DE2704840C2 - Elektronisch veränderbarer logischer Schaltkreis mit Josephson-Elementen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine logische Verknüpfungsschaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Josephson-Elemente sind für Anwendungen als Speicherzeilen und als Verknüpfungsglieder in ultraschnellen logischen Schaltkreisen bekannt. Die Eigenschäften eines typischen Josephson-Elements sind genau in dem Artikel Proceedings of the IEEE, Februar 1967. Vol. 55, Seiten 172 bis 180 beschrieben. Ein typisches logisches Verknüpfungsglied besteht danach aus einer Torschaltung (dem eigentlichen umschaltbaren Kontakt) und einer Steuerleitung, die isoliert über den Kontakt angebracht ist. Die Steuerleitung besteht normalerweise aus einem Supraleiter, wie beispielsweise Niob, Zinn oder Blei. Der Josephson-Kontakt selbst besteht aus zwei Streifen supraleitenden Materials, die

sich überlappen. Im Überlappungsbereich sind die beiden Streifen voneinander durch eine Tunnelgrenzschicht getrennt, die bcispielsv/cisc aus einem Oxid einer der beiden Supraleiter hergestellt werden kann. Die Oxidgrenzschicht weist üblicherweise eine Dicke in der

Größenordnung von 10 bis 30 A auf. Der Kontakt und die Steuerleitung werden normalerweise isoliert über einer supraleitenden Grundplatte angeordnet.
Ein Arbeitsstrom l_e wird durch das Element geschickt

weiches in seinem supraleitenden Zustand eine Kurzschlußverbindung parallel einem Ausgangswiderstand Z₀ darstellt. Wenn die lineare Summe des Eingangsstroms /_cden Josephson-Schweliwertstrom /_m unterhalb den Wert I_g drückt, bewirkt der Strom ein Umschalten in einen Zustand, in dem an dem Element eine Spannung gleich oder kleiner 2A/e(2A/e=2,5 mV für Elemente aus Blei) auftritt. Nach dem Umschalten erzeugt die Spannung V_g im Ausgangswiderstand einen Strom I_n der gleich VJZ₀ ist. Dieser Strom kann dann zur Steuerung anderer Schaltkreise verwendet werden. In den meisten Fällen bleibt das umgeschaltete Element in dem spannungsführenden (normalleitenden) Zustand und muß zum Zurücksetzen in den supraleitenden Zustand eine momentane Herabsetzung von I_g erfahren. Es sind aber auch schon mit Gleichstrom betriebene Schaltkreise bekannt geworden, die nicht selbstverriegelnd sind, d. h. die ohne weitere Maßnahmen wieder in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehren, ein derartiger Vorschlag stammt von W. Baechtold, »Digest of Technical Papers«. I. S. S. C. C, Philadelphia, 1975, Seite 146.

Logische Schaltkreise mit selbstverrie^elndsh und nicht selbstverriegelnden Elementen sind im Stand der Technik bekannt. Im US-Patent 38 91 864 sind logische Schaltkreise unter Einschluß von UND-, ODER- und Inverterschaltkreisen angegeben, wobei genau die Betriebsbedingungen für die verschiedenen Arten von Josephson-Elementen beschrieben sind.

Verriegelnde UND- und ODER-Schaltkreise sind irn US-Patent 38 43 895 angegeben. In beiden Patenten enthält der UND-Schaltkreis eine Mehrzahl von parallel geschalteten Josephson-Elementen, wobei jedes getrennt durch eine Steuerleitung beaufschlagt wird und alle diese Elemente durch einen Lastwiderstand überbrückt sind. In dem letztgenannten Patent besteht der ODER-Schaltkreis aus einem Paar von in Reihe geschalteten Josephson-Elementen, von denen jedes durch einen Steuerstrom getrennt aktiviert wird und beide eine Last parallel geschaltet haben.

Ähnlich? Konfigurationen sind auch im IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 18, Nr. 9, Februar 1976, Seite 3128 angegeben.

In einem weiteren Artikel IBM Technical Disclosure Bulletin Vol. 18, Nr. 11. April 1976, Seite 3894 wird ein UND-Verknüpfungsglied angegeben, das nicht-selbstverriegdnd arbeitet. In diesen. Artikel wird auch vorgeschlagen, Vorströme zu verwenden, um die nicht verriegelnden Elemente im umgeschalteten Zustand aufrechtzuerhalten, so daß bei Anlegen von Steuersignalen an jedes Elenrint der Ausgangsstrom von der zum Element parallel liegenden Last entfernt wird. Ein derartig :r Schaltkreis kann dann natürlich als Inverterkreis angesehen werden.

Im IBM Technical Disclosure Bulletin. Vol. 18, Nr. 11, April 1976, Seite 3897 werden sowohl UND- und ODER-Schaltungen angegeben, die im nicht-selbstverriegelnden Betrieb verwendet werden können.

Im Stand der Technik sind somit verschiedene Arten von Logikkreisen mit Josephson-Elementen bekannt Es zeigt sich aber, daß eine einzelne Schaltkreiskonfiguration bestenfalls zwei logische Funktionen realisieren kann, beispielsweise die obengenannten Funktionen UND- und NOR. Ein Schaltkreis mit mehr als zwei logischen Funktionen ist nicht bekannt, ebensowenig ein Schaltkreis der mehr als zwei logische Funktionen aufweist und dessen Ausgangssignale an einem einzigen Paar von Ausgang-i'ilemmen abgenommen werden können.

