwinden gebracht. Die Kurve für Il mit einem Wert von ungefähr 0 im Zweig 20 der Abfühlschaltung, weist eine Stromänderung von ungefähr 0,408 mA als Ergebnis der Stromänderung auf, die ihrerseits durch das Umschalten eines der logischen Kontakte hervorgerufen wird. Diese Änderung wird während der Zeit 02 festgestellt. In ähnlicher Weise führt während der Zurücksetzzeit 03 das Umschalten von Jl zum Verschwinden des Ringstroms. Es sollte beachtet werden, daß die Wellenform, die den Strom Il darstellt, den Strom von 0,408 mA feststellen muß, der etwas geringer ist als 0,5 mA, die in Verbindung mit fcier Wellenform von Fig. 3 festgestellt werden müssen; diese O,4o8 JmA können jedoch ohne Störungen oder Rauschen des Signals IO fest-I

jgestellt werden. Das Signal-Rauschverhältnis wird dadurch theoretisch bis auf den Wert unendlich erhöht, und zwar dann, wenn [Imin tatsächlich 0 ist. Im obigen Beispiel beträgt das Signalfteuschverhältnis O,4o8 ^ö 29.

ÖTÖTTf

Fig. 5 zeigt ein Diagramm des Josephsonstroms Ig durch einen Josephsonkontakt Jl, aufgetragen als Punktion der Spannung V2 Jan dem Kontakt Jl. Diese Kurve stellt die übliche Abhängigkeit für Paartunneln durch den Kontakt im supraleitenden Zustand und Einzelteilchen-Tunneln durch den Kontakt im spannungsbehafteten Zustand dar. Ströme bis zu einer Stärke von Imax fließen also durch den Kontakt in seinem supraleitenden Zustand. Wenn der |Strom Ig durch den Kontakt diesen Wert Imax überschreitet, schaltet der Kontakt schnell in seinen spannungsbehafteten Zustand um und die an dem Kontakt abfallende Spannung stellt sich dann |auf den Wert der Bandlückenspannung V ein. Wenn der Strom durch üen Kontakt auf einen Wert geringer als Imax herabgesetzt wird, 'folgt die Spannung am Kontakt den durch A und B dargestellten Kurventeilen, bis hin zum Wert I_min und dann in den supraleitenden Zustand. Befindet sich Jl in seinem supraleitenden Zustand

PO 974 029

609826/0630

und fließt durch diesen Kontakt Jl ein Strom Imax, so wird durch ein den Kontakt Jl durchsetzendes genügend starkes Magnetfeld der kritische Strom durch Jl auf einen Wert kleiner als Imax vermindert und der Tunnelkontakt Jl schaltet sofort in seinen spannungsbehafteten Zustand um.

Fig. 6 zeigt die Verstarkungskurve für einen typischen Josephsonkontakt. Diese Kurve stellt eine unsymmetrische Verstärkungskurve dar, die man erhält, wenn der Strom Imax durch den Josephsonkontakt als Punktion eines Steuerstrom I aufgetragen wird^mit dessen Hilfe ein den Kontakt durchsetzendes Magnetfeld aufgebaut wird. Der Steuerstrom I kann bezüglich des Josephsonkontaks so gerichtet sein, daß er ein Magnetfeld aufbaut, das entweder das Eigenmagnetfeld des Kontakts verstärkt oder dem Eigenmagnetfeld entge- ;gengerichtet ist. Hierbei ist zu beachten, daß der Bereich inner-Ihalb der Verstärkungskurve von Fig. 6 dem supraleitenden Zustand 'entspricht, während der Bereich außerhalb der Verstärkungskurve jdem spannungsbehafteten Zustand des Josephsonkontakts Xn entsprich^

PO 974 029 .

609826/0630

Claims

2535^25

- 16 -

PATENTANSPRÜCHE

Abfühlvorrichtung zum Anschluß an supraleitende logische Schaltungen und zur Peststellung der von diesen bewirkten Stromänderungen, gekennzeichnet durch:

- einen ersten Zweig (20; Fig. 2a) mit einem selbstrückstel-· lenden ersten Josephsonkontakt (Jl), einer zugeordneten Steuerleitung {2k) und einer ersten mit dem Kontakt in Reihe geschalteten Induktivität (Ll),

- einen parallel zum ersten Zweig geschalteten zweiten Zweig (22) mit einer zweiten Induktivität (L2), die größer oder gleich der ersten Induktivität ist,

- eine dem ersten Zweig zugeordnete Detektorvorrichtung

(J-Abfühl) zur Peststellung vom Stromänderungen im ersten Zweig.

Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorvorrichtung aus einem zweiten Josephsonkontakt (J-Abfühl) besteht, der so mit der Abfühlvorrichtung gekoppelt ist, daß deren erster Zweig als Steuerleitung (26) für den zweiten Josephsonkontakt dient.

Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Taktgenerator (24) drei Taktsignale zur Steuerung folgender AblaufSequenzen erzeugt:

- ein erstes Taktsignal (01) zur Umschaltung des ersten Josephs onkon takt s (Jl) durch gleichzeitiges Anlegen eines Arbeitsstroms (Ig) und eines Steuerstroms (Ic) an den ersten Kontakt und damit zur Verlagerung des die logische Schaltung und die Abfühlvorrichtung durchfließenden Arbeit sstroms (Ig) in deren zweiten Zweig,

- ein zweites Taktsignal (02) zur Eingabe der Daten an die logische Schaltung und zur Beaufschlagung des Detektorkontakts (J-AbfÜhl) mit einem Vorstrom derart, daß eine Strom änderung im ersten Zweig den Detektorkontakt in den spannungsbehafteten Zustand umschaltet,

609826/0630

- ein drittes Taktsignal (03) zur Abschaltung des Arbeits- ; Stroms (Ig) und zur Umschaltung des ersten Josephsonkon- j takts (Jl) in den spannungsbehafteten Zustand, um damit etwa verbliebene Ringströme in der Abfühlvorrichtung zum Abklingen zu bringen. ;

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Anprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschalten des ersten : Josephsonkontaks (Jl) zur Beseitigung etwa in der Abfühlvor-·· richtung verbliebener Ringströme nach dem Abschalten des j

Arbeitsstroms automatisch durch die Stromänderung erfolgt, ' die durch das Umschalten eines oder mehrerer Josephsonkontakte der logischen Schaltung hervorgerufen ist.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, das der erste Josephsonkontakt mit einem Nebensehlußwidersband (RS) versehen ist und daß die Kapazität des Kontakts sowie die Induktivität der Abfühlvorrichtung die Bedingung für einen kritisch gedämpften Josephsonkontakt erfüllen und somit die Selbstrückstellung des Kontakts ermöglichen.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

5, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Abfühlung eines ODER-Verknüpfungsgliedes mit Mehrfacheingängen dient, · wobei die logische Schaltung aus Paaren von Josephsonkontakten (Xl,... Xn) für jedes Eingangssignal in symmetrischer Anordnung auf einer übertragungsleitung besteht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß der Abfühlvorrichtung an die übertragungsleitung mit zwei symmetrisch angeordneten Widerständen _; (Rl, R2) erfolgt, deren Wert der charakteristischen Impedanz (ZO) des betreffenden Teils der übertragungsleitung entspricht.

PO 974 029

609826/0630

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7_S dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis erste Induktivität zu zweiter Induktivität den Wert 1:9 aufweist.

PO 974 029

609826/0630

Leerseite