DE2535425C2 - Abfühlvorrichtung für supraleitende Logikschaltungen - Google Patents

Description

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

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Taktgenerator (Fig.2b) drei Taktsignale zur Steuerung folgender Ablaufsequenzen erzeugt:

— ein erstes Taktsignal (Φ1) zur Umschaltung des ersten Josephsoakontak« (J 1) durch gleichzeitiges Anlegen eines Arbeitsstroms (ig)und eines Steuerstroms (Ic) an der ersten Kontakt und damit zur Verlagerung des die logische Schaltung und die Abfüllvorrichtung durchfließenden Arbeitsstroms (Ig) in deren zweiten Zweig,

— ein zweites Taktsignal (Φ 2) zur Eingabe der Daten an die logische Schaltung und zur Beaufschlagung des Detektorkontakts (J-Abfühl) mit einem Vorstrom derart, daß eine Stromänderung im ersten Zweig den Detektorkontakt in den spannungsbehafteten Zustand umschaltet,

— ein drittes Taktsignal (Φ 3) zur Abschaltung des Arbeitsstföfns (Ig) und zur Umschaltung des ersten Josephsonkontakts (Ji) in den spannungsbehafteten Zustand, um damit etwa verbliebene Ringströme in der Abfüllvorrichtung zum Abklingen zu bringen.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschalten des ersten Josephsonkontakts (Ji) zur Beseitigung etwa in der Abfüllvorrichtung verbliebener Ringströme nach dem Abschalten des Arbeitsstroms automatisch durch die Stromänderung erfolgt, die durch das Umschalten eines oder mehrerer Josephsonkontakte der logischen Schallung hervorgerufen ist.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste losephsonkontakt mit einem Nebenschlußwiderstand (RS) versehen ist und daß die Kapazität des Kontakts sowie die Induktivität der Abfühlvorrichtung die Bedingung für einen kritisch gedämpf ten Josephsonkontakt erfüllen und somit die Selbstrückstellung des Kontakts ermöglichen,

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Abfühlung eines ODER-Verknüpfungsgliedes mit Mehrfacheingängen dient, wobei die logische Schaltung aus Paaren von Josephsonkontakten (XX.,.Xn) für jedes Eingangssignal in symmetrischer Anordnung auf einer Übertragungsleitung

ίο besteht

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß der Abfühlvorrichtung an die Übertragungsleitung mit zwei symmetrisch angeordneten Widärständen (R 1, R 2) erfolgt, deren Wert der charakteristischen Impedanz (ZO) des betreffenden Teils der Übertragungsleitung entspricht.

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

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

Das Ausgangssignal von logischen Schaltkreisen, welche Josephsonkontakte 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 Feststellung 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 Stromändemngen 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 Potentialschwel-Ie zwischen zwei durch eine dünne nichtleitende Schicht getrennte Leiter getrieben werden können. Diese Schwelle wird dabei mit Hilfe eines Tunnelvbrgangs 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

f>> über die Elektronen-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 xwei benachbart liegenden supraleitenden Metallen auftreten sollte, die durch eine genügend dünne Isolierschicht voneinander getrennt sind. Die Isolierschicht verhält sich dann wie ein supraleitendes Metall bei diesem Josephson-Tunneleffekt Bei dieser Art von Tunneleffekt wird kein Potentialunterschied überwunden und der Strom erfährt infolgedessen auch keinen Widerstund. Die grundlegende Veröffentlichung über den Josephson-Tunneleffekt ist »Possible New Effects in Superconductive Tunnelling« von B. D. Josephson in Physic Letters, Vol. 1, Seiten 252 bis 253 vom 1. Juli 1962. Im allgemeinen besteht ein Josephson-EIement oder ein Josephson-Kontakt aus einer dünnen Oxidschicht zwischen zwei supraleitenden Leiterzügen. Mindestens eine Steuerleitung ist 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. In dem Bereich unterhalb des maximalen Josephson-Stroms /max fließt ein Tunnelst.-ym aus Cooperpaaren. Dies ist das sogenannte »Paar'.unneln«, und der Spannungsabfall am Kontakt ist Null. Das Element befindet sich also im supraleitenden Zustand. Wird der Stromwert / max überschritten, so schaltet das Element in den anderen, 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 Tunnel Vorgang bei Einzelteilchen wird von einem Spannungsabiall begleitet, der von dem Tunnelstrom hervorgerufen wird und dessen Betrag gleich der Energielückenspannung Vg entspricht

Im sogenannten spannungsbehafteten Zustand eines Josephsonkontakts bleiben die Leiterbezüge in supraleitenden Zustand und durch die isolierende Zwischenfläche fließt ein funnelstrom. In Josephsonelementen tritt ein sehr geringer Spannungsabfall auf, was eine sehr geringe Wärmedissipation ergibt. Wird der Strom nach dem Umschalten in den spannungsbehafteten Zustand reduziert oder abgeschaltet, so tritt ein Hysteresereffekt auf, d. h. das Zurückschalten in den supraleitenden Zustand erfolgt bei einem Stromwert, der beträchtlich unterhalb des Werts /max liegt. Der maximale Josephsonstromwert /max kann durch steuernde Magnetfelder beeinflußt werden, die von dem Strom hervorgerufen werden, der durch die benachbart liegenden Steuerleitungen fließt. Der maximale Josephsonstrom, bei dem das Umschalten vom supraleitenden in den spannungsbehafteten Zustand erfolgt, kann durch entsprechende Konstruktion des Josephsonkontakts variiert werden.

Da Josephsonkontakte zwei unterscheidbare Zustände einnehmen können, lassen sie sich auch in binären Schaltkreisen verwenden. In der US-Patentschrift 32 81 609 wird ein supraleitendes Schaltelement unter Verwendung von Tunneleffekten beschrieben. Die Eingangsströme werden dort durch einen loscphsonkontakt geschickt. Übersteigt der Strom, der durch den (osephsonkontakt Hießt,den maximalen Joscphsonwert. so schallet der Kontakt in «.einen spynnun«rsbehafteteii Zustand um. Der sidi daraus ergebende Ausgangsstrom fließt durch einen ArbeitswidcrMand. tier parallel /um loscphsonkontakt gcschii!;ct ist Die IIS-Patentschrift Jb 2b J91 bildel .'in Beispiel vk," Anwendung von Josephsonkontakten für Speicherzwecke, Die Binärwerte werden durch die Richtungen eines kreisförmiger 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 Figuren wird vorgeschlagen, daß die Stromverteilung in zwei Zweigen einer supraleitenden Schleife gesteuert werden kann.

In der US-Patentschrift 37 58 795 wird ein binärer Logikschaltkreis unter Verwendung von Josephsonkontakten beschrieben, wobei eine Leit,<=.g, die mit ihrer charakteristischen Impedanz abgeschkssen 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 Josephsonarbeitsstromes festgestellt werden muß.

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

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

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

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand vor Zeichnungen näher erläutert. F.s zeigt

h5 F i g. I die schematische Darstellung eines logischen Schaltkreises aus dem Stand der Technik /ur Durchführung einer mehrfachen ODF.R-Verkniipfung unter Verwendung von |osephsonkontaktcn als logische

Elemente:

F i g. 2 die schematischc Darstellung eines Mohrfach-ODER logischen Schaltkreises und den Abfühlschaltkreis entsprechend der vorliegenden Erfindung;

F i g. 2b die schematische Darstellung eines dreiphasigen Taktgenerators zur Versorgung des in Fig. 2a gezeigten Schaltkreises mit Taktsignalen;

F i g. 3 die Wellenform der dreiphasigen Betriebsweise der Abfühlvorrichtung in graphischer Form;

F i g. 4 die Wellenform zur Angabe der Ströme, die in den jeweiligen Zweigen einer typischen Abfühlschaltung auftreten;

F i g. 5 die Funktionsdarstellung des Arbeitsstroms Ig als Funktion der Kontaktspannung Vg;

Fig. 6 die Funktionsabhängigkeit des Arbeitsstroms Igvom Steuerstrom Ic.

In Fig. 1 ist ein Mehrfach-ODER-Schaltkreis dargestellt, der aus einer Kette von N Paaren von Gliedern besteht, deren jedes zum Abfühlen des Zustands einer Eingangsleitung in einem /V-Eingangs-ODER-Schaltkreis verwendet werden kann. Der Mehrfach-ODER-Schaltkreis bildet eine symmetrische Anordnung, wobei eine Anzahl von Josephsonkontakten Xi, X2, ...Xn jeweils in Reihe auf jeder Hälfte einer Übertragungsleitung 12 angeordnet sind. Ein Arbeitsstromgenerator 10 erzeugt einen Arbeitsstrom 2/0, der in jeder Hälfte der symmetrischen Übertragungsleitung 12 einen Strom /0 hervorruft und mit Hilfe dieses Arbeitsstroms jeden der loscphsonkontakte X1 bis Xn entsprechend voreinstellt. |ede Eingangsleitung für die (osephsonkontakte wird einen 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 ZO verwendet werden, wobei ZO die charakteristische Impedanz der leitung ist, können natürlich auch einzelne [osephsonkontakte für jede einzelne Eingangsleitung verwendet werden. Die Eingangssignale für die losephsonkontakte X 1 ... 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 Strom in der Übertragungsleitung 12 herabsetzt. Es sollte bujchtet werden, daß mehr als ein Eingangssignal mit einer logischen »I« eine entsprechende Anzahl von Josephsonkontaktpaaren umschaltet und dabei einen entsprechenden Abfall des Stroms auf der Übertragungsleitung hervorruft. Die maximale Betriebsgeschwindigkeit für die Übertragungsleitung mit N F.ingangsleitungen für die ODER-Schaltungen ergibt sich bei ordnungsgemäßen Abschluß an jedem Ende der geteilten Schleife mit Hilfe der Widerstände ZO. Der Abfühlschaltkreis umfaßt nicht nur den ursprünglichen Arbeitsstrom /0 für die josephsonkontakte. er muß außerdem in diesem Strom die zusätzliche Stromänderung infolge des Umschaltens irgendeines der Josephsonkontakte in der Kette unterscheiden können. Der Abfühlschaltkreis gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 2a als Schaltkreis 14dargestellt. In Wirklichkeit wird der Abfühlschaltkreis anstelle der in Fig.! gezeigten Abfühlleitung angeschlossen. Der Abfühlschaltkreis könnte aber auch zwischen die Impedanzen ZO äni änderen Ende der Übertragungsleitung äfi ucT mi! A bezeichneten Stelle eingebaut werden. Der ÄbfühSschaitkreis an der Stelle .4 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 Einführung des Abfühlschaltkreises 14 in den gesamten logischen Schaltkreis entsprechend der

ίο Darstellung in Fig. 2a stört die Symmetrie der Einrichtung nicht, da diese durch die beiden Widerstände Kl=ZO und R2 = ZO, die an beiden Enden der Abfühlvorrichtung 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 /0 für beide Seiten der Übertragungsleitung erzeugt.

Der Abfühlschaltkreis 14 umfaßt einen losephsonkontakt /1 und eine Induktivität L\ in seinem ersten Zweig 20. Der zweite Zweig 22 der Abfühlschaltung 14 enthält eine Induktivität L 2. Diese Induktivitäten werden so ausgewählt, daß L 2 um ein beträchtliches größer ist als L 1. Infolgedessen wird der Großteil des Stroms, der in die Schleife der Abfühlschaltung eintritt, in den Zweig mit der geringeren Induktivität L 1 gelangen. In einem typischen Fall ist L 2 = 9 L 1, so daß der Zweig mit dei Induktivität L 1 90% des Eingangsstroms /0 führt. Der Josephsonkontakt / 1 im Zweig 20 befindet sich in seinem supraleitenden Zustand, so daß der Teil des Eingangsstroms /0 im Zweig 20 durch ihn

j5 hindurchgeht. Der Kontakt / 1 wird umgeschaltet, wenn am Steuereingang 24 zur Zeit Φ 1 ein Steuerstrom /1 angelegt wird. Es ist dabei zu beachten, daß zur Zeit Φ 1 der Strom

β,,Α wobei./? =

Ll

L\ + Ll.

ebenfalls durch den Kontakt /1 fließt und damit den notwendigen Vorstrom darstellt. Die Überlagerung des Vorstroms β /0 und des Steuerstroms / 1 imjosephsonkontakt /1 reicht aus, um den Josephsonkontakt /1 in seinen spannungsbehafteten Zustand umzuschalten. Das Umschalten des Josephsonkontakts /1 in seinen spannungsbehafteten Zustand bewirkt, daß der Teil des Eingangsstroms /0, der in Zweig 20 fließt, nun du^r".h den zweiten Zweig 22 mit der Induktivität L 2 fließt.