Die vorliegende Erfindung hat sich deshalb zur Aufgabe gemacht, eine Schaltungskonfiguration mit Josephson-Elementen anzugeben, mit der eine Vielzahl von logischen Verknüpfungen der Eingangssignale verwirklicht werden können und die auf elektronischem Wege in verschiedene Betriebsweisen mit jeweils verschiedener logischer Verknüpfung umgeschaltewerden kann. Das Ausgangssignal soll dabei immer an denselben Anschlußpunkten abnehmbar sein.

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

Bei der erfindungsgemäßen Lösung handelt es sich im wesentlichen um einen elektronisch veränderbaren logischen Schaltkreis, dessen logische Ausgänge als Funktion von angelegten Steuersignalen verändert werden können. Der Schaltkreis verwendet nicht-selbstverriegelnde Josephson-Elemente und liefert wahre und komplementäre Ausgangssignale an einem Paar von Ausgangsklemmen, wenn mindu^ens ein Paar einer Vielzahl von Paaren bestimmter Vors.röme an mehrere in Serie geschaltete Josephson-Elemente angelegt wird. Die Josephson-Elemente sind so angeordnet daß ein wahres Ausgangssignal an einem Ausgangskreis erscheint, der parallel zu einem Paar von Josephson-Elementen Hegt, während das Komplement des wahren Ausgangssignals an einem Ausgang abgenommen werden kann, der parallel zu einem mit entsprechend eingestelltem Vorstrom beaufschlagten Josephson-Element liegt, das seinerseits in Serie mit dem obenerwähnten Paar von Josephson-Elementen geschaltet ist. Das komplementäre Ausgangssignal wird erhalten, indem ein Teil des Ausgangsschaltkreises, der parallel zu dem Paar von Josephson-Elernenten liegt, als Steuerleitung für das Josephson-Element verwendet wird, das in Serie mit dem Paar von Josephson-Elementen geschaltet ist. Der Strom durch diesen als Steuerleitung dienenden Teil wirkt dann in entgegengesetzter Richtung wie ein Vorstrom und hat zur Folge, daß ein vorhandenes wahres Ausgangssignal den Stromfluß in dem Ausgangsschaltkreis unterdrückt, der das komplementäre Ausgangssignal liefert; dasselbe gilt auch für den umgekehrten Fall. Außer der Erzielung von wahren und komplementären Ausgangssignalen, <iie auch als UND-, NAND-, ODER-, und NOR-Ausgangssignale gekennzeichnet werden können, ist es möglich, diese gleichen Ausgangssignale auch an den Klemmen für die komplementären Ausgangssignale zu erhalten, indem einfach binäre Kombinationen von Vorströmen an die beiden Vorstroinleitungen gelegt werden, die zu dem logischen Schaltkreis gehören. Es ist also möglich, bei entsprechend gewählten Vorströmen die Eingangssigrifaie in einer UND-Verknüpfung zu erhalten; für eine andere Wahl der Vorströme können dieselben Eingangssignale jedoch nach der ODER-Regel miteinander verknüpft werden. Durch einfache Veränderung der Vorströme kann also ein und derselbe Schaltkreis zu verschiedenen 7.eiten für die gleichen oder verschiedene Eingangssignale verschiedene logische Funktionen erfüllen. Wird eine Große Anzahl derartiger Sehaltkrei· se in einer Datenverarbeitungsanlage Verwendet, so kann die spezielle Funktion eines jeden Schaltkreises von einem Zeitraster zum nächsten umprogrammiert werden, um so die Maschine in vollkommen neuer Weise zu konfigurieren und als gänzlich verschiedene Maschine erscheinen zu lassen. Eine derartige elektroni-

sehe Funktionsveränderung ist insbesondere für Anwendungen auf dem Gebiet der Datensicherheit (Geheimhaltung, scambling) von Bedeutung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt

F i g. 1 das Blockdiagramm eines elektronisch steuerbaren logischen Schaltkreises, an dessen Ausgangsklemme Ausgangssignale verschiedener logischer Funktionen abgenommen werden können, wenn mindestens einem Paar von Eingängen Signale zugeführt werden. Durch einfache Veränderung der binären Vorströme an den Steuerklemmen des logischen Schaltkreises können die Eingangssignale entsprechend einer ODER-. NOR-. und NAND-Funktion miteinander verknüpft werden.

Fig. 2 in schematischer Darstellung einen Schaltkreis, der die erwähnten logischen Funktionen durch einfache Änderung der Vorströme erzeugen kann, die den umschaltbaren Elementen des Schaltkreises zugeführt werden. Im Schaltkreis der Fig. 2 können die umschaltbaren Elemente Josephson-Elemente sein.

Fig. 3 zeigt die Wahrheitslabelle mit der Beziehung zwischen den Eingangssignalen, den elektronisch veränderbaren Vorströmen und den Ausgangssignalen, die an R 2 erhalten werden, wenn die an den Schaltkreis von Fig.2 angelegten Vorströme verändert werden. Aus der Tabelle ergibt sich, daß ein Ausgangssignal entsprechend einer Anzahl von gewünschten logischen Funktionen erhalten werden kann, indem einfach die an den Schaltkreis gelegten Vorslröme verändert werden.

