DE2909222C3 - Josephson-Schaltung zur Polaritätsumschaltung und Verfahren zu deren Betrieb - Google Patents
Josephson-Schaltung zur Polaritätsumschaltung und Verfahren zu deren BetriebInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Josephson-Schaltung zur
Umschaltung von Impulspolaritäten nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Verfahren zu deren Betrieb
Die Verwendung von Brückenschaltungen zur Umkehr der Stromrichtung in einem Ausgangsschaltkreis
ist bekannt Beispiele derartiger Schaltungen finden sich in der Veröffentlichung IBM Technical Disclosure
» Bulletin, Band 18.Nr. 12, Mai 1976, Seiten 41 bis 66 unter
dem Titel »Polarity Converter« Beim Betrieb des dort beschriebenen Polaritätsumschalters beträgt der Strom
beim Umschalten von einander gegenüberliegenden Brückenzweigen und der damit verbundenen öffnung
eines Strompfades für eine Ausgangslast das doppelte des Arbeitsstromes, der normalerweise an jedes
Element der Brücke angelegt wird, wenn keine Elementumschaltung erfolgt. Die umschaltbaren Elemente und alle Benutzerschaltkreise müssen deshalb so
ausgelegt sein, daß sie die den doppelten Wert des Stromes führen, der normalerweise durch ein Brückenelement fließt oder es müssen andere Schritte
unternommen werden, um den Ausgangsstrom auf das gewünschte Niveau herabzusetzen. Außerdem sind die
M Anforderungen an die möglichen Arbeitsbereiche sehr
streng, da der resultierende Arbeitsstrom ziemlich nahe an der Umschaltschwelle der Elemente unter normalen
Betriebsbedingungen liegt. Unter derartigen Bedingungen können Stromänderungen, die sich aufgrund von
Fabrikationstoleranzen ergeben, zu einem unerwünschten Umschalten der Elemente in den gerade beschriebenen Brückenschaltungen führen und dadurch wiederum
Anlaß zu einer unerwünschten Informationsspeicherung oder einer Umschaltung von logischen Schaltkreisen
geben, die mit dem Ausgang derartiger Brüekenschaltungen verbunden sind.
Eine weitere Schaltung, die ähnlichen Beschränkungen unterliegt, ist in der Veröffentlichung IBM
Technical Disclosure Bulletin, Band 19, Nr. 11, April1
1977, Seite 4467 mit dem Titel »Current Inverter for
Josephson Memory Arrays« beschrieben. Bei diesem Schaltkreis führen die stromsteuernden Elemente, in
denen im nicht durchgeschalteten Zustand nur eine
Einheit eines Arbeitsstroms fließt, zwei Einheiten des
Arbeiisstroms, wenn eines der Elemente umgeschaltet
ist; es ergeben sich damit die oben erwähnten Probleme bezüglich des Arbeitsbereichs bei Fabrikationstoleranzen. Außerdem sind Ausgangskreise mit hohen Strom-
pegeln erforderlich.
Die Erfindung stellt sirh daher die Aufgabe, eine
Josephson-Schaltung zum Umschalten der Strompolarität anzugebei., deren Ausgangsstrom einen relativ
niederen Pegel aufweist und daher mit den Strompegeln ι ο in den Benutzerschaltkreisen, beispielsweise Speicherzellen verträglich sind; außerdem soll der Schaltkreis
eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit aufweisen und in einem weiten Bereich der Arbeitsbedingungen funktionieren.
Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch gekennzeichnete Erfindung gelöst; Ausgestaltung der
Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden Josephson-Interferometer mit mehreren Josephson-Kontakten verwendet, die im Vergleich iu einem
einzelnen Josephson-Kontakt sehr viel geringere Arbeitsströme benötigen. Diese geringeren A'-beitsströme sind kompatibel mit den Strompegeln in den
Benutzerschaltkreisen, die mit der Polantätsumschalteinrichtung verbunden sind; dadurch können ähnliche
Fabrikationsverfahren, sowohl für die Benutzerschaltkreise als auch für den Schaltkreis zur Polaritätsumschaltung verwendet werden. Der Pegel des Ausgangsstroms, der an die Benutzerschaltkreise geliefert wird,
übersteigt den Stromwert nicht, der in einem beliebigen
Element der Schaltkreise der Polaritätsumschaltung vorliegt Der gewünschte Ausgangsstrompegel der
einen oder der anderen Polarität wird erhalten, indem der Arbeitsstrom eines Elements in einem Paar von
Josephson-Interferometem so kompensiert wird, daß
der durchfließende Strom im wesentlichen Null ist. Dazu wird ein Strompfad mit der Sekundärwindung eines
Transformators parallel zu jedem der Elemente des Paars geschaltet. Jede der Sekundärwindungen ist mit
einer getrennt beaufschlagten Primärwindung gekoppelt. Wenn eine der Primärwindungen beaufschlagt
wird, hat der Strom in der zugehörigen Sekundärwin dung eine Richtung entgegengesetzt zum Stromfluß des
Elements, das parallel zur Sekundärwindung liegt. Das zur nicht betätigten Sekundärwindung gehörige Joseph-
»on-Element wird anschließend umgeschaltet, um zu verhindern, daß ein Strom fließt. Gleichzeitig wird ein in
Reihe zur nicht betätigten Sekundärwindung liegendes Josephson-Element umgeschaltet, um diese nicht betätigte Sekundärwindung als Strompfad auszuschalten.
Auf diese Weise wird der Arbeitsstrom des Josephson-Elements, das zur nicht betätigten Sekundärwindung
gehört, in das andere Josephson-Element verlagert, dessen Effektivstrom Null ist. Dieser verlagerte Strom
hat den gleichen Wert, wie der ursprünglich in dem Josephson-Element fließende Strom, der kompensiert
wurde. Der verlagerte Strom fließt jetzt über eine Verbindungsleitung, die an einen Benutzerschaltkreis
angeschlossen ist, bei dem es sich beispielsweise um eine &o
oder eine Mehrzahl von Speicherzellen oder logischen Schaltkreisen handeln kann. Durch Betätigung der
früher nicht betätigten Sekundärwindung und Umschalten der Elemente, die zur früher betätigten Sekundärwindung gehören, kann nach dem Zurücksetzen des
Ausgangskreises ein Strom in umgekehrter Richtung an denselben Benutzerschalikreis abgegeben werden. Auf
diese Weise wird immer nur eine Einheit des Stroms an
die Benutzerschaltkreise geliefert, wahrend mit den
bisher bekannten Schaltkreisen immer zwei Einheiten abgegeben wurden. Auf diese Weise werden Probleme
mit den Arbeitsbereichen der Schaltungen vermieden und die Toleranzen der Herstellung können großzügiger gehandhabt werden.
Der Schaltkreis zur Polaritätsumschaltung kann in symmetrischer (mit zwei Abschlüssen) oder in asymmetrischer (mit einem Abschluß) Form realisiert werden;
beide Anordnungen sind elektrisch äquivalent und können je nach den topologischen Anforderungen des
Schaltungsaufbaues herangezogen werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand von Zeichnungen näher erläutert Es zeigt
F i g. 1 eine schematische Darstellung mit einer Mehrzahl von Schaltkreisen zur Polaritätsumschaltung,
bei denen jedes Paar von Josephson-Interferometern mit Mitteln zur Unterdrückung des Arbeitsstroms
versehen ist; eines der Josephson-Elemente wird umgeschaltet um Strom der Stärke iner Einheit in das
Element zu verlagern, dessen ArbeitSjirnm kompensiert
wurde und von dort zu einem Benutzerschaltkreis. Durch Vertauschung der Elemente, in denen der Strom
kompensiert wurde, bzw. die umgeschaltet wurden, kann ein Strom der Stärke einer Einheit, jedoch
entgegengesetzter Polarität an den Benutzerschaltkreis abgegeben werden.
Fig.2 eine schematische Darstellung eines Schaltkreises mit symmetrischem Aufbau und zweiseitigem
Abschluß, der elektrisch äquivalent zum Schaltkreis der F i g. 1 ist Die Schaltung nach F i g. 2 verwendet
dasselbe Verfahren zur Stromkompensation und zum Umschalten, um einen Strom der Stärke einer Einheit
und unterschiedlicher Polarität an einen Benutzerschaltkreis abzugeben. Getrennte Quellen für den Arbeitsstrom können verwendet werden, wenn aus topologischen Gründen die Schaltkreise zum Umschalten und
zur Kompensation in einem gewissen Abstand ai geordnet werden müssen.
