DE69018162T2

DE69018162T2 - Supraleitender Analog-zu-Digital-Konverter mit einem geerdeten Vier-Übergang-Squid-Zweirichtungszähler.

Info

Publication number: DE69018162T2
Application number: DE69018162T
Authority: DE
Inventors: Gregory S Lee
Original assignee: TRW Inc
Current assignee: Northrop Grumman Space and Mission Systems Corp
Priority date: 1989-08-24
Filing date: 1990-08-13
Publication date: 1995-08-03
Anticipated expiration: 2010-08-14
Also published as: JPH07170187A; JP2874836B2; EP0414426A1; JPH03174817A; JP2711017B2; DE69018162D1; EP0414426B1

Description

Hintergrund der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Analog-zu-Digital-Konverter und besonders auf hochauflösende Hochgeschwindigkeits-Analog-zu-Digital-Konverter, die mit supraleitenden Josephson-Kontakten arbeiten.
Hochleistungs-Analog-zu-Digital-(A/D-> )Konverter sind für die verschiedensten kommerziellen und militärischen elektronischen Geräte erforderlich. Zwei der wichtigeren Maße für die Leistung eines A/D-Konverters sind seine Geschwindigkeit, gemessen als Anzahl pro Sekunde umgewandelter Abtastungen, und seine Auflösung, gemessen als der kleinste Zuwachs einer Anderung, der in einem analogen Signal detektiert werden kann. Die Supraleitertechnologie ist besonders gut zur Ausführung der hochauflösenden Hochgeschwindigkeits-A/D-Konversion geeignet, da Josephson-Kontakte, welche die grundlegenden in supraleitenden elektronischen Eauteilen verwendeten Schaltelemente sind, eine einzigartige Kombination von Geschwindigkeit, Empfindlichkeit und periodischen Antworteigenschaften besitzen.
Der Josephson-Kontakt ist ein einfaches bistabiles Schaltelement mit einer sehr dünnen lsolierschicht, die zwischen zwei supraleitenden Elektroden liegt. Wenn der in den Josephson-Kontakt eingespeiste Strom über den kritischen Strom des Kontakts erhöht wird, wird das Bauelement von einem supraleitenden Zustand mit Spannung Null in einen Spannungszustand mit Widerstand umgeschaltet. Der Spannungszustand mit Widerstand, in dem der Spannungsabfall über das Eauteil gleich der Energielücke des Supraleitermaterials ist, wird durch Verringern des in den Kontakt eingespeisten Stroms auf etwa Null abgeschaltet. Da dieser Schaltvorgang innerhalb weniger Pikosekunden ablaufen kann, ist der Josephson-Kontakt wirklich ein Hochgeschwindigkeits-Schaltelement. In einem supraleitenden A/D-Konverter werden ein oder mehrere Josephson-Kontakte mit einer oder mehreren induktiven Lasten kombiniert, um eine SQUID oder supraleitendes Quanteninterferometer genannte Logikschaltung zu bilden.
Die Eigenschaften des SQUID, welche die Grundlage für die supraleitende A/D-Konversion bilden, können am besten mit Bezug auf ein Ein-Übergang-SQUID erklärt werden. Das Ein-Übergang-SQUID, welches einfach ein zum Bilden einer supraleitenden Schleife über eine Induktivität verbundener Josephson-Kontakt ist, zeichnet sich durch ein periodisches und vieldeutiges Verhältnis zwischen dem in die Induktivität induzierten Strom und dem magnetischen Fluß in der Schleife aus. Der magnetische Pluß in der Schleife erhöht sich immer dann um eine kleine Menge, wenn sich der Strom um einen kleinen und präzise wiederholbaren Zuwachs erhöht. Dieses Flußguant erzeugt einen kleinen aber meßbaren Spannungsimpuls am Kontakt. Wenn der Strom um einen ähnlichen Wert erniedrigt wird, verringert sich der magnetische Fluß in der Schleife um die kleine Menge und es wird am Kontakt ein entsprechender Spannungsimpuls mit der entgegengesetzten Polarität erzeugt.
Um ein Signal unter Verwendung des Ein-Übergang-SQUID von der analogen in die digitale Form umzuwandeln, wird das analoge Signal als variierender Strom in das SQUID geleitet. Jedesmal wenn sich der Strom um einen vorherbestimmten Betrag erhöht oder erniedrigt, wird am Kontakt ein meßbarer Spannungsimpuls erzeugt. Auf diese Weise funktioniert das SQUID als Quantisierer, wobei die resultierenden Impulse in einem oder mehreren Binärzählern detektiert und gezählt werden. Die prinzipiellen Vorteile dieses supraleitenden zählenden A/D-Konverters sind seine nahezu perfekte Linearität und seine hohe Empfindlichkeit und Geschwindigkeit. Die Zunahme oder Abnahme des Stroms, welche die Auflösung des Bauteils bestimmt, kann extrem klein gemacht werden. Das ergibt sich, weil ein einzelnes Flußquant nur 2,07 x 10&supmin;¹&sup5; Weber beträgt und die Zunahme oder Abnahme des Stroms das Flußquant geteilt durch den Wert der Induktivität (gemessen in Henry) ist.