F i g. 1 zeigt das Blockschaltbild eines elektronisch steuerbaren logischen Schaltkreises, an dessen Ausgang eine Anzahl verschiedener Ausgangssignale abgenommen werden kann, die verschiedene logische Funktionen darstellen und unabhängig von den binären Signalen sind, die mindestens einem Paar von Eingangsklemmen zugeführt werden. Block 1, der in Fig. 1 auch durch »logische Funktion« gekennzeichnet ist. soll eine beliebige Art von elektrischem Schaltkreis darstellen, in dem umschaltbare Kiemente enthalten sind, der auf elektrische, -m zugeführte Signale einwirken kann und dabei entsprechend der Schaltkreiskorifiguration in Block 1 ein Ausgangssignal erzeugt, das angibt, daß die Eingangssignale in einer bestimmten Weise logisch verarbeitet wurden. Für das Folgende sei angenommen, daß die binären Signale A. 5 dem Block 1 über die Leiter 3 und 4 zugeführt werden. Enthält dann der Block 1 einen ODER-Schaltkreis. so erscheint am Leiter 5 ein Ausgangssignal, wenn ein eine binäre »1« darstellendes Sginal an einen oder an beide Eingänge 3, 4 angelegt wird. Abhängig von dem gewünschten Ergebnis kann Ger Block 1 Schaltkreise enthalten, mit denen die logischen Funktionen UND, NAND. NOR oder auch komplexere Verknüpfungen durchgeführt werden können. Bis zu diesem Punkt entspricht die Beschreibung dem Stand der Technik. Danach wird die logische Funktion in Block 1 üblicherweise so ausgelegt, daß sie eine bestimmte logische Verknüpfung der Eingangssignale durchführt; die binären Eingangssignale können dabei verschieden sein, die logische Funktion als solche, die auf die Eingangssignale angewendet wird, bleibt aber unverändert.

Bis zu einem gewissen Grad wurde im Stand der Technik schon erkannt, daß die logische Funktion NOR dadurch verwirklicht werden kann, daß ein Schaltkreis in dem Zustand festgehalten wird, in dem er die UND-Funktion mit Hilfe eines Vorstromes als Anfangsbedingung erzeugt and dann Eingangssginale angelegt werden, um den Vorstrom abzuschalten. Der Stand der Technik hat also Schaltkreise zur Vorfügung gestellt, die zusätzlich zur ursprünglichen logischen Funktion eine weitere logische Funktion verwirklichen konnten, und zwar insoweit, als ein einziger Vorstrom oder ein sonstiges Vorspannsignal einem Schaltkreis zugeführt wurde, um damit dessen ursprüngliche logische Funktion in eine andere logische Funktion umzuwandeln. Bei einer derart naheliegenden Realisierung ist es

ίο jedoch klar, daß zur Erzielung mehr als zweier logischer Funktionen mindestens ein weiterer Schaltkreis mit einer verschiedenen Konfiguration in Block 1 notwendig sein würde, der sowohl seine eigenen Eingangs- und Ausgangsverbindungen aufweist, als auch seine eigene Vorstromsleuerung für die logische Funktion. Es ist also keine Schaltkreisanordnung bekannt, die an einem einzigen Ausgang Signale abgeben kann, die den logischen Funktionen UND. NAND, ODER und NOR entsprechen und die einfach dadurch erzeugt werden können, daü mindestens ein Paar von Vorsirömen von dem Steuerblock 6 für die logische Funktion über ein Paar von Vorstromleitungen 7 und 8 an den logischen Funktionsblock 1 in Fig. 1 angelegt werden. Fig. I soll nach alledem also allgemein eine Schaltkreisanordnung darstellen, die in der Lage ist, nach Anlegen von entsprechenden Vorströmen oder Vorspannsignalen zusätzlich zu einer bestimmten logischen Funktion eine Vielzahl von verschiedenen logischen Funktionen zu erfüllet;.

F i g. 2 zeigt in schematischer Darstellung eine Schaltkreisanordnung, die bei Anlegen von binären Vorströmen Ausgangssignale erzeugt, die den logischen Funktionen UND, NAND. ODER und NOR entsprechen. Es werden somit logische Übertragungsfunktion nen auf binäre Eingangssignale angewandt und Ausgangssignale entsprechend dem Ergebnis der Übertragungsfunktion erscheinen an den einzigen Ausgangsklemmen. In F i g. 2 sind für einander entsprechende Elemente dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet. Der gestrichelt dargestellte Block 1 in Fig.2 enthält also einen Schaltkreis 10, dem binäre Eingangssignale A. B über die Leiter 3 und 4 zugeführt werden und dessen Ausgang Ober die Leiter 5 abgenommen werden kann. Außerdem liefert der gestrichelt dargestellte Block 6 die Vorstromsteuerung für die logischen Funktionen über die Leiter 7 und 8 an den Schaltkreis 10. Der Schaltkreis 10 besteht aus einer Anzahl von stromgesteuerten umschaltbaren Elementen, beispielsweise die wohlbekannten Josephson-Ele-

mente. Im folgenden wird die Beschreibung des Schaltkreises 10 am Beispiel von Josephson-Elementen durchgeführt und es wird angenommen, oj3 die zugehörigen Schaltelemente so aufgebaut sind, daß sie bei Tieftemperaturen arbeiten können. Zum Schaltkreis 10 gehört ein Paar von Josephson-Elementen 11 und 12, die in Fig.2 auch mit J. Ji bezeichnet sind; diese Elemente sind in Reihe geschaltet und liegen parallel zu einer abgeschlossenen Übertragungsleitung 13. Die Übertragungsleitung 13 ist mit einem Widerstand 14 abgeschlossen, der gleich ihrer charakteristischen Impedanz 2Z₀ ist; der Widerstand ist in F i g. 2 mit R1 bezeichnet

Die Josephson-Elemente II, Hi werden über die Steuerleitungen 15 bzw. 16 gesteuert, wobei letztere ihrerseits mit den Leitern 3 bzw. 4 verbunden sind.

Fig.2 enthält ein Josephson-Etement 17 (das auch mit /2 bezeichnet ist) und das in Reihe mit den Josephson-Elementen 11 und 12 liegt. Alle diese

Elemente werden von einer (nicht gezeigten) Stromquelle versorgt, die den in F i g. 2 mit dem Bezugszeichen Ig bezeichneten Arbeitsstrom liefert. Ein Teil 18 der abgeschlossenen Übertragungsleitung 13 ist so geführt, daß er mit dem Josephson-Element 17 elektromagnetisch gekoppelt ist. Der Teil 18 wird als Steuerleitung für das Element 17 verwendet. Das Josephson-Element 17 ist ebenso wie die Elemente 11 und ti parallel zu einer abgeschlossenen Übertragungsleitung 19 geschaltet* Die Übertragungsleitung 19 ist mit einem Widerstand 20 abgeschlossen, der gleich der charakteristischen Impedanz IZ_n der Übertragungsleitung 19 isi und in Fig. 2 mit R'l bezeichnet wird. Ein Paar von Vorstromleitern 21, 22 die elektromagnetisch gekoppelt mit den Josephson-Elementen /bzw. /1 und /2 sind, werden von den Vorstromquellen 23 bzw. 24 über die Leiter 7 bzw. 8 versorgt. Die Vorstromquellen 23,24 sind in F i g. 2 auch als Vorstrom 1 bzw. Vorstrom 2 bezeichnet und jede kann einen Strom liefern, der in dem zugehörigen Vorsiromieiter einen binären Charak- zu ter hat. Die Vorstromquellen 23, 24 können also Vorströme liefern, die einer binären »1« und einer binären »0« entsprechen. Später wird sich ergeben, daß die Art der Ausgangssignale vom Schaltkreis 10 ausschließlich durch die Natur der binären Vorströme bestimmt wird, die von den Stromquellen 23, 24 schließlich an die Steuerleitungen 15 und 16 gelangen. Bei den Stromquellen 23, 24 kann es sich um jede Art von gepulsten Stromquellen handeln, die zwei verschiedene Stromstärken erzeugen können; diese beiden Stromstärken können beispielsweise durch das Vornandcr.aein einer bestimmten Stromstärke und das Fehlen eines Stromes dargestellt sein. In F i g. 2 sind die Quellen 23, 24 mit dem Block 25 verbunden dargestellt, der als Steuerung für den Vorstrom bezeichnet ist. Bei der Steuerung für den Vorstrom 25 kann es sich dabei um einen programmierbaren Auslösekreis handeln, wie er üblicherweise auf dem Gebiet der Elektronik verwendet wird und der in der Lage ist. die Vorstromquellen 23,24 so einzustellen, daß zu jedem gegebenen Zeitpunkt -to Strompegel entsprechend »1« und »0« über die Leiter 7 bzw. 8 auf die Vorstromleitcr 21 bzw. 22 gegeben werden können. Für die meisten Anwendungen werden dabei im Normalfall die Vorströme während relativ langer Zeiträume an den Schaltkreis 10 angelegt werden. In Anwendungen betreffend Datensicherheit und Datenzerhackung können die Vorstrompegel jedoch auch mit sehr hoher Geschwindigkeit verändert werden. Den abgeschlossenen Übertragungsleitungen 13 und 19 ist ein Paar von Josephson-Elementen 26 bzw. 27 zugeordnet, die auch mit /3 bzw. /4 bezeichnet sind. Die Übertragungsleitungen 13 und 19 wirken als Steuerleiter für die Elemente 26 bzw. 27. Die Josephson-EIemente 26, 27 zeigen das Vorhandensein oder die Abwesenheit von Strom in den zugeordneten abgeschlossenen Übertragungsleitungen 13 bzw. 19 an. Das Umschalten eines der Elemente 26, 27 stellt den Abfühlvorgang für die Information in der üblich bekannten Weise dar.

Die Elemente /bis /4 können aus jedem der wohlbekannten Arten von Josephson-Elementen bestehen, es kann aber auch jedes dieser Elemente seinerseits aus mehreren Josephson-Elementen in einer sogenannten Interferometer-Anordnung bestehen. Außerdem sind alle Verbindungsleitungen, wie z. B. die Obertragungsleitungen 13, 19, die Steuerleiter 15, 16 und die Vorstromleiter 21,22 aus Materialien hergestellt die bei der Temperatur von flüssigem Helium (ungefähr 4,2° Kelvin) supraleitend sind. Die Überlragungsleitungen können aber auch aus Metallen bestehen, die bei derartigen Temperaturen noch normalleitend sind. Typische Josephson-EIemente und deren Verbindungen die zum Aufbau der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind im US-Patent 37 58 795 beschrieben. Ein typisches Herstellverfähren für Josephson-EIemente ist im US-Patent 38 49 276 angegeben. Widerstandsbehaftete Abschlüsse 14 und 20, die bei der Betriebstemperatur des Schaltkreises nicht supraleitend sein dürfen, können aus kompatiblen Materialien hergestellt werden, die bei der gewünschten Betriebstemperatur noch normalleitend sind. Das US-Patent 39 13 120 nennt ein Material und ein Herstellungsverfahren für eine Schaltung und einen Abschlußwiderstand, wie er hier erforderlich ist.

Die Josephson-EIemente der Schaltung 10 befinden sich in dem typischen supraleitenden Zustand ohne Spannungsabfall, wenn ein Strom Ig> der kleiner als ein Bestimmter Maximalwert isi, ungeiegi wifd und ifi einem normalleitenoen, spannungsbehafteten oder umgeschalteten Zustand, wenn der angelegte Strom diesen Maximalwert überschreitet; ein Umschalten kann auch beim gleichen Wert von l_g erfolgen, wenn mit Hilfe einer zugeordneten Steuerleitung der Maximalstrom herabgesetzt wird, bei dem das Element in seinen normalleitenden Zustand umschaltet. Die Elemente des Schaltkreises 10 unterscheiden sich in ihrem Betrieb also in keiner Weise von den üblichen Elementen. Außerdem sind die Elemente infolge des Werts der Widerstände Ri und R2 in bekannter Weise selbst zurücksetzend, d. h. sie kehren nach dem Umschalten in den supraleitenden Zustand zurück, ohne daß es nötig wäre, den Arbeitsstrom auf Null herabzusetzen.

Die Arbeitsweise der elektronsich änderbaren nicht selbstverriegelnden logischen Schaltkreise der vorliegenden Erfindung wird nun anhand der Fig. 2 und 3 näher beschrieben. Fig. 3 ist eine Wahrheitstabelle in der die Beziehung zwischen folgenden Größen angegeben sind: den Eingangssignalen, den elektronisch veränderbaren Vorströmen und den Ausgangssignalen die erhalten werden, wenn die an den Schaltkreis von Fig.2 angelegten Vorströme geändert werden. Zuerst soll der Schaltkreis 10 in dem Zustand betrachtet werden, in dem auf den Vorstromleitungen 21 und 22 keine Ströme fließen und auf den Steuerleitern 15 und 16 Signale vorhanden sind, die einer binären »0« entsprechen. Unter diesen Bedingungen und der weiteren Annahme, daß in den Elementen J, JX und /2 ein Strom l_g fließt, befinden sich alle diese Elemente in ihrem supraleitenden Zustand. Durch jedes der(Josephson-EIemente fließt somit der Strom l_g und an keinem der Abschlußwiderstände All, R2 kann ein Strom erscheinen. Jetzt soll der Pegel »0« der Vorströme in den Stromquellen 23,24 beibehalten werden und an den Steuerleiter 15 ein Signal entsprechend einer binären »1«, an den Steuerleiter 16 ein Signal entsprechend einer binären »0« angelegt werden; diese Signale sind in F i g. 2 und F i g. 3 auch mit Eingang A bzw. Eingang B bezeichnet. Unter diesen Umständen wird infolge der Herabsetzung des MaximalstPDms für das Umschalten von Josephson-Element 11 unterhalb den Wert T₈. durch die Anwesenheit eines Eingangssignals A auf dem Steuerleiter 15 das Josephson-Element 12 in den normalleitenden Zustand umschalten und dann einen hohen Widerstand für den Strom I_g darstellen, der deshalb in die Übertragungsleitung 13 und den Abschlußwiderstand 14 abgelenkt wird. Der abgelenkte

Strom, der in der Übertragungsleitung 13 fließt, gelangt auch durch den Teil 18 dieser Leitung und bewirkt das Umschalten vom Element /2, das seinerseits den Strom ig in die Übertragungsleitung 19 und den Abschluß-Widerstand R₂ ablenkt. Wie früher schon festgestellt, wirkt nämlich der Teil 18 der Übertragungsleitung 13 als Steuerleiter für das Josephson-Element /2. An den Übertragungsleitungen 13 und 19 erscheint also ein Ausgangssigna» das in der Lage ist, die zugehörigen Abfühlelement /3 und /4 als Folge des Anlegens eines einzelnen Eingangssignals an das Element /1 umzuschalten. Legt man an den Steuerleiter 16 ein Signal binär »1« und an den Steuerleiter 15 ein Signal binär »0« so ergibt sich eine ähnliche Betriebsweise und ähnliche Ausgangssignale. Auch wenn die Eingangssignale A und Bbeide binär»1« sind, ändert sich am Betrieb nichts und an den Abfühlelementen /3, /4 erscheinen ähnliche Ausgangssignale.

Die Übertragungsfunktion oder die logische Funktion des Schaltkreises 10 kann durch sein Verhalten bezüglich der angelegten Eingangssignale bestimmt werden. Ergibt sich ein Ausgangssginal. wenn eine binäre »1« an den Eingang A oder den Eingang ßoder beide Eingänge A und B angelegt wurde, so stellt dies die klassische Definition einer ODER-Funktion dar; diese Funktion ist also verwirklicht, wenn an die Vorstromleiter 21,22 keine Vorströme angelegt sind.