F i g. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Mv-nrzahl von Schaltkreisen zur Polaritätsumschaltung,
in denen die Kreise zum Umschalten der Polarität des erzeugten Stroms über einen Verbindungsk*iter miteinander gekoppelt sind. Ein Benutzerschaltkreis, bei dem
es sich um eine oder mehrere Speicherzellen mit Josephson-Elementen handeln kann, ist mit der
Verbindungsleitung in Reihe geschaltet
Der im oberen Teil in F i g. 1 dargestellte Schaltkreis 1 zur Polaritätsumschaltung enthält ein in Reihe geschaltetes Paar von Elementen Ji, J 2. In einer bevorzugten
Ausführungsform sind die Elemente Ji. J2 Interferometer mit jeweils mehreren Kontakten, wie sie im Stand
der Terhnik bekannt sind. Eine Verbindungsleitung 2
verläuft zwischen den Elementen Ji, J2 und enthält
einen in Reihe ge ^halteten Benutzerschahkreis 3. Die
Verbindungsleitung 2 kann aus einem beliebigen Metall bestehen, das hei der Temperatur von 4,2° Kelvin
supraleitend ist. Blei und Bleilegierungen sind typische Metalle, die bti dieser Temperatur Supraleitung
aufweisea Beim Benutzerschaltkreis 3 kann es sich um beliebige supraleitende Schaltkreise handeln, die auf
eine Richtungsumkehr des sie durchfließenden Stromes reagieren oder diese zu ihrem Betrieb erfordern.
Beispielsweise kann der Benutzerschaltkreis 3 eine oder mehrere supraleitende Speicherzellen eines im Stand
der Technik bekannten Typs enthalten, die zwei verschiedene Polaritäten des Zellenstroms erfordern,
um Ringströme mit entgegengesetzter Drehrichtung zu
erzeugen, mit denen die beiden binären Zustände dargestellt werden.
In F i g. 1 liegen parallel zu den Elementen /1, / 2 die
Sekundärwindungen 4 bzw. 5 von Transformatoren. Die Sekundärwindung 4 ist elektro-magnetisch mit einer
Primärwindung 6 eines Transformators gekoppelt, die Sekundärwindung S dagegen mit der Primärwindung 7
eines Transformators. Die Primärwindung 6 ist über eine Verbindungsleitung 8 mit einer Stromimpulsquelle
9 verbunden, die einen Strom ß»Oandie Primärwindung
6 liefert, sowie an alle hiermit in Reihe geschalteten Primärwindungen 6. In ähnlicher Weise ist eine
Stromimpulsquelle 10 über Verbindungsleitung 11 mit der Primärwindung 7 verbunden. Die Stromimpulsquelle
10 liefert einen Strom Ib 1 an die Primärwindung 7 und alle anderen damit in Reihe geschalteten Primärwindungen
7. Die Sekundärwindungen 4, 5 enthalten in Reihe geschaltete Josephson-Elemente /3 bzw. /4. Wie
Steuerleitung 13 in den normalleitenden Zustand umschaltet. Die Steuerleitung 13 ist elektromagnetisch
mit beiden Elementen /2 und /4 gekoppelt.
Da nun kein Strompfad mehr durch die umgeschalteten Elemente /2, /4 zur Verfügung steht, fließt der Strom IgI im Element Ji, das sich immer noch im supraleitenden Zustand befindet. Der Strom Ig 2, der die Hälfte des Stromes darstellt, der ursprünglich an den Schaltkreis 1 zur Polaritätsumschaltung angelegt wurde,
Da nun kein Strompfad mehr durch die umgeschalteten Elemente /2, /4 zur Verfügung steht, fließt der Strom IgI im Element Ji, das sich immer noch im supraleitenden Zustand befindet. Der Strom Ig 2, der die Hälfte des Stromes darstellt, der ursprünglich an den Schaltkreis 1 zur Polaritätsumschaltung angelegt wurde,
ίο hat denselben Betrag wie der ursprünglich angelegte
Strom Ig 1 und stellt nur eine Stromeinheit dar ansteile
der zwei Stromeinheiten, die in Schaltkreisen des Standes der Technik durch ein Element der Art /1
fließen. Durch die Technik der Stromkompensation der
ii vorliegenden Erfindung reduziert der induzierte Strom
lsi den Arbeitsstrom Igi des Elementes /1 im wesentlichen auf Null, und zwar als Vorbereitungsphase
für das erneute Anlegen des Stroms Ig 2, der die gleiche
/1 Kami es bleu uci ucn
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Elementen /3, /4 um Interferometer mit Mehrfachkontakten handeln, wie sie im Stand der Technik bekannt
sind. Eine Steuerleitung 12 ist elektro-magnetisch mit den Elementen J1. /3 gekoppelt. Auf ähnliche Weise ist
eine Steuerleitung 13 mit den Elementen /2, /4 elektro-magnetisch gekoppelt. Die Steuerleitung 12
führt einen Strom Ic 1, die Steuerleitung 13 einen Strom IcO. Diese Ströme werden einem Decodierer (nicht
dargestellt) entnommen oder einer anderen geeigneten Quelle für Stromimpulse. Wenn es sich um einen
Decodierer handelt, kann der Strom Ic 1 beispielsweise eine binäre Eins darstellen, der Strom IcO wäre dann
eine binäre Null. In F i g. 1 liefert eine Arbeitsstromquelle
14 einen Arbeitsstrom 2lg an parallel geschaltete
Widerstände R 1, R 2. Die Widerstände R 1. R 2 weisen
denselben Widerstandswert auf und liefern somit Ströme Igi, Ig2 an die Elemente /1 bzw. /2. Die
Arbeitsstromquelle 14 kann eine Gleichstromquelle sein oder eine impulsförmig betriebene Gleichstromquelle.
Um Ströme zu erhalten, die in entgegengesetzten Richtungen durch die Verbindungsleitung 2 zum
Benutzerschaltkreis 3 fließen, wird der Schaltkreis 1 zur Polaritätsumkehr auf folgende Weise betrieben. Unter
der Annahme, daß die Arbeitsstromquelle 14 einen Strom liefert und die Ströme Ig 1, IgI entsprechend der
Darstellung in Fig. 1 in die Josephson-Elemente JX bzw. /2 fließen, läßt sich auf der Verbindungsleitung 2
ein Stromfluß in einer Richtung erzwingen, indem gleichzeitig die Impulsstromquelle 9 aktiviert wird und
einen Strom IcO in Steuerleitung 13 liefert. Die Impulsstromquelle 9 liefert einen Strom IbO über die
Verbindungslerung 8 an die Primärwindung 6. Durch geeignete Auslegung der Sekundärwindung 4 wird dann
in dieser Sekundärwindung ein Strom induziert, der gleichen Betrag, aber entgegengesetzte Polarität
aufweist, wie der Strom Igi im Element Ji. Der
Effektivstrom durch das Element /1 wird daher zu Null. Der in F i g. 1 mit /51 bezeichnete induzierte Strom
fließt durch die Elemente /1, /3, die im supraleitenden Zustand bleiben, da Strom Is 1 unterhalb der Schwelle
liegt bei der jedes dieser Elemente umschaltet In der Zwischenzeit liefert ein Decodierer (nicht dargestellt)
oder eine andere geeignete Stromquelle einen Strom IcO an die Steuerleitung 13. Während Strom Ig2 im
Element /2 fließt bewirkt das Anlegen des Stroms IcO in der Steuerleitung 13 das Umschalten des Elements /2
in den normalleitenden Zustand und verlagert dadurch den Strom Ig 2 in die Sekundärwindung 5 und das
Element /4, das nun aufgrund des Stroms IcO in der aufweist. Durch dieses Verfahren ergibt sich ein
Schaltkreis, der in einem erheblich weiteren Arbeitsbereich als frühere Schaltkreise arbeitet und der mit hoher
Geschwindigkeit betrieben werden kann.
Der Strom Ig2, der nun im Element /1 fließt, gelangt
dann in die Verbindungsleitung 2 und den Benutzerschaltkreis 3, um über Widerstand R 2 zur Arbeitsstromqueile
14 zurückzukehren. Sofern die Verbindungsleitung '.'. und der Benutzerschaltkreis 3 ausschließlich aus
supraleitenden Elementen bestehen, kann in der Verbindungsleitung 2 ein Ringstrom entstehen, nachdem
die Impulsstromquelle 9 und der Decodierer oder eine andere Stromquelle, die den Strom IcO liefert,
abgeschaltet sind. Das Josephson-Element /5, das in Reihe mit der Verbindungsleitung 2 in F i g. 1 geschaltet
α ist, unterbricht jeden derartigen Ringstrom, wenn ein
Strom auf die Steuerleitung 15 aufgeprägt wird. Damit ist der Schaltkreis 1 zur Polaritätsumschaltung des
Stroms zurückgesetzt. Die Elemente Ji, /3 brauchen
nicht zurückgesetzt werden, da sie bei dieser Betriebsweise des Schaltkreises 1 zur Polaritätsumschaltung im
supraleitenden Zustand geblieben sind. Da die Elemente 12. /4 in den normalleitenden Zustand umgeschaltet
wurden und der ursprünglich sie durchfließende Strom in andere Elemente verlagert wurde, schalten sie
*i aufgrund der Stromstärke null in den supraleitender
Zustand zurück.
Anschließend verteilt sich der Strom 21g wieder aul
die Elemente /1,/2 und es fließen darin die Ströme Igi
bzw. Ig 2. Die Verbindungsleitung 2 erscheint nun ir
Parallelschaltung zu den Elementen Ji, J2; wenn
Element /2 umschaltet, erscheint Verbindung:.>.itung 2
als in Reihe geschaltete Induktivität mit ziemlich hohem Wert durch die Strom Ig 2 über den Benutzerschaltkreis
3 und Widerstand R 2 zurück zur Arbeitsstromquelle
14 fließt Die Induktivitäten des Elements /1 und der parallelgeschalteten Sekundärwindung 4 bilden eine
effektive Reiheninduktivität die in Reihe mit dei Induktivität der Verbindungsleitung 2 geschaltet ist
Nachdem die Elemente /1 bis /4 des Schaltkreises 1 zur Polaritätsumschaltung in den supraleitenden Zu
stand zurückgeschaltet sind, ist der Schaltkreis 1 bereit Eingangssignale zu empfangen, mit denen eine Umkehi
des Stroms in der Verbindungsleitung 2 erfolgen kann Dazu wird die Stromimpulsquelle 10 aktiviert, um einer
Strom /öl über Verbindungsleitung 11 in die Primär
windung 7 eines Transformators zu geben. Dadurct
wird ein Strom Is 2 in der entsprechend geformter Sekundärwindung 5 des Transformators induziert unc
fließt in Element /2 mit cntgcgcngesclztcr Richtung
zum Strom Ig 2, der von der Arbcitssiromqiicllc 14 in
das Element 12 gegeben wird. Die entgegengesetzt
gerichteten Ströme, die im wesentlichen dieselbe Stärke aufweisen, heben einander auf. so daß im Element / 2 ein
Strom null fließt. Zu diesem Zeitpunkt wird Strom Ic 1 auf Steuerleitung 12 gegeben, und zwar durch einen
(men* dargestellten) Decodierer oder eine andere
geeignete Slromimpulsquclle. Die Kombination von Strom /el in Sleuerlcitung 12 und Strom Igt im
Element /1 aus der Arbcitsslromquelle 14 schaltet
Element /1 in den normalleitenden Zustand um und verlagert sofort den gesamten Strom lg\ in Element
/3: dadurch wird das Element /3 unter der Einwirkung des Steuerstroms /el in den normallcilendcn Zustand
umgeschaltet. Das Umschalten der Elemente /1, /3 unterbricht aNc verfügbaren Slrompfade für den Strom
Ig 1 mit Ausnahme des Weges durch Element /2. das aufgrund der Stromkompensation supraleitend geblieben ist.
Der Strom Igt fließt nun durch die parallel
geschalteten Induktivitäten, die durch Element /2 und die Sekundärwindung 5 dargestellt sind und in Reihe mit
der Induktivität der Verbindungsleitung 2 und dem Impedanzbeitrag des Benutzerschaltkreises 3 liegen.
Der Rückweg des Stroms lg\ verläuft durch den Widerstand R 1 zur Arbeitsstromquelle 14. Die Elemente /1, /3 kehren nun in den supraleitenden Zustand
zurück, da der sie durchfließende Strom beim Umschalten auf den Wert Null zurückging. Die
Elemente /2, /4 haben nicht umgeschaltet, so daß sie immer noch im supraleitenden Zustand sind. Wieder
wird zur Unterdrückung von Ringströmen, die in der Verbindungsleitung 2 zurückbleiben, ein Rücksetzsignal
an die Steuerleitung 15 gegeben mit dem Element /5 in den normalleitenden Zustand umgeschaltet wird und
dadurch die Ringströme unterdrückt.
Wie oben schon erwähnt, kann der Benutzerschaltkreis 3 aus einer oder mehr in Reihe angeordneten
Speicherzellen bestehen, die mindestens einen Ringstrom enthalten, um einen der Binärzustände darzustel-
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die Anwendung von Zellströmen mit zwei verschiedenen Polaritäten. Schaltkreis 1 liefert derartige Ströme
bei beträchtlich höheren Geschwindigkeiten als Schaltkreise des Standes der Technik und mit weniger
Einschränkungen des Arbeitsbereiches.
F i g. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer
Mehrzahl von Schaltkreisen 20 zur Polaritätsumschaltung. die ähnlich den Schaltkreisen 1 von F i g. I Ströme
mit entgegengesetzter Polarität an eine Verbindungsleitung und an einen Benutzerschaltkreis geben können,
der in Reihe mit der Verbindungsleitung geschaltet ist. Abgesehen von dem beidseitigen Abschluß des Schaltkreises im Gegensatz zum einseitigen Abschluß in
F i g. 1 arbeiten die Schaltkreise 20 von F i g. 2 in ähnlicher Weise, wie die Schaltkreise in Fig. 1. Daher
wurden ähnliche Elemente im Schaltkreis der F i g. 2 mit denselben Bezugszahlen versehen, wie sie auch im
Schaltkreis 1 verwendet wurden.
Der oberste Schaltkreis 20 in Fig.2 enthält zwei ähnliche Schaltkreise, die an entgegengesetzten Enden
der Verbindungsleitung 2 angeordnet sind. Der obere linke Schaltkreis enthält Josephson-Elemente /1, /3.
Sekundärwindungen 4 und Primärwindungen 6. eine Steuerlcitung IZ Stromimpulsqucüe 9 und Arbeitsstromquclle 14. die identisch zu denen in F i g. 1 sind und
dieselben Bezugs/eichen aufweisen. In ähnlicher Weise
umfaUl der obere rechte Schaltkreis losephsonElcmenlc /2. /4, Sekundärwindung 5, Primärwindung 7.
Sleuerlcitung 13, Slromimpulsquclle 10 und Arbcitsslromquelle 14'; der Schaltkreis ist identisch zu dem Teil
des Schaltkreises 1 in Fig. I mit den Elementen /2, /4
und trägt für die entsprechenden Teile dieselben Iteziigszcichcn.
Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich,
daß die Arbeitsstromqiicllc 14' das einzige zusätzliche
Element darstellt; diese Quelle könnte ohne wcilcrs mil Quelle 14 in eine einzige Arbcitssiromqucllc vereinigt
werden. In der Anordnung von Fig. 2 liefen jede der
Stromquellen 14,14' einen Strom Ig an die Elemente / 1
bzw./2.
Zur Darstellung der Betriebsweise soll angenommen werden, daß alle Elemente /1 bis /5 supraleitend sind
und über die Arbeitsstromqucllcn 14, bzw. 14' die Ströme lg\ bzw. Ig 2 an die Elemente /1 bzw. /2
angelegt werden. Die Siromimpuisquciie 9 wird dann
betätigt und liefert einen Strom IbO über die Verbindungsleitung 8 an die Primärwindung 6 des
Transformators und an alle anderen Primärwindungen 6, die dazu in Reihe geschaltet sind. Dadurch wird ein
Strom Is 1 in der Sekundärwindung 4 des Transforma
tors induziert, dessen Stärke gleich der des Arbeitsstro
mes lg\ ist. Durch entsprechende Auslegung der Sekundärwindung 4 beispielsweise, kann dem Strom Is 1
eine Polarität aufgeprägt werden, die entgegengesetzt ist zur Polarität des Stromes lg\ im Element /1. Da
berde Ströme gleiche Stärke aufweisen, jedoch entgegengerichtete Polarität, löschen sie einander aus und
ergeben so einen effektiven Arbeitsstrom null im Element Ji. Zu diesem Zeitpunkt wird Strom IcO auf
die Steuerleitung 13 gegeben, beispielsweise mit einem
(nicht dargestellten) Decodierer oder einer anderen
geeignet gewählten Stromimpulsquelle; dadurch werden schließlich die Elemente /2, /4 in den normalleitenden Zustand umgeschaltet und unterbrechen dadurch
die Strompfade durch die Elemente /2, /4 für den
Strom Ig2 der Arbeitsstromquelle 14'; der Strom /.«τ2
findet dann nur noch einen offenen Strompfad durch das Z'jnickg?*?·7··* Flpmpnt /S in seinem supraleitenden
Zustand, durch die Parallelkombination von Induktivitäten, die durch Element /1 im supraleitenden Zustand
und die Sekundärwindung 4 gebildet ist, durch den Rest der Verbindungsleitung 2 und den Benutzerschaltkreis 3,
von wo er schließlich Ober Widerstand /?2 zur Arbeitsstromquelle 14' gelangt. Nachem dieser Stromdurchgang abgeschlossen ist, kehren die Elemente /2.
so /4 in ihren supraleitenden Zustand zurück; das Element /5 wird über Steuerleitung 15 beaufschlagt und
unterdrückt dadurch Ringströme; Schaltkreis 20 ist dann zurückgesetzt und für eine neue Betätigung bereit.
Wenn nun die Stromimpulsquelle 10 aktiviert wird.
entsteht ein Strom Is 2 in der Sekundärwindung 5.
dessen Stärke gleich der von Strom ig 2 ist, jedoch die
entgegengesetzte Polarität aufweist Der Strom im Element /2 ist dadurch effektiv Null. Zu diesem
Zeitpunkt wird Strom /el auf Steuerleitung 12 über
einen (nicht dargestellten) Decodierer oder eine andere geeignete Slromimpulsquelle gegeben und damit die
Elemente Ji, /3 in den normalleitenden Zustand
umgeschaltet, wodurch der Strom Igi durch das
zurückgesetzte Element /5.die Parallclkombination der
Induktivitäten des Elementes /2 und der Sekundärwindung 5. die Verbindungslcitung 2 und den Bcnutzerschaltkreis 3 fließt. Von dort fließt der Strom Ig 1 über
Widerstand R i zur Arbcilsslromqtiellc 14.
Aus der bisherigen llesehreibung ergibt sich, dal) der
höchste Arbeitssiroin, der durch ein I,lenient im
supraleitenden /iisiiind fließt, gleich dein Wert /i,'I
iiiler Ig 2 isl. wenn einer der .Schaltkreise I oder 20
betätigt wird. Auf diese Weise werden lleschriinknngeii
des Arbeitsbereiches der Schaltung abgebaut im Vergleich zu licscliriinkiiiigen von Sehalluiigeii, die im
Stand der iechnik bekiinnt sind unil bei denen der
Siioiii durch ein josephson element immer den Wert Ig.
21g odei gröHer aufweist. Unter diesen Umstanden
müssen /in1 Verhinderung des unerwünschten Uinschal
lens eines l.leinciites mit diesem Strom aufgrund von
Stm 'Signalen die I lerslelliingstoleriin/en und die Strom
pegel so genau eingehalten werden, dall in der Praxis eine brauchbare konstruktion fast unmöglich ist.
Die losephsonl'letnente der Schaltkreise I, 20 /ur
Stroiiiiimschaltiing können entweder die bekannten
ein/einen josephson -Kontakte sein oder vnrdrnckswcise
Mchilaelikonlakte in I orni von |ose|)hson Intel fei ο
meiern. Interferometer dieser Art sind beispielsweise in tier US-Patentscli/ift W 78 J5I beschrieben. Aul.terdeni
sind alle Verbindungen, beispielsweise die Leitungen 2,8 und Il und die Hteiierlcitiingen 12, I) aus Materialien
hergestellt, die bei der Temperatur des flüssigen Heliums (ungefähr 4,2"K) supraleitend sind. Typische
josephson l'ieinenle und Veibindungsschaltungen, die
/ur Ausführung der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind beispielsweise in der US-Patentschrift
Yl >H 795 beschrieben. 1-in typisches I lerstellverfahren
/ur Ausbildung von Josephson-[-!lementen ist in der IIS-Patentschrift 18 44 27b beschrieben. Widerstände,
wie /. Ii. W I. Ii 2 dürfen bei der Arbeitstemperatur
des Schaltkreises nicht supraleitend sein und können mit konipaliblen Materialien hergestellt weiden, die bei der
" gewünschten Arbeilsleniperaliir einen Willerstand
aufweisen. In der IIS-Patentschrift il>
I J 120 wird ein Material und ein Herstellungsverfahren für einen
Schallkreis mit einem Widerstand angegeben, der für die /wecke der vorliegenden I Hindun;: henut/t werden
kann.
Hierzu 1 Hlatt Zeichnungen
Claims (11)
1. Josephson-Schaltung zum Umschalten der
Polarität von Stromimpulsen, die einem Benutzerschaltkreis zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß dem Benutzerschaltkreis (3)
eine Serienschaltung von zwei Josephson-EIementen (Paar /1, /2) parallel geschaltet ist, daß jedem
Josephson-Element (J 1, /2) ein Stromkreis mit einer steuerbaren Stromquelle (4 bzw. 5) und einem
weiteren Josephson-Element (/3 bzw. Ji) parallel geschaltet ist, daß jeweils eine gemeinsame Steuerleitung (12 bzw. 13) für ein Josephson-Element (JX
bzw. /2) der Serienschaltung und das zugeordnete weitere Josephson-Element (Ji bzw. /4) im
Parallelkreis vorgesehen ist und daß den Josephson-Elementen der Serienschaltung der Arbeitsstrom (Ig)
über die Mittelanzapfung und die Endpunkte der Serienschaltung zugeführt wird.
2. Josepbson-Schaltung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die steuerbare Stromquelle im
Parallelkreis jedes Josephson-Elements die Sekundärwindung (4 bzw. 5) eines Transformators ist und
daß die Primärwindungen (6 bzw. 7) der Transformatoren jeweils von einer getrennten Siromimpulsquelle (9 bzw. 10) beaufschlagt werden.
3. Josephson-Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Benutzerschaltkreis (3) und der Serienschaltung von Josephlon-Elementen (J 1, /2) ein weiteres Josephson-Element (JS) mit zugeordneter Steuerleitung (15)
vorgesehen ist, das zur Unterdrückung von Ringitrömen und zum Zurücksetzen des Schaltkreises
dient.
4. Josephson-Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß die
Endpunkte der Serienschaltung von Josephson-Elementen über Widerstände (R 1 bzw. R 2) an eine
gemeinsame Arbeitsstromquelle (14) angeschlossen lind, die das doppelte des Arbeitsstromes (lg) eines
einzelnen Josephson-Elements liefert.
5. Josephson-Schaltung nach einem der Anspiüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Endpunkte der Serienschaltung von Josephson-Elementen über Widerstände (R 1 bzw. R 2) jeweils an
eine getrennte Arbeitsstromquelle (14 bzw. 14') angeschlossen sind.
6. losephson-Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Josephson-Elemente der
SerienschaUung (I X bzw. /2) mit jeweils zugeordneter ArDeiisstrorrquelle (14 bzw. 14') und steuerbarer
Stromquelle (4 bzw. 5) symmetrisch zum Benutzerschaltkreis (3) angeordnet sind.
7. losephson-Schaltung nach einem der Ansprüche I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die
Mittel anzapfung der Serienschaltung von Josephion-Elementen als Arbeitsstromquelle für eine
/weite, identische losephson-Schaltung dient, die
über Widerstände (R X bzw. R 2) angeschlossen ist, daß weitere identische JosephsonSchaltungen vor=
gesehen sind, die jeweils an die Mittelanzapfung der vorhergehenden Josephson-Schaltung angeschlossen sind und daß die steuerbaren Stromquellen aller
ersten Josephson-Elemente (J i) der SerienschaUung
und aller zweiten Josephson-Elemente (J2) der
SerienschaUung jeweils parallel gesteuert werden.
8. Josephson-Schaltung nach einem der Ansprüche I bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß alle oder
einige Josephson-Elemente Josephson-Interferometer mit Mehrfach-Josephson-Kontakten sind.
9. Josephson-Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis S, dadurch gekennzeichnet, daß die
Verbindungsleitungen (z. B. 2), die Steuerleitungeii
(z. B. 12) und die Transformatorwindungen (z. B. 4) aus supraleitendem Material bestehen.
10. Josephson-Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet daß als
Benutzerschaltkreise supraleitende Speicherzellen eingesetzt werden.
11. Verfahren zum Betrieb einer Einrichtung zum
Umschalten der Polarität von Stromimpulsen nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet daß in einem ersten Schritt der Arbeitsstrom
eines der Josephson-Elemente (z. B. /1) der Serienschaltung kompensiert wird, daß in einem zweiten
Schritt das andere Josephson-Element (z. B. J 2) der Serienschaltung in den normalleitenden Zustand
umgeschaltet wird und daß in einem dritten Schritt störende Ringströme in der Verbindungsleitung (2)
unterdrückt werden.
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