Am Ende des Taktimpulses Φ 1 hat der Josephsonkontakt /1 auf 0 zurückgeschaltet. Zur Taktzeit Φ 2 werden die Eingangssignale an die logischen Elemente

X1 ... Xn der logischen Schleife der Übertragungsleitung angelegt und die Josephsonkontakte, die mit dem logischen Signal »I« beaufschlagt werden, schalten in ihrem spannungsbehafteten Zustand um. Das Umschalten eines oder mehrerer der Josephsonkontakte in den

spannungsbehafteten Zustand prägt der Übertragungsleitung eines 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 Strornfluß auf beiden Teilen der Übertragungsleitung. Der Stromfluß in Richtung auf den Abfühlschaltkreis von irgendeinem der umgeschalteten Josephsonkontakte ist

dabei negativ. Zur Zeit Φ 2 ist der Josephsonkontakt / 1 automatisch in seinen supraleitenden Zustand zurückgeschaltet. Diese automatische Rückstellung wird in Verbindung mit F i g. 2 genauer beschrieben. Der sogenannte nachfolgende Strom, der durch das Umschalten von einem oder mehreren der Josephsonkontakte ΑΊ.. Xn in der Übertragungsleitung hervorgerufen wird, ge'angt in den Abfühlschaltkreis und fließt durch die beiden Zweige in solchen Beträgen, die umgekehrt proportional zu den Induktivitäten L I und /, 2 sind. Der Strom, der durch Zweig 20 fließt, wird mit Hilfe eines weiteren Josephsonkontaktes /-Abfühl festgestellt, der mit Zweig 20 über eine Steuerleitung 26 verbunden ist. Es ist dabei zu beachten, daß der Eingangsstrom /0 für den Abfühlschaltkreis 14 nach seiner Verschiebung in Zweig 22 aufgrund des Umschaltens von Kontakt /1 in den Zweig 22 bleibt, wenn der Josephsonkontakt / 1 in seinen supraleitenden Zustand zurückschaltet. Folglich wird der Hauptteil der Stromänderung, die in der Abfühlschaltung 14 nach dem Anfangsstrom /0 erscheint, durch den Zweig 20 laufen, der den Josephsonkontakt /1 enthält. Dieser Strom /1, der durch Zweig 20 fließt, wird mit dem Josephsonkontakt /-Abfühl festgestellt. Der Abfühlschaltkreis hat also im wesentlichen den Strom /0, d.h. den ursprünglichen Vorstrom, der auch als Störrauschen aufgefaßt werden kann, von dem Strom /1 abgetrennt. Das Signal-Rauschverhältnis wird dadurch theoretisch unendlich. Da die logischen Eingangssignale zur Umschaltung eines der Josephsonkontakte in der Übertragungsleitung zur Zeit Φ 2 angelegt werden, wird der Josephsonkontakt /-Abfühl ebenfalls zur Zeit Φ 2 mit einem Vorstrom aktiviert, der zusammen mit dem Steuerstrom /1 in Zweig 20 den Kontakt /-Abfühl in seinen spannungsbehafteten Zustand umschaltet und damit anzeigt, daß ein Strom /1 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 /1 und aller erforderlichen Nebenschlußwiderstände RS, die parallel zu den Josephsonkontakten liegen, werden so gewählt, daß der Josephsonkontakt /1 kritisch gedämpft wird; /1 nimmt damit wiederum ungefähr den Wert 0 ein und der Kontakt /1 wird in der Schleife zurückgesetzt, wobei sich /2 gleich /1 und /1 ungefähr gleich 0 einstellt.

Wenn der Strom in der logischen Schleife auf Null gesetzt wird, um zur Zeit Φ 3 die logischen Glieder zurückzusetzen, bleibt in der Abfühlschleife ein Dauerstrom zurück. Dieser Ringstrom in der Abfühlschleife stellt für /1 einen genügend großen Vorstrom dar, um diesen Kontakt in seinen spannungsbehafteten Zustand umzuschalten, wenn ein ausreichend starker Steuerstrom an den Steuereingang 24 angelegt wird, der zum Abschalten des Ringstromes führt Es ist außerdem möglich, automatisch jeden restlichen Ringstrom zum Verschwinden zu bringen; dies kann ohne jedes Eingangssignal an die Steuerung von /1 geschehen und zwar durch geeigme Auswahl der Verstärkungscharakteristik für /1 bezüglich des ursprünglichen Signalstroms /0, d.h. der Stromänderung infolge des Umschaltens irgendeines Abfühlpaares und der Stromänderang infolge des Abschaltens des Stromgenerators 21. In anderen Worten, der Reststrom infoige des Umschaltens eines oder mehrerer Abfühlpaare ergibt zusammen mit der Stromänderung beim Abschalten des Stromgenerators einen resultierenden Strom, der ausreicht, den Umsehe Itpunkt /max des Josephsonkontakts /1 zu überschreiten. Der Kontakt /1 schaltet damit automatisch in seinem spannungsbehafteten Zustand um und bringt damit den Reststrom zum j Verschwinden.

Zusammengefaßt beginnt der Arbeitszyklus mit dem Anlegen von /0 zur Zeit Φ 1 und damit dem Aufbau des Stromes /2 in der logischen Schleife. Zur gleichen Zeit schaltet /1 unter Steuerung eines Steuerstromes zur

ίο Zeit Φ 1 in seinen spannungsbehafteten Zustand um und verlagert daher den gesamten Strom /0 in dem Abfühlschaltkreis auf den zweiten Zweig 22 des Abfühlkreises, in dem sich die große Induktivität befindet. Nachdem sowohl die Ströme in der logischen

ι", 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 eine Stromänderung hervor, deren Großteil durch Zweig 20 der Abfühlschaltung 14 fließt und durch /-Abfühl festgestellt wird. Der Josephsonkontakt /-Abfühl wird zur Zeit Φ 2 durch einen Vorstrom so eingestellt, daß er umschaltet, wenn der Strom /1 auf der Steuerleitung 26 erscheint. Während der Zeit Φ 3 wird /0 entfernt und damit die

r> Glieder der logischen Schleife zurückgesetzt. Der Kontakt J 1 in der Abfühlschleife schaltet um, wenn die Steuerung /1 zur Zeit Φ 3 gleichzeitig mit dem in Abfühlschaltkreis vt-rbleibenden Ringstrom angelegt wird. Damit werden entsprechend der obigen Beschreibung die Ringströme η der Abfühlschleife gleich Null.

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

R Total

__ m (5,0 mV)
4Z0

Ist beispielsweise M= 1 (d. h. der ungünstigste Fall bezüglich der Unterscheidungsfähigkett) und ZO=I Ohm, so wird 4/= 1,25 mA. Dieser Wert der Stromänderung stellt das minimale logische Signal »1« zum Abfüllen 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 = 9Z.l, wird /1 = 1,12 mA mit dem ursprünglichen Wert von /min. Ist beispielsweise /min der Abfühlschleife gleich 0,1 mA, so gilt:

Δ1\

AI

Ll

11 Anfangs

LI + L2
/min

= 11,2.

Für den Steuerstrom /1 des Abfühlkontakts /-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 /0 mit einer Stromänderung AI entsprechend der obigen Beschreibung für das Umschalten eines einzelnen Paars von Kontakten. Die maximale Stromänderung zl/kann nicht größer als /0 sein, so daß der Wert des Signal-Rauschverhältnisses gleich ^j- = 1,0 ist

s &5 Es ist dabei zu beachten, daß mit kleiner werdenden Geometrien der Kontakte und der Schaltkreise, die Impedanzpegel entsprechend größer werden und der Betrag der Stromänderung 4/für ein einzelnes Paar von

umschaltenden Kontakten im Verhältnis zu /0 kleiner wird und sich somit das Signal-Rauschverhältnis vermindert.

Die Erfindung beschreibt einen Abfühlschaltkrcis, der mit einem schnell arbeitenden und viele Eingangssignale aufweisenden logischen Schaltkreis wie beispielsweise einem ODER-Schaltkreis verwendet werden kann. Dieser erfindungsgemäße Schaltkreis liefert eine große Signal-Rausch-Piskriminierung, er arbeitet sehr schnell wenn er mit großen Übertragungssystemen verwendet wird und er ist besonders vorteilhaft für den Einsät/, in assoziativer Logik, (array logic) bei der ODF.R-Schaltkrcisc mit sehr vielen Eingangssignal (großem fan-in) erforderlich sind.

F i g. 3 zeigt eine typische Wellenform für einen Multi-ODER-Schaltkreis, in dem das Umschalten eines josephsonkonlakts eine Stromänderung von 0,3 mA bei einem Eingangsarbeitsstrom von ungefähr 3 mA liefert, wie man sieht, ist die Wellenform in drei Phasen aufgeteilt, die Einstellphase Φ 1, die Dateneingabephase Φ 2 und die Zurücksetzungsphase Φ 3. Die Stromandcrung ist als/!/dargestellt. Es sollte beachtet werden, daß die Stromänderung ΔΙ von 0,5 mA in Anwesenheit des als Arbeitsstrom fließenden Vorstroms /0 von ungefähr 2.5 mA festgestellt werden muß.