Untersucht man das Verhalten des Schaltkreises 10. wenn binäre Vorströme »l« von den Quellen 23, 24 an die Leiter 21 bzw. 22 angelegt werden, so stellt man fest, daß dann der Schaltkreis 10 die UND-Funktion darstellt wenn die Eingänge A und B mit den in F i g. 3 gezeigten vier Möglichkeiten an die Steuerleiter 15 bzw. 16 angelegt werden. Sind die Vorstromleiter 21, 22 mit binären »1« Strompegeln beaufschlagt und liegen an den Eingängen A und B Signale entsprechend binär »0« so befinden sich die Elemente /, /1 im normalleitenden Zustand während das Element /2 im supraleitenden Zustand ist. /2 befindet sich im supraleitenden Zustand, da der Vorstrom auf dem Leiter 22 durch den in Teil 18 fließenden Strom aufgehoben wird. Der letztgenannte Strom ergibt sich aus der Ablenkung des Stroms in die Übertragungsleitung 13 durch die umgeschalteten Elemente /. /1 als Ergebnis des Vorstroms mit binär »1« auf dem Vorstromleiter 21. Das Abfühlelement /4 bleibt also im supraleitenden Zustand, während das Abfühlelement /3 infolge des Vorhandenseins von Strom in der Übertragungsleitung 13 in den normalleitenden Zustand umgeschaltet ist. Da keine Eingangssignale an den Elementen /. /1 anliegen, ergibt sich auf der Übertragungsleitung 19 und dem Abschlußwiderstand R 2 kein Ausgangssignai, während in der Übertragungsleitung 13 und dem Abschlußwiderstand R1 ein Ausgangssignal erscheint Die wahren Eingangssignale sind somit an R 2 abgreifbar, die Komplemente der Eingangssignale sind an R 1 vorhanden. Eine der eben beschriebenen ähnliche Arbeitsweise des Schaltkreises ergibt sich, wenn die binären Eingangssignale 1,0 und 0,1 als Eingänge A bzw. B den Steuerleitern 15 bzw. 16 zugeführt werden. Weisen jedoch beide Eingänge Λ und ßden Binärwert »1« auf, so reichen beide aus, um den an den Vorstromleiter 21 angelegten Vorstrom aufzuheben. Der Strom wird aus diesem Grund erneut zu den Elementen /, /1 zurückgelenkt und der an Element /2 über den Teil 18 angelegte Vorstrom aufgehoben, so daß Element /2 als Folge des Vorhandenseins einer binären »1« auf dein Vorstroniieiter 22 in den normalleitenden Zustand umschaltet Der Strcui I_x wird in die Übertragungsleitung 19 und deft Widerstand R 2 abgelenkt und zwar als Folge des Umschalters von /2 in den normalleitei(den Zustand. Das Vorhandensein von Strom in der Übertragungsleitung 19 schaltet das Abfühlelement /4 um. Zur gleichen Zeit ist infolge fehlenden Stroms in der Übertragungsleitung 13 das Abfühlelement /3 in den supraleitenden Zustand zurückgekehrt. Das Ausgangssignal wurde dabei am Widerstand R2 abgenommen und zwar als nicht

ίο invertiertes Signal der Eingangssignale A und B, Während das Komplement derselben Eingangssignale am Ausgang R 1 erscheint. Aus Fig.3 ergibt sich, daß die Übertragungs- oder logische Funktion die klassische Definition eines UND-Schaltkreises erfüllt. Solange also nicht beide Eingänge A und B vorhanden sind, erscheint an R 2 kein Ausgang und nur für den Fall, daß beide Eingänge vorhanden sind, kann an Λ 2 ein Ausgangssignal abgenommen werden. Durch einfaches Anlegen verschiedener Vorströme an eine gegebene Schaltkreis

anordnung kann also die Übertragungs- oder logische Funktion dieses Schaltkreises geändert werden.

Als weiteres Beispiel sollen an den Schaltkreis von Fig.2 mit den Vorstromleitern 21 bzw. 22 über die Stromquellen 23, 24 Vorstrompegel »0« und »1« angelegt werden. Werden unter diesen Bedingungen die beiden Eingänge A und ßmit binären »0« beaufschlagt, so bleiben die Elemente /. /1 im supraleitenden Zustand und es wird kein Strom an den AbschluBwiderstand R 1 abgelenkt. Infolge des Strompegels binär »1« an Leiter 22 schaltet jedoch das Element /2 um und liefert einen Strom Ig an den Abschlußwiderstand R 2. Das Umschalten von /2 folgt, da ein Strom im Vorstromleiter 22 fließt, jedoch kein Strom im Teil 18 der Übertragungsleitung 13. Somit schaltet das Element /4 um. während das Element /3 nicht umschaltet. Die Abwesenheit eines Eingangssignals A. B führt also zu einem Ausgangssignal bei R 2 und legt damit die Möglichkeit einer NOR- oder NAND-Funktion für die Eingangssignale nahe. Es sollte auch hier darauf geachtet werden, daß an R 2 das wahre, nicht invertierte Signal erscheint, während das Komplement des Signals an R 1 erscheint.