Das Phillips et al. erteilte U.S. Patent No. 4,646,060 beschreibt einen supraleitenden zählenden A/D-Konverter mit einem Doppel-Übergang-SQUID-Quantisierer und einem bidirektionalen Binärzähler, der aus n Stufen von Doppel-Übergang-SQUID-Flipflops besteht, wobei n die Anzahl der Bits der Genauigkeit des Zählers ist. Der Quantisierer erzeugt auf zwei verschiedenen Ausgabeleitungen Vorwärtszähl- und Rückwärtszähl-Spannungsimpulse mit derselben Polarität statt Spannungsimpulsen mit entgegengesetzter Polarität auf derselben Ausgabeleitung wie beim Ein-Übergang-SQUID. Der bidirektionale Binärzähler zählt die Spannungsimpulse algebraisch, erhöht den binären Zählerstand, wenn Vorwärtszählimpulse empfangen werden und erniedrigt den binären Zählerstand, wenn Rückwärtszählimpulse empfangen werden. Eine supraleitende Logikbeschaltung, die zahlreiche UND- und ODER-Gatter beinhaltet, stellt die Übertrag- und Borgefunktionen des Zählers bereit.
Obwohl der A/D-Konverter von Phillips et al. bestimmte Vorteile hat, besitzt er auch einige Nachteile. Ein Nachteil ist, daß die zusätzliche Logikbeschaltung die Geschwindigkeit verringert und die Anzahl der Bauelemente des A/D-Konverters erhöht. Eine erhöhte Anzahl von Bauelementen verringert die Zuverlässigkeit des A/D-Konverters und erhöht auch dessen Kosten. Folglich hat ein Bedarf für einem supraleitenden Analog-zu-Digital-Konverter bestanden, der diese zusätzliche Logikbeschaltung nicht erfordert. Die vorliegende Erfindung erfüllt diesen Bedarf.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung besteht in einem hochauflösenden supraleitenden zählenden Hochgeschwindigkeits-A/D-Konverter, der mit einer niedrigen Anzahl von Bauelementen stark erhöhte Konversionsgeschwindigkeiten bereitstellt. Der supraleitende zählende A/D-Konverter beinhaltet einen Doppel-Übergang-SQUID-Quantisierer und einen bidirektionalen Binärzähler mit n Stufen aus Vier-Übergang-SQUID-Flipflops, die entweder potentialfrei oder geerdet sein können, wobei n die Anzahl der Bits der Genauigkeit des Zählers ist. Der Quantisierer verfolgt kontinuierlich ein analoges Signal und erzeugt jeweils für ansteigende und abnehmende Werte des analogen Stroms auf zwei verschiedenen Ausgabeleitungen Vorwärtszähl- und Rückwärtszähl-Spannungsimpulse mit derselben Polarität. Der bidirektionale Binärzähler zählt die Spannungsimpulse algebraisch, erhöht den binären Zählerstand, wenn Vorwärtszählimpulse empfangen werden und erniedrigt den binären Zählerstand, wenn Rückwärtszählimpulse empfangen werden.
Der Quantisierer enthält zwei Josephson-Kontakte und eine Induktivität mit mittigem Abgriff, die miteinander verbunden sind, um eine supraleitende Schleife zu bilden. Ein konstanter Gatestrom wird in den mittigen Abgriffanschluß der Induktivität injiziert, während das analoge Signal durch eine Windung an die Induktivität übertragergekoppelt wird. Der bidirektionale Binärzähler beinhaltet n Stufen der potentialfreien Vier-Übergang-SQUID-Flipflops, die vom niedrigstwertigen Bit (LSB) zum höchstwertigen Bit in einer Kaskadenanordnung miteinander verbunden sind. Jedes potentialfreie Vier-Übergang-SQUID-Flipflop beinhaltet vier Josephson-Kontakte und zwei Induktivitäten mit mittigem Abgriff, die miteinander verbunden sind, um eine supraleitende Schleife zu bilden.
Das Vier-Übergang-SQUID-Flipflop ist eine bistabile Logikschaltung, in der die Richtung des kreisenden Stroms den Zustand der Schaltung bestimmt. Ein Bit "0" wird durch einen gegen den Uhrzeigersinn kreisenden Suprastrom repräsentiert und ein Bit "1" wird durch einen im Uhrzeigersinn kreisenden Suprastrom repräsentiert. Wenn an das SQUID-Flipflop ein Vorwärtszähl- oder Rückwärtszählimpuls angelegt wird, wird der Strom durch einen der Josephson-Kontakte kurzfristig über den kritischen Strom des Kontakts angehoben. Das bewirkt, daß der Josephson-Kontakt einen Spannungsimpuls erzeugt und dadurch die Richtung des kreisenden Stroms umgekehrt wird. Nachfolgende an das SQUID-Flipflop angelegte Impulse bewirken, daß das Flipflop umschaltet oder den Zustand wechselt. Auf diese Weise läuft ein Vorwärtszählimpuls von Flipflop zu Flipflop, verändert den binären Zustand jeder Stufe und erzeugt einen Übertragimpuls, falls der Anfangszustand der Stufe eine "1" ist. Ein Rückwärtszählimpuls läuft ebenfalls von Flipflop zu Flipflop, verändert den binären Zustand jeder Stufe und erzeugt einen Borgeimpuls, falls der Anfangszustand der Stufe eine "0" ist.
In einer alternativen Ausführungsform des hochauflösenden supraleitenden zählenden Hochgeschwindigkeits-A/D-Konverters der vorliegenden Erfindung ist der Quantisierer ein Ein-Übergang-SQUID-Quