DE2909222C3 - Josephson-Schaltung zur Polaritätsumschaltung und Verfahren zu deren Betrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Josephson-Schaltung zur Umschaltung von Impulspolaritäten nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Verfahren zu deren Betrieb

J" nach Anspruch 11.

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 T_erhnik 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,

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

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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 2l_g 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 i^l> 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)

Patentansprüche:

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 (I_g) 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 (l_g) 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.