DE2834869A1

DE2834869A1 - Verriegelungsschaltung mit josephson- elementen

Info

Publication number: DE2834869A1
Application number: DE19782834869
Authority: DE
Inventors: Arthur Davidson; Dennis James Herrel
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1977-11-30
Filing date: 1978-08-09
Publication date: 1979-05-31
Also published as: JPS5477037A; FR2410915B1; FR2410915A1; DE2834869B2; IT1109974B; GB1599993A; US4136290A; CA1099344A; DE2834869C3; IT7827017A0

Description

^nmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N. Y. 10504

te/se
^erriegelungsschaltung mit Josephson-Elementen

Die Erfindung bezieht sich auf Verriegelungsschaltungen mit j Josephson-Elementen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Schaltungen, die ein an ihre Eingangsklemmen gelegtes Signal ^: aufrechterhalten, sind als sog. Verriegelungsschaltungen be- j kannt. In einigen Ausführungsformen bleibt das verriegelte Signal auch bestehen, wenn das Eingangssignal in einen anderen Zustand übergeht; im Stand der Technik sind für derartige Schaltungen getrennte Taktgeber erforderlich. Die sich nichtj überlappenden Ausgangssignale dieser Taktgeber dienen zur An- j Steuerung von UND-Gliedern, die vor und hinter einem sog. Master-Flipflop angeordnet sind. In diesen Schaltungen überträgt ein erster Taktimpuls Information aus dem Master-Flipflop in einen Sklaven-Flipflop über ein Paar von UND-Gliedern und setzt damit den Zustand des Sklaven, dessen Ausgangssignal wiederum einem logischen Schaltkreis zugeführt werden kann. Nach Abklingen des ersten Taktimpulses aktiviert ein zweiter Taktimpuls ein weiteres Paar von UND-Gliedern und leitet dadurch Eingangssignale aus einer vorhergehenden logischen Stufe in den Master-Flipflop. Wenn der zweite Taktimpuls verschwindet, erscheint wieder der erste. Auf diese Weise wird verhindert, daß Information die Flipflops in unkontrollierter Weise durchläuft, d.h. zwischen den Signalen treten keine Wettlaufbedingungen auf. Diese bekannten Schaltkreise sind im Stand der Technik in verschiedenen Technologien aufgebaut.

Der Nachteil dieser Schaltkreise ergibt sich insbesondere aus dem hohen Schaltungsaufwand infolge des zweiten Flipflops und zweier verschiedener Taktimpulszüge.

YO 977 035

§09822/0622

Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, eine sich selbst verriegelnde Schaltung anzugeben, die mit sehr geingem Aufwand in Josephson-Technologie hergestellt werden

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

Die erfindungsgemäße Schaltung verwendet ein selbstverriegelndes UND-Glied mit Josephson-Elementen; zur Stromversorgung werden der Schaltung Stromimpulse oder ein amplitudenbegrenzter Wechselstrom zugeführt. Bei Anlegen von wahren und komplementären Eingangssignalen liefert die Schaltung wahre und komplementäre Ausgangssignale. Eingangssignale, die während eines Versorgungsstromimpulses oder während des Anliegen der amplitudenbegrenzten Wechselspannung zugeführt werden, erzeugen Ausgangssignale, die diesen Zustand beibehalten, auch wenn sich die Eingangssignale während der gegebenen Impulsdauer verändern. In einer Ausführungsform unterbricht ein vorhandenes Ausgangssignal einen Strompfad, der wiederum ein Paar von UND-Gliedern sperrt. Obwohl sich das Eingangssignal für diese Glieder ändert, liefern sie doch kein verschiedenes Ausgangssignal, bis die Stromversorgung auf Null zurückgeht und dadurch das Paar von verriegelnden UND-Gliedern zurücksetzt. In einer anderen Ausführungsform sind die Strompfade des einen UND-Glieds mit dem Strompfad eines anderen UND-Glieds überkreuz gekoppelt. Das Unterbrechen des Stroms in einem reihengeschalteten Josephson-Kontakt in einem oder dem anderen der Strompfade sperrt das eine oder das andere Paar von UND-Gliedern und verhindert so, daß sich die Ausgangssignale ändern, bis der nächste Zyklus der angelegten Versorgungsimpulse oder des Wechselstroms erscheint.

Die Erfindung beschreibt weiterhin einen Verriegelungskreis _mit_einein Paar_von UND-Gliedern, einem Flipflqp_und YO "977 035 " ~

9098 22/0522

sinem selbstverriegelnden UND-Schaltkreis. Die Verriegelungsschaltung ermöglicht es einem Eingangssignal,, das sich von einem früher angelegten Eingangssignal unterscheidet, den Zustand des Flipflops umzuschalten, ohne daß dadurch das Ausgangssignal des selbstverriegelnden UND-Gliedes eine Änderung erfährt, wenn ein Zyklus der Versorgungsimpulse oder der Versorgungswechselspannung abläuft. Das geänderte Eingangssignal des Flipflops erscheint am Ausgang des selbstverriegelnden UND-Gliedes im nächsten Zyklus der Versorgungsimpulse bzw. der Versorgungswechselspannung.