In ähnlicher Weise zeigt F i g. 4 eine typische Wellenform für den Strom /1 und /2 in einem Abfühlschallkrcis der oben beschriebenen Art. wenn Jieser mit einem Multi-ODF.R 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 Φ 1 der Strom /2 in der Abfiihlschleifc ein Maximum von fast 2 mA, während der Strom / 1 im ersten Zweig den Wert von ungefähr /min (0,013mA) annimmt. Dieser Sachverhalt wird durch das Umschalten und das nachfolgende Zurückschalten des Josephsonkontakts 7 1 hervorgerufen. Die Kurve für den Strom /2 ändert sich praktisch nicht, wenn eine Stromänderung AI aufgrund des Umsehaltens von logischen Gliedern erfolgt. Während der Kücksetzzeit wird der Strom 12, der als Ringstrom zurückbleibt, durch das Umschalten des Josephsonkontakts /1 während der Zeit Φ 3 zum Verschwinden gebracht. Die Kurve für /1 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 Φ 2 festgestellt. In ähnlicher Weise führt während der Zurücksetzzeit Φ 3 das Umschalten von J1 zum

Verschwinden des Ringstroms. Es sollte beachtet werden, daß die Wellenform, die den Strom / I darstellt, den Strom von 0,408 mA feststellen muß, der etwas geringer ist als 0,5 mA, dir in Verbindung mit der Wellenform von F i g. 3 festgestellt werden müssen; diese 0.408 mA können jedoch ohne Störungen oder Rauschen des Signals /0 festgestellt werden. Das Signal-Rauschverhältnis wird dadurch theoretisch bis auf den Wert unendlich erhöht, und zwar dann, wenn /min tatsächlich 0 ist. Im obigen Beispiel beträgt das

Signal-Rauschvcrhältnis^rrrj-= 29.

F i g. 5 zeigt ein Diagramm des Josephsonslroms Ig durch einen Josephsonkontakt J1. aufgetragen als Funktion der Spannung V2 an dem Kontakt / 1. Diese Kurve stellt die übliche Abhängigkeit für Paartunn-in durch den Kontakt im supraleitenden Zustand und Einzclteilchcn-Tiinncln durch den Kontakt im spaniiungsuL'iiaiieicii Zumluiu ilii. Süoinu Wn /u einer Stärke von /max fließen also durch den Kontakt in seinem supraleitenden Zustand. Wenn der Strom Ig durch den Kontakt diesen Wert /max 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 Vg ein. Wenn der Strom durch den Kontakt auf einen Wert geringer als /max herabgesetzt wird, folgt die Spannung am Kontakt den durch A und B dargestellten Kurventeilen, bis hin zum Wert /min und dann in den supraleitenden Zustand. Befindet sich J 1 in seinem supraleitenden Zustand und fließt durch diesen Kontakt /1 ein Strom /max. so wird durch ein den Kontakt / 1 durchsetzendes genügend starkes Magnet-¹OId der kritische Strom durch / 1 auf einen Wert kleiner als /max vermindert und der Tunnelkontakt / 1 schaltet sofort in seiner spannungsbehafteten Zustand um.

Fig. 6 zeigt die Verstärkungskurve für einen typischen Josephsonkontakt. Diese Kurve stellt eine unsymmetrische Versiärkuiigsk-in't- dar. die man erhält, wenn der Strom /max durch den Josephsonkontakt als Funktion eines Steuerstrom Ic aufgetragen wird, mit dessen Hilfe ein den Kontakt durchsetzendes Magnetfeld aufgebaut wird. Der Steuerstrom /r kann bezüglich des Josephsonkontakts so gerichtet sein, daß er ein Magnetfeld aufbaut, das entweder das Eigenmagnetfeld des Kontakts verstärkt oder dem Eigenmagnetfeld entgegengerichtet ist. Hierbei ist zu beachten, daß der Bereich innerhalb der Verstärkungskurve von Fig. 6 dem supraleitenden Zustand entspricht, während der Bereich außerhalb der Verstärkungskurve dem spannungsbehafteten Zustand des Josephsonkontakts Xn entspricht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Abfüllvorrichtung zum Anschluß an supraleitende logische Schaltungen und vxr Feststellung der von diesen bewirkten Stromänderungen, gekennzeichnet durch;

— einen ersten Zweig (20; Fig.2a) mit einem selbstrückstellenden ersten Josephsonkontakt (J 1), einer zugeordneten Steuerleitung (24) und einer ersten mit dem Kontakt in Reihe geschalteten Induktivität (L 1),

— 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 (7-AbFOhI) zur Feststellung vom Streunänderungen im ersten Zweig.