Bei gleicher Wahl der Von>tröme ergeben sich bei binären Eingängen 1.0 und 0.1 und 1.1 am Widerstand R 2 die Ausgangssignale »0«. am Widerstand R1 dagegen die Ausgangssginale »1«. Empfangen beide Eingänge A und B eine binäre »1«. so sind ersichtlich beide Elemente / und /1 umgeschaltet und lenken Strom in den Teil 18 ab, der zusammen mit Vorstrom 2 ein resultierendes Steuerfeld »Null« am Element /2 ergibt Das Element /2 kehrt aiso in den supraleitenden Zustand zurück und der Strom wird von der Übertragungsleitung 19 in dieses Element zurückverlagert Dasselbe ergibt sich mit den übrigen beiden Eingangssignal-Kombinationen. Für die Ausgangssigna-Ie am Widerstand R 2 ist damit die klassische Definition eines NOR-Schaltkreises erfüllt Ist das eine, das andere oder sind beide Eingangssignale binär »1«, so erscheint am Widerstand R 2 kein Ausgangssignal. Wiederum kann durch alleiniges Ändern der Vorströme eine vollkommen verschiedene logische Funktion für die Eingangssignale erzeugt werden.

Mit der letzten noch ausstehenden Kombination von Vorströmen, 1,0 auf den Vorstromleitern 21 bzw. 22 kann am Ausgang R 2 die NAND-Funktion nachgewiesen werden. Mit einer binären »1« auf dem Leiter 21 und binär »0« für die Eingänge A und B befinden sich die ITIamanta T T1 im nnnnqltoifanflan Tiirtqn/1 i*nri Aar

ljll,Iil\»Ill^. /, J X »SI UVIt:iCUt\.lLVIIU».tl CJUOUUIU UlIX* W*.t Strom wird in die Übertragungsleitung 13 und deren

Teil 18 ?bgelenl-.t Da der Vorsfrom auf dem Leiter 22 den Bsiläfpegel »0« aufweist, wird das Element /2 infolge des Stromflusses in Teil 18 zi;m normalleitenden Zustand umgeschaltet, um damit Strom in den Abschlußwklerstand R 2 abzulenken, der seinerseits das Abfühlelement /4 in den normalleitenden Zustand umschaltet. Da die Anwesenheit von nur einem binären Eingangssignal bei den Eingängen A und B zur Kompression des Vorstroms im Leiter 21 nicht ausreicht, bleibt eines der Elemente / oder /1 im nofmalleitenden Zustand und es erscheint am Abschlußwiderstand R 2 für die Binäreingänge 1,0 und 0,1 in gleicher Weise wie oben beschrieben ein Ausgangssignal. Sind jedoch die Binäreingangssignale am Eingang A und B beide auf dem Wert binär »1« so wird der Vorstrom auf dem Leiter 21 kompensiert und die Elemente J, Ji kehren in den supraleitenden Zustand zurück. Dann erscheint aber kein Strom im Teil 18 der Übertragungsleitung 13 und das Element /2 kehrt bei Abwesenheit eines Vorstroms im Leiter 22 in den supraleitenden Zustand zurück. Sind also beide Eingänge A und B mit Signalen beaufschlagt, die binär »1« entsprechen, so erscheint am Abschluß Λ 2 kein Ausgangssignal. Damit ist die übliche Definition einer NAND-Funktion erfüllt, bei der nur dann ein Ausgangssginal erscheint, wenn beide Binäreingänge nicht vorhanden sind, nicht aber wenn, das eine oder das andere oder beide Eingangssignale vorhanden sind.

Wenn die Eingangssignale der logischen Funktion NAND unterworfen werden, ist zu beachten, daß an den Abschlüssen R 1 und R 2 beidesm^l dieselben Ausgangssignale erscheinen und somit in diesem Fall nicht gleichzeitig das wahre und das komplementäre Signal zur Verfugung stehen. Dasselbe gilt auch in dem Fall der logischen Funktion ODER, obwohl dies früher nicht ausdrücklich gesagt wurde. Es stehen jedoch Ausgangssignale aller vier logischen Funktionen zur Verfügung, da nach dem obengesagten bei der Anwendung der UND- und NOR-Funktionen der wahre (nicht invertierte) Ausgang an Λ 2 erscheint, das Komplement der Signale aber an R 1. Wenn sowohl die wahren als auch die komplementären Ausgangssginale zur Verfugung stehen, ist entweder /2 oder sowohl / und /1 m, normalleitenden Zustand, v/odurch sich an den in Reihe geschalteten Josephson-Elementen ein im wesentlichen konstanter Spannungsabfall einstellt. Da die fraglichen Elemente aufgrund des Wertes der Abschlußwiderstände Ri, R 2 sich selbst zurücksetzen, so da'! jedes der Elemente auf eine Spannung unterhalt der Lückenspannung zurückschaltet, ergibt die Anordnung von zwei Elementen in Reihe, nicht wie zu erwarten den doppelten Spannungsabfall eines Elements; beim Umschalten eines Paares oder mehrerer Elemente ergibt sich tatsächlich nur ein Spannungsabfall, der nur wenig größer ist als der Spannungsabfall an einem einzelnen Element. Das Umschalten eines Elements in ü'en normalleitenden Zustand unter gleichzeitiger Beibehaltung der supraleitenden Zustände anderer Elemente und umgekehrt ergibt somit einen im wesentlichen konstanten Spannungsabfall über diese Gruppe von Elementen und man erhält eine Stromregelung. Diese Regelung wird in dem Schaltkreis erzielt, wenn die UND- und NOR-Funktionen ausgeführt werden. Für die ODER- und NAND-Funktionen kann ein zusätzliches in F i g. 2 gestrichelt dargestelltes Josephson-Element 28 mit zugehöriger Vorstromlei tung 29 in Reihe mit den Elementen /, /1 und /2 geschaltet werden. Teil 18 der Übertragungsleitung 13 kann entsprechend der gestrichelten Darstellung in F i g. 1 um den Teil 18' zur Steuerung des Elements 28 in gleicher Weise wie Element /2 verlängert werden. Das zusätzliche Element 28 kann dann bezüglich der Elemente /, /1 und /2 in umgekehrter Richtung durch Anlegen von entsprechend zeitlich gesteuerten Vorströmen auf die Leitung 29 und Teil 13' gesteuert werden.

Der bisher am Beispiel von zwei Eingangssignalen dargestellte Sachverhalt läßt sich ohne weiteres auf Schaltungen mit mehr als zwei Eingangssignalen erweitern. Die Hinzufügung von mehr Eingangssignalen ändert d«e Übertragungsfunktion, der diese Signale unterworfen werden nicht, da die Funktion unabhängig von der Zahl der Eingangssignal ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

Patentansprüche;

1. Logische Verknüpfungsschaltung mit Josephson-EIementen als stromgesteuerte Umschaltelemente, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) eine Reihenschaltung von umschaltbaren Elementen (11, 12, bzw. J, Ji Fig.2) mit jeweils einer ersten Steuereinrichtung (15, 16) zum Anlegen des Eingangssignais (A, B)'und einer allen Elementen gemeinsamen zweiten Steuereinrichtung (21),

b) ein mit der Reihenschaltung in Reihe geschaltetes weiteres Umschaltelement (17, bzw. /2) mit einer dritten (18) und einer vierten (22) Steuereinrichtung,

c) einer ersten parallel zur Reihenschaltung liegenden abgeschlossenen Übertragungsleitung {13,14) deren einer Teil (18) mit der dritten Steuereinrichtung des weiteren Urnschslteie mems elektromagnetisch gekoppelt ist und die eine zugeordnete Abfühleinrichtung (26 bzw. /3) enthält,

d) einer zweiten, parallel zum weiteren Umschaltelement liegenden abfeschlossenen Übertragungsleitung (19, 20) mit zugeordneten Abfühlelementen (27 bzw. /4),

e) Einrichtungen (23, 24, 25) zur Beaufschlagung der zweiten Steuereinrichtung (21) und der vierte · Steuereinrichtung (22) mit Steuersignalen zur elektronischen änderung der logischen Funktion der Verknüpfungsschaltung.

2. Verknüplungsscho.nung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stromgesteuerten Umschaltelemente Josephson-Elemente des nichtselbstverriegelr.den Typs sind.

3. Verknüpfungsschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtungen der Josephson-Elemente Steuerleitungen sind, die über dem aktiven Bereich der Josephson-Kontakte angeordnet sind.

4. Verknüpfungsschaltungen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplung zwischen erster Übertragungsleitung (13) und dritten Steuerleitungen (18) des weiteren losephson-Elements eine galvanische ist.

5. Verknüpfungsschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (23,24, 25) zur Beaufschlagung der zweiten und vierten Steuerleitung voneinander unabhängig steuerbare Quellen konstanten Stroms sind.

6. Verknüpfungsschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Quellen konstanten Stroms (23,24) ihrerseits durch eine Steuerschaltung (25) zeitlich gesteuert werden.

7. Verknüpfungsschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6. dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzliches, in Reihe zum weiteren Umschaltelement geschaltetes Umschaltelement (28) Vorgesehen ist, das zwei Steuereinrichtungen (18', 29) aufweist, deren eine (18') elektromagnetisch gekoppelt mit der ersten Übertragungsleitung (13, 14) ist, deren andere Steuereinrichtung frei steuerbar ist, wobei das zusätzliche Umschaltelement zur Erzeugung eines konstanten Spannungsabfalls der gesamten Reihenschaltung von Umschalt

elementen dient

8. Verknüpfungsschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch Beaufschlagen der zweiten Steuereinrichtung (21) mit dem Binärwert »0« und der vierten Steuereinrichtung (22) mit dem Binärwert »1« am Abfühlelement der ersten Übertragungsleitung (26, 73) die logische Funktion am ODhR-Abfühlelement der zweiten Übertragungsleitung (27, /4) die logische Funktion NOk verwirklicht ist

9. Verknüpfungsschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet daß durch Anlegen von binären Steuersignalen »1« an die zweite und vierte Steuereinrichtung am Abfühlelement der ersten Übertragungsleitung die logische Funktion NAND, am Abfühlelement der zweiten Übertragungsleitung die logische Funktion UND verwirklicht ist

10. Verknüpfungsschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis 7, dadurch gekennzeichnet, da" durch Anlegen der binären Steuersignale »0« an die zweite und vierte Steuereinrichtung am Abfühlelement der ersten und zweiten Übertragungsleitung (27, /4) die logische Funktion ODER verwirklicht ist.

11. Verknüpfungsschaltung mch einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet daß durch Anlegen des binären Steuersignals »!<' an die zweite Steuereinrichtung und des binären Steuersignals »0« an die vierte Steuereinrichtung am Abfühlelement der ersten und zweiten Übertragungsleitung (27. /4) die logische Funktion NAND verwirklicht ist.

12. Verknüpfungsschaltung nach Anspruch 6.

dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (25) zeitlich schnell wechselnde Vorstromsignale erzeugt und die Verknüpfungsschaltung als Element einer Datensicherungseinrichtung Verwendung findet