Das selbstverriegelnde UND-Glied der Erfindung weist im Vergleich zu bekannten Schaltungen mit gleicher Funktion eine einfache Schaltungsstruktur auf. Eine zweiphasige Taktversorgung ist nicht nötig, da die Schaltung durch die impulsförmigen Versorgungsströme zurückgesetzt wird. Zusammen mit einem Flipflop erlaubt das selbstverriegelnde UND-Glied sowohl die Aufrechterhaltung des Ausgangssignals als auch das Speichern eines sich ändernden Eingangssignals.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand von Zeichnungen näher beschrieben.

Is zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines selbststeuernden und selbstverriegelnden UND-Glieds (SGA). Dieser Schaltkreis behält auch nach Ausgabe von wahren und komplementären Ausgangssignalen als Folge von wahren oder komplementären EingangsSignalen diese Ausgangssignale unverändert bei, selbst wenn sich die Eingangssignale während des Anliegens eines Stromimpuls mit bestimmter Impulsdauer ändert.

Fig· 2 ist ein Blockdiagramm einer Verriegelungsschaltung, in der ein SGA, ähnlich dem in Fig. 1 gezeigten, ent-

YO 977 035

S822/0522

halten ist. Der SGA Schaltkreis liefert nicht nur gleichbleibende wahre und komplementäre Ausgangssignale, solange ein Impuls mit einer bestimmten Impulsdauer anliegt, sondern liefert diese Ausgangssignale auch an Steuerkreise, die ihrerseits Eingangssignale an ein Flipflop geben, das das SGA steuert.

Fig. 3 eine schematische Darstellung mit spezifischen Schaltkreisen für die Eingangs-ÜND-Glieder und das Flipflop, die in Blockdarstellung in Fig. 2 enthalten sind. Außerdem ist eine schematische Darstellung eines selbstverriegelnden UND-Kreises gegeben, der sich von dem in Fig. 1 gezeigten unterscheidet.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines selbststeuernden und selbstverriegelnden UND-Gliedes, das im folgenden mit SGA abgekürzt ist. Die Schaltung nach Fig. 1 verhindert, daß nach der Ausgabe von wahren und komplementären Ausgangssignalen als Antwort auf wahre und komplementäre Eingangssignale die Ausgangssignale eine Änderung erfahren, wenn sich die Eingangssignale zu irgend einem Zeitpunkt nach dem Anlegen eines Stromimpulses mit bestimmter Impulsdauer ändern.

Zum SGA Schaltkreis in Fig. 1 gehören ein Paar von UND-Gliedern mit den Bezugszeichen 2, 3. Zum UND-Glied 2 gehört ein Paar parallel geschalteter Elemente A, B, in denen ein Josephson-Strom fließen kann. Ein Widerstand R2 liegt zwischen den Elementen A und B, ein Lastwiderstand RL2 ist über die Verbindungsleitung 4 parallel zu den Elementen A, B geschaltet. Eine mit V bezeichnete Spannungsquelle ist mit Element A über

ac
einen Widerstand RS2 verbunden, dessen Wert so gewählt ist, daß ein im,wesentlichen konstanter Strom Ig2 in den Restteil des UND-Gliedes 2 fließt. Der Wert des Widerstandes R2 ist so gewählt, daß kein Strom Ig2 in das Element B fließt, wenn das Element A im supraleitenden Zustand ist. Der Widerstand RL2

YO 977 035

9Q9822/0S22

iat einen Wert, der ausreicht, um die Elemente A und B in Ihrem normalleitenden Zustand zu verriegeln, wenn ein Eingangssignal an UND-Glied 2 angelegt wurde. Die Steuerleitung 5 ist nach der Darstellung in Fig. 1 so angeordnet, daß eine älektromagnetische Kopplung mit dem Element A auftritt; sie äient dazu, ein wahres Eingangssignal an das UND-Glied 2 anzulegen. Ein in Fig. 1 mit "wahres Ausgangssignal" bezeichnetes Ausgangssignal erscheint im Lastwiderstand RL2.

Das UND-Glied 3 in Fig. 1 ist mit dem UND-Glied 2 identisch, die Widerstände R3, RL3, RS3 haben dieselbe Funktion wie die Widerstände R2, RL2 bzw. RS2. Die Elemente C, D sind mit den Elementen A bzw. B in Fig. 1 identisch. Die Steuerleitung 6 des UND-Gliedes 3 ist elektromagnetisch mit Element C gekoppelt und führt ein Eingangssignal, das zum wahren Eingangssignal der Steuerleitung 5 des UND-Gliedes 2 komplementär ist. Die Verbindungsleitung 7 in Fig. 1 liefert dem Lastwiderstand RL3 ein komplementäres Ausgangssignal. Der konstante Strom Ig3 ist mit dem konstanten Strom Ig2 in Fig. 1 identisch. In Fig. 1 gehören zum Strompfäd 8 ein Paar von Elementen E, F, in denen ein Josephson-Strom fließen kann. Die Elemente E und F sind im Strompfad 8 in Reihe geschaltet und mit den Verbindungs leitungen 4 bzw. 7 elektromagnetisch gekoppelt. Eine in Fig.1 mit Vac bezeichnete Stromquelle ist mit dem Strompfad 8 über einen Widerstand RS3 verbunden. Letzterer ist ausreichend groß, um einen im wesentlichen konstanten Strom Ip an den Strompfad

8 zu liefern. Ein Lastwiderstand RG liegt parallel zum Strompfad 8 und hat einen Wert, der genügend hoch ist, um die Elemente E, F in ihrem normalleitenden Zustand festzuhalten, wenn sie durch einen Strom in den übertragungsleitungen 4 oder 7 umgeschaltet werden. Die als Steuerleitung wirkenden Teile

9 und 10 des Strompfades 8 liegen nach Fig. 1 so, daß sie mit den Elementen B bzw. D der UND-Glieder 2 bzw. 3 elektromagnetisch gekoppelt sind.

Bei den Elementen A bis F kann es sich um die bekannten parallelen Josephson-Elemente (in-line gate) handeln, es können abei

^YO977035 909822/0522

j - 9 -

auch die bekannten Interferometertypen mit Mehrfachkontakten sein. Die in Fig.1 mit Vac bezeichnete Spannungsquelle kann Entweder Impulse einer Polarität mit einer bestimmten Impulsdauer liefern, oder aber amplitudenbegrenzte Wechselspannungsimpulse, also bipolare Impulse. Die an die UND-Glieder 2 und und den Strompfad 8 angelegten Stromimpulse sind somit entweder unipolar oder bipolar.

/ixe erwähnt, dient SGR1 zur Ausgabe von wahren und komplementären Ausgangssignalen, wenn wahre und komplementäre Eingangsjsignale innerhalb der Impulsdauer eines Stromimpulses Ig2 oder jlg3 angelegt werden. Wenn die Ausgangssignale einmal entstanden sind, behält SGR1 diese bei, unabhängig davon, ob sich die JEingangssignale für die UND-Glieder 2 und 3 innerhalb der [impulsdauer des angelegten Stromimpulses ändern. Dieses Er-[jebnis wird auf folgende Weise erzielt.

!zur Erläuterung soll angenommen werden, daß unipolare Stromimpulse gleichzeitig an die UND-Glieder 2, 3 und den Strompfad 8 mit Hilfe der Spannungsquelle Vac angelegt werden und !
!daß ein Signal, entsprechend einer binären "1" an die Steuerileitung 5 des UND-Gliedes 2 angelegt wird, wodurch Element A jdes UND-Gliedes 2 mit seinem Strom Ig2 auf bekannte Weise in jden normalleitenden Zustand (mit Spannungsabfall) umschaltet.

jDas Umschalten des Elements A verlagert den Strom Ig2 in den -i
!Widerstand R2 und danach in das Element B, das dadurch aktiiviert wird. Da ein Strom Ip im Strompfad 8 fließt und damit auch in den Teilen 9 und 10, die als Steuerleitung dienen, ist das Element B sowohl einem Arbeits- als auch einem Steueristrom unterworfen, seine Umschaltschwelle wird herabgesetzt !und es schaltet auf bekannte Weise in den normalleitenden !Zustand um. Das Umschalten des Elements B verlagert den Strom Ilg2 in die Verbindungsleitung 4 und den Lastwiderstand RL, so !daß sich ein Ausgangssignal "wahr" ergibt. Das Vorhandensein 'von Strom Ig2 in der Verbindungsleitung 4, die bekanntlich mit Element E elektromagnetisch gekoppelt ist, schaltet das Element

YO 977 035

909822/0522

E in seinen normalleitenden Zustand um und verlagert so den Strom Ip in den Lastwiderstand RG. Der Strom Ip fließt jetzt nicht mehr im Strompfad 8 und für die Elemente B, D fließt kein Steuerstrom mehr in den Steuerleitungsteilen 9, 10. Die Elemente B und D sind somit gesperrt, wenn zufällig während der Impulsdauer des angelegten Stromimpulses in ihnen ein Arbeitsstrom fließen sollte. Da UND-Glied 2 verriegelt ist, d.h., da Strom Ig2 auch dann noch in RL2 fließt, wenn das Eingangssignal "wahr" verschwunden ist, kann das erneute Erscheinen eines weiteren Eingangssignals "wahr" innerhalb der Impulsdauer des angelegten Stromimpulses das Ausgangssignal "wahr" in RL2 nicht beeinflussen. Andererseits kann jedoch ein Signal auf Steuerleitung 6 des UND-Gliedes 3 innerhalb der gegebenen Impulsdauer das Element C umschalten und den Strom Ig3 über R3 in das Element D verlagern. Da im Element D jedoch nur der Strom Ig3 fließt und kein Strom Ip im Steuerleitungsteil 10 kann das Element D nicht in den normalleitenden Zustand umschalten. Der Strom Ig3 fließt über Element D zur Masse, so daß während der Dauer des angelegten Stromimpulses kein unerwünschtes Ausgangssignal an RL3 erscheinen kann. Wenn der angelegte Impuls mit bestimmter Impulsdauer von den UND-Gliedern 2, 3 und dem Strompfad 8 abgeschaltet wird, schalten natürlich alle Elemente A bis F in ihren supraleitenden Zustand zurück und sind zur Abgabe eines Signals an die Last RL2, RL3 wiederum bereit, wenn ein neuer Stromimpuls an die UND-Glieder 2, 3 angelegt wird.

Würde ein Signal an die Eingangssteuerleitung 6 des UND-Gliedes 3 angelegt werden, ergäbe sich genau derselbe Funktionsablauf, wie er für den Fall beschrieben wurde, daß ein Eingangssignal an die Steuerleitung 5 des UND-Gliedes 2 angelegt wird mit der Ausnahme, daß Element B des UND-Gliedes 2 nicht umschalten könnte, wenn ein Störimpuls auf die Steuerleitung gegeben würde. Gewöhnlich werden die Eingangssignale "wahr" und "komplementär" entsprechend der Darstellung in Fig. 1 einem

YO 977 035

909S22/0S22

834869

frlipflop entnommen werden, das seinerseits Teil einer Verjriegelungsschaltung ist, die in der Blockdarstellung in Fig. langegeben wird.

JBevor die Verriegelungsschaltung in Fig. 2 beschrieben wird, jist zu erwähnen, daß die Mittel zur Beibehaltung des Zustanäes der UND-Glieder 2, 3 während der Dauer eines angelegten Stromimpulses auf mehreren Wegen realisiert werden können. Einer dieser Wege ist in Fig. 3 dargestellt und wird in Verbindung mit der Beschreibung dieser Figur näher erläutert. jEin weiterer Weg ist in Fig. 1 gezeigt, in der die Elemente E und F durch ein Element G ersetzt werden können, das gejstrichelt im Strompfad 8 eingezeichnet ist. Wenn die Verbinjdungsleitungen 4 und 7 entsprechend den gestrichelten Teilen J11 bis 12 in Fig. 1 verlängert werden, um eine elektromagnetische Kopplung mit Element G zu erreichen, kann dieses Element G durch einen Strom entweder in der Leitung 4 oder Leitung 7 umgeschaltet werden und dadurch Strom Ip in eine Last RG verlagern; dadurch wird entweder Element B oder Element D gesperrt.

Die Spannungsquelle Vac kann entweder unipolar oder bipolar sein, ohne daß sich dadurch die Wirkungsweise des SGA Schaltkreises 1 ändert; wenn die Spannung bipolar oder ein amplitudenbegrenzter Wechselstrom ist, arbeiten die UND-Glieder 2, genau wie oben beschrieben. Da die Josephson-Elemente bezüglich der Polarität unempfindlich sind, werden die Elemente A bis G jedesmal in den supraleitenden Zustand zurückgeschaltet, wenn die angelegte Spannung auf den Wert "0" sinkt.

Fig. 2 zeigt eine Blockdarstellung eines Verriegelungsschaltkreises mit einem SGA-Kreis, ähnlich dem in Fig. 1. Der SGA-Kreis liefert nicht nur gleichbleibende wahre und komplementäre Ausgangssignale, während Impulse mit einer bestimmten Impulsdauer angelegt werden; er gibt diese Ausgangssignale auch an Steuerkreise, die ihrerseits Eingangssignale YO 977 035

Ö09822/0522

!für einen Flipflop abgeben, der den SGA Kreis steuert. Diese Isteuerkreise ermöglichen es dem Flipflop, der den SGA Kreis triggert, seinen Zustand zu ändern, wenn ein neues Eingangsisignal während eines Zyklus der Versorgungsimpulse erscheint, iohne daß dadurch das Ausgangssignal des SGA beeinflußt wird. In Fig. 2 ist nur der Flipflop mit einer Gleichspannungsversorigung ausgestattet, die übrigen Schaltkreise werden mit !Impulsspannungen beaufschlagt.

Der Verriegelungsschaltkreis 20 in Fig. 2 umfaßt einen SGA Kreis 1, an den wahre und komplementäre Eingangssignale vom !Flipflop 21 über die Verbindungsleitungen 22 bzw. 23 angelegt !werden; das Flipflop ist in Fig. 2 mit FF bezeichnet. Die !Eingänge für Flipflop 21 stammen aus einem Paar von UND-Gliejdern 24, 25 und werden über Verbindungsleitungen 26, 27 an Flipflop 21 angelegt. Die Eingangssignale K, L können beispielsweise aus Registern stammen, aus Speichermedien oder vorher- ! gehenden logischen Stufen und werden den UND-Gliedern 24 bzw. i 25 als Eingänge zugeführt. Das andere Eingangssignal für UND-Glied 24 ist das Ausgangssignal N des SGA Kreises 1, der ; an Glied 24 über Verbindung 29 zugeführt wird. In ähnlicher ■, Weise wird über Verbindung 30 das Ausgangssignal M dem anderen Eingang des UND-Gliedes 25 zugeführt.

Zur Beschreibung der Betriebsweise wird angenommen, daß ein Impulszyklus für die Versorgungsspannung eingeleitet wurde und daß der Zustand des Flipflops 21 an den SGA Kreis 1 angelegt wurde; es ist zu beachten, daß die Ausgangssignale M, N solange anstehen, bis der angelegte Versorgungsimpuls auf "0" zurückgeht. Damit werden die Eingangssignale M, N während dieser ganzen Zeit an die UND-Glieder 24, 25 angelegt. Wenn während dieses Versorgungsimpulses Eingangssignale K, L in wahrer und komplementärer Form erscheinen, kann Flipflop 21 dann und nur dann umgeschaltet werden, wenn das Eingangssignal sich von dem Signal unterscheidet, das vorher an Flipflop 21 angelegt wurde. Dazu wird UND-Glied 24 oder 25 freigegeben, YO 977 O35

909822/0522

das kein Ausgangssignal erzeugte, als die Signale K, L Flipflop 21 aktivierten.Wenn also Ausgangssignal M vorliegt, bedeutet das, daß UND-Glied 24 aktiviert und ein Ausgangssignal an SGA Kreis 1 über Leitung 22 geliefert wurde. Da ein gleiches Eingangssignal dasselbe Ausgangssignal hervorrufen würde (Flipflop 21 erfährt dann keine Zustandsänderung) , braucht für diesen Fall keine besondere Steuerung vorgesehen zu werden. Die Bedingung, die erlaubt werden muß, betrifft den Fall der Änderung des Eingangssignals; dadurch würde ein Ausgangssignal des Werts N entstehen, das vom UND- i Glied 25 hervorgerufen wird. Wenn also UND-Glied 25 freigegeben) wird, kann sein Ausgangssignal beim Eintreffen des Eingangs- j signals L Flipflop 21 umschalten, ohne daß während desselben Impulszyklus die Ausgangssignale M, N gestört werden. UND-Glied 25 wird freigegeben, indem das Ausgangssignal M über Leitung zurückgeführt wird. Mit den oben beschriebenen Schaltkreisen kann die Verriegelungsschaltung 20 umgeschaltet werden, ohne befürchten zu müssen, daß störende Ausgangssignale während eines gegebenen Impulszyklus der Versorgungsspannung auftreten. Mit der beschriebenen Anordnung wird sichergestellt, daß zwei gleiche Eingangssignale niemals gleichzeitig am Flipflop 21 erscheinen können, da die Freigabe des einen UND-Glieds das andere UND-Glied jeweils sperrt. Wenn keine Gefahr einer derartigen Bedingung vorliegt, können die Ausgangssignale M, N an ein ODER-Glied zurückgeführt werden und dessen Ausgangssignal zur gleichzeitigen Freigabe beider UND-Glieder 24, ,25 verwendet werden.

;In Fig. 3 ist eine schematische Darstellung der Verriegelungsschaltung 20 angegeben, wobei spezifische Schaltkreise für ■die Eingangs-UND-Glieder 24, 25, Flipflop 21 und SAG Schaltkreis 1 gezeichnet sind. Die Elemente in Fig. 3 mit denselben Funktionen wie die Elemente in den Fign. 1 und 2 tragen dieselben Bezugszeichen.

YO 977 035

909822/052 2

j - 14 -

In Fig. 3 besteht UND-Glied 24 aus einem Paar von Josephsonplementen T, U, die über einen Widerstand RU parallel geschaltet sind und aus einem Lastwiderstand RY, der über Leitung 26 mit diesen Elementen parallelgeschaltet ist. Impedanz RY ist ein Widerstand, dessen Wert ausreicht, um UND-Glied 24 verriegelnd zu machen. Das Eingangssignal K wird der Steuerleitung 31 zugeführt, die elektromagnetisch mit JosephsonjElement T gekoppelt ist. Strom Ig4 wird einer Stromquelle Vac über einen hochohmigen Widerstand RT zugeführt, so daß UND-Glied 24 einen im wesentlichen konstanten Strom erhält, wenn die Quelle Vac im Impulsbetrieb arbeitet. UND-Glied 25 ist identisch mit UND-Glied 24, die Elemente 27, 32, RR, RS, R, S und RX haben im UND-Glied 25 dieselben Funktionen wie jdie Elemente 26, 31, RT, RU, T, U bzw. RY. Außerdem weisen die jVerbindungsleitungen 26, 27 als Steuerleitungen ausgebildete ^: Teile 33 bzw. 34 auf, die elektromagnetisch mit den Josephson-,Elementen W, Z des Flipflops 21 gekoppelt sind. ι

In Fig. 3 gehören zum Flipflop 21 Josephson-Elemente W, Z, die , parallel in zwei Zweigen einer Schleife 35 geschaltet sind, in deren einen Zweig ein als Steuerleitung ausgebildeter : Abschnitt 22 und im anderen Zweig ein als Steuerleitung aus- · gebildeter Abschnitt 23 enthalten ist. Ein Dämpfungswiderstand RD parallel zu den Elementen Z, W dämpft alle Schwin- : gungen, die beim Betrieb des Schaltkreises auftreten können. Die Schleife 35 ist parallel mit einer Gleichstromquelle (Idc) ; geschaltet. :

Die Steuerleitungsabschnitte 22, 23 im Flipflop 21 sind elektromagnetisch mit den Elementen A, C des SGA Kreises 1 in Fig. 3 , gekoppelt. Der SGA Kreis 1 in Fig. 3 unterscheidet sich ge- | ringfügig von dem SGA Kreis 1 in Fig. 1 und zwar dadurch, ; daß die in den Elementen A und C fließenden Ströme zur Freigabe bzw. zum Sperren der Elemente D und B verwendet werden, \ abhängig davon, ob die Elemente A oder C durch den Strom in

YO 977 035

909822/0522

: - 15 -

den Steuerleitungsabschnitten 22, 23 des Flipflops 21 umge- j schaltet werden. Das Element C weist somit einen in Reihe geschalteten Strompfad 36 auf; ein Abschnitt 37 dieses Strom- j jpfads wirkt als Steuerleitung und ist elektromagnetisch mit Element B gekoppelt. In ähnlicher Weise besitzt Element A einen in Reihe geschalteten Strompfad 38, dessen Teil 39 elektro- !magnetisch mit Element D gekoppelt ist. Bei dieser Schaltungsanordnung sind beispielsweise beide Elemente B und D freigegeben, wenn Ströme Ig2, Ig3 im Element A bzw. C fließen. Ist ;eines der Elemente A, C umgeschaltet, so ist das jeweils überkreuz geschaltete Element D bzw. B am Umschalten gehindert und die zugehörigen UND-Glieder 3 bzw. 2 können nicht auf eine Änderung des Eingangssignals reagieren, solange nicht alle •Elemente A bis D durch das Verschwinden des angelegten Verjsorgungsimpulses zurückgesetzt werden. Es ist zu beachten, ;daß die Ausgangssignale M, N den Lastwiderständen RL3 bzw. RL2 über die Verbindungsleitungen 30 bzw. 29 zugeführt werden. Die Verbindungsleitungen 29, 30 haben als Steuerleitung ausgebildete Abschnitte 40 bzw. 41, die elektromagnetisch mit den Elementen U bzw. S gekoppelt sind; wenn also ein Strom in den Abschnitten 40 oder 41 fließt, werden die Elemente U bzw. S freigegeben, so daß die zugehörigen UND-Glieder 24 bzw. 25 ebenso freigegeben werden und Flipflop 21 !umschalten können, ohne daß dadurch das Ausgangssignal des SGA Schaltkreises 1 beeinflußt wird.

Die Arbeitsweise des Verriegelungsschaltkreises in Fig. 3 läßt sich beschreiben, indem als Anfangszustand angenommen wird, daß die impulsförmige oder Wechselspannungsversorgung den Wert 0 hat. In diesem Fall fließt in keinem der Elemente M, N ein Ausgangssignal, da alle Schaltkreise mit impulsförmiger oder Wechselspannungsversorgung, einschließlich SGA und den UND-Gliedern 24, 25 mit ihren jeweiligen Josephson-Elementen den supraleitenden Zustand einnehmen. Jetzt soll Flipflop 21 durch ein Eingangssignal auf der Steuerleitung

YO 977 035

909822/0

oder 34 in einen der beiden möglichen Zustände umgeschaltet werden. Im Beispiel sei angenommen, daß Josephson-Element W des Flipflops 21 im vorhergehenden Zyklus in den normal- : leitenden Zustand umgeschaltet wurde und zwar aufgrund eines Stromflusses im Steuerleiter 33, der zu diesem Element gehört. Im neuen Zyklus wird eine impulsförmige oder Wechselspannungsversorgung angelegt und die Ströme Ig2 bis Ig5 fließen | in den jeweiligen Josephson-Elernenten, die sich im supra- i

leitenden Zustand befinden. Der Strom Idc im als Steuerleitung ausgebildeten Teil 23 der Schleife 35 erzeugt je- . doch ein magnetisches Steuerfeld für das Element C von SGA 1. Dieses Steuerfeld schaltet zusammen mit Strom Ig3 das Element C in den normalleitenden Zustand und verlagert über Widerstand ; R3 den Strom im Element D. Der Strom Ig3 fließt daher nicht nehr in den Strompfad 36 und dem als Steuerleitung ausgebil- j äeten Teil 37, so daß am Element B des UND-Gliedes 2 kein magnejbisches Steuerfeld mehr vorhanden ist. Gleichzeitig fließt [ Strom Ig2 immer noch im Element A, dem Strompfad 38 und dessen Teil 39, so daß am Element D des UND-Gliedes 3 ein magnetisches Steuerfeld auftritt; dadurch kann Element D umschalten und Strom Ig3 über die Leitung 30 und desen als Steuerleitung ausgebildeten Teil 41 in den Lastwiderstand RL3 umleiten. Dadurch entsteht am zugeordneten Josephson-Element S des UND-aliedes 25 ein magnetisches Steuerfeld. Das Element B des UND-Gliedes 2 kann jetzt also nicht mehr umschalten, während Element S des UND-Gliedes 25 für das Umschalten freigegeben ist. Da die Verriegelungsschaltung 20 wahre und komplementäre kusgangssignale liefert, ergibt sich bei vorhandenem Ausgangssignal M und einem Stromfluß in der Last RL3 kein Stromfluß in der Last RL2 und das Ausgangssignal N ist 0. Das bedeutet, daß in der Verbindungsleitung 29 oder in deren als Steuerleitung ausgebildeten Teil 40 kein Strom fließt und damit Eletient U des UND-Gliedes 24 für das Umschalten gesperrt ist. Element B des UND-Gliedes 2 ist ebenfalls gesperrt, da kein magnetisches Steuerfeld von dem als Steuerleitung ausgebildeten Abschnitt 37 erzeugt wird. Da die Schaltkreise, denen die

Yö'977~Ö35~"

909822/0522

jimpulsförmige oder Wechselspannungsversorgung zugeführt wird, Jverriegelnd sind, bleibt ein Element in jedem dieser Schaltkreise nach seinem Umschalten im gleichen Zustand, bis die !angelegte impulsförmige oder Wechselspannungsversorgung auf den Wert 0 zurückgeht. Die Elemente C und D verriegeln sich jsomit in ihrem normalleitenden Zustand und die Elemente U, Ϊ3 sind für das Umschalten gesperrt. Die Elemente W, Z des Flipflop 21 können jedoch zu jeder Zeit umgeschaltet werden, jwenn ein Eingangssignal auf den als Steuerleitung ausgebil-

Ideten Leitungsabschnitten 33, 34 erscheint. Da dann Element JU des UND-Gliedes 24 durch das Fehlen von Strom im Strompfad ]39 und dem Steuerteil 40 gesperrt ist, hat ein Eingangssignal JK auf der Steuerleitung 31 keine Auswirkung und Flipflop 21 bleibt in dem Zustand, in dem Strom im Element Z und dem jSteuerleiter 23 fließt, jedoch kein Strom im Element W und der Steuerleitung 22; es ergibt sich dann dasselbe Ausgangssignal, wenn die impulsförmige oder Wechselspannungsversorgung den nächsten Zyklus durchläuft. Es ist zu beachten, daß keines der Elemente R, S des UND-Gliedes 25 in den normalleitenden Zustand umschaltet, da kein Eingangssignal auf die Steuerleitung 32 des Elements R gegeben wurde.

Wenn jedoch ein Signal auf der Steuerleitung 32 zu irgend einem Zeitpunkt während desselben Teils der angelegten impulsförmigen oder Wechselspannungsversorgung erscheint, schaltet das Element R um. Nachdem die Elemente C, D verriegelt sind und ein Strom in dem als Steuerleitung ausgebildeten Teil 41 fließt, schaltet Element S um und Strom Ig5 kann über Verbindung 27 auf den als Steuerleitung ausgebildeten Teil 34 gelangen; dadurch schaltet Element Z um und ändert den Zustand des Flipflop 21. Hier ist zu bedenken, daß SGA schon in dem eingestellten Zustand verriegelt ist, bis die angelegte Versorgungsspannung auf 0 zurückgeht. Obwohl also das Element Z des Flipflop 21 umschaltet und damit einen Stromfluß Idc in dem als Steuerleitung ausgebildeten Abschnitt 22 hervorruft und das Element A von SG1 umschaltet, bleibt Element B im supraleitenden Zustand YO "977"033 "' "" ~ "

90 982 2/052 2

and verhindert jede Änderung im Ausgangssignal von SGA 1 bei M, N. Das Element B verbleibt im supraleitenden Zustand, selbst wenn Strom Ig2 durch dieses Element fließt, da für Element B kein magnetisches Steuerfeld vorhanden ist: Der Strom Eg3 wurde aus dem Strompfad 36 verdrängt, als Element C umschaltete und in seinem normalleitenden Zustand verriegelt wurde. Strom Ig2 wird daher über Element B zur Masse abgeleitet und es erscheint kein Ausgangssignal N. Wenn die impulsförmige Dder Wechselspannungsversogung auf den Wert 0 zurückgeht, schalten alle Elemente in SGA 1 und den UND-Gliedern 24, Ln den supraleitenden Zustand zurück und sind für den nächsten Zyklus bereit. Wenn die impulsförmige oder Wechselspanaungsversorgung beim nächsten Zyklus ansteigt, ist Flipflop 21 schon geändert worden und es erscheint ein Ausgangs- ; signal an der Last RL2, das diese Änderung anzeigt; dieses ; kusgangssignal hat den Wert N, SGA 1 wird in diesem Zu- ι stand verriegelt und UND-Glied 24 freigegeben, um ein Ein- j

jangssignal während desselben Zyklus der impulsförmigen oder Wechselspannungsversorgung zu empfangen.

Die Josephson-Elemente von SGA 1, Flipflop 21 und den UND-Sliedern 24, 25, die in Verbindung mit den Fign. 1 und 3 besprochen wurden, können Josephson-Elemente der bekannten Typen oder aber Interferometer mit Mehrfachkontakten sein. Alle Verbindungsleitungen, beispielsweise 4, 5, 22, 23, 26, 27, 29 und 30 und die als Steuerleitungen ausgebildeten Teile 37, 39, 40 und 41 können ebenso wie die Schleife aus Materialien hergestellt werden, die bei der Temperatur des flüssigen Heliums (ungefähr 4,2 Kelvin) supraleitend sind. Typische Josephson-Kontakte und Verbindungsleitungen, die hier verwendet werden können, sind in der US-Patentschrift 3 758 795 angegeben. Ein Herstellungsverfahren zur Ausbildung von Josephson-Kontakten und Elementen ist in der QS-Patentschrift 3 849 276 beschrieben. Widerstände, wie beispielsweise RL2, RR, RX und R3, die bei der Betriebs-

YO 977 035

909822/0522

Itemperatur nicht supraleitend sein dürfen, können mit kompatiblen Materialien hergestellt werden, die bei der gewünschten Betriebstemperatur einen Widerstand aufweisen. In der US-Patentschrift 3 913 120 wird ein Material und ein Herstellungsverfahren für Schaltkreise und Widerstände angegeben.

YO 977 035

903822/0522

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Verriegelungsschaltung mit Josephson-Elementen und nicht- ; kontinuierlicher Versorgungsspannung, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes (A, B) und ein zweites (C, D) : Paar über einen Widerstand (R2 bzw. R3) parallel ! geschalteter Josephson-Elemente vorgesehen sind, denen jeweils über die Steuerleitung des ersten Elements (A bzw. C) ein Eingangssignal zugeführt wird und daß der im Steuerleiter des jeweils zweiten Elements fließende Versorgungsstrom unterbrochen wird, nachdem das erste j Element des jeweils anderen Paars in den normalleitenden

.

Zustand umgeschaltet wurde.

.2. Verriegelungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- ! zeichnet, daß parallel zu jedem Paar von Josephson-ETe-

; menten eine Ausgangsimpedanz (RL2 bzw. RL3) geschaltet

; ist, deren Impedanzwert so gewählt wurde, daß die Josephson-Elemente jedes Paars nach Umschalten in den normalleitenden Zustand selbstverriegelnd sind und erst bei Verschwinden des Arbeitsstromes wieder in den supraleitenden Zustand zurückkehren.

Verriegelungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerleitungen der zweiten Josephson-Elemente (B bzw. D) jedes Paars miteinander verbunden sind und ein oder mehrere Josephson-Elemente (E, F bzw. G, Fig. 1) enthalten, die elektromagnetisch mit den Ausgangsleitungen (4, 7) jedes Paars gekoppelt

ϊ sind und beim Auftreten eines Ausgangsimpulses den Versorgungsstrom in den Steuerleitungsabschnitten (9, 10) unterbrechen.

4. Verriegelungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsströme der jeweils ersten Elemente eines Paars durch kreuzweise Verbindung als

Y0 977O35 909822/0527

ORIGINAL INSPECTED

Steuerströme für die zweiten Elemente des jeweils anderen Paars dienen (1, Fig. 3).

:5. Verriegelungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsspannung aus unipolaren Stromimpulsen besteht.

Verriegelungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsspannung aus amplitudenbegrenztem Wechselstrom besteht.

7. Verriegelungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß den beiden Paaren von Jo- j sephson-Elementen als Eingangssignale die wahren bzw. ' komplementären Signalwerte zugeführt werden. ■

3. Verriegelungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Paare von Josephson-Elementen mit den Ausgangsleitungen eines Flipflops (21, Fig. 2) verbunden sind, dem die zu verriegelnden Eingangssignale (K, L) über UND-Glieder (24, 25) zugeführt werden, deren zweiter Eingang die über Kreuz geschalteten AusgangsSignale (M, N) der Verriegelungsschaltung (1) sind.

3. Verriegelungsschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die UND-Glieder (24„ 25) aus parallel geschalteten Paaren von Josephson-Elementen (R, S bzw. T, U) bestehen, denen zur Rückkopplung die Ausgangsleitungen der Verriegelungsschaltung (1) als Steuerleitung (41 bzw. 40) des jeweils zweiten Josephson-Elements (S bzw. U) zugeführt werden.

10. Verriegelungsschaltung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der UND-Glieder (24, 25) als Steuersignale für die als Stromschleife (35)

^YO977035 909822/052?

^; mit zwei in Reihe geschalteten Josephson-Elementen (Z, W) '-. ausgebildete Flipflop-Schaltung (21) dienen, die wiederum als Steuerleitung ausgebildete Abschnitte (22, 23) für die Josephson-Elemente (A bzw. C) der Verriegelungsschaltung (1) aufweist.

^:11. Verriegelungsschaltung nach Anspruch 10, dadurch gekenn- , zeichnet, daß der Flipflop-Schaltung (21) ein Gleichstrom (Idc) als Arbeitsstrom zugeführt wird, die anderen ι Josephson-Elemente (A, B, C, D, R, S, T, U) jedoch mit

; impulsförmigen Arbeitsstromen (unipolar oder bipolar) beaufschlagt werden.

^YO977035 S09822/0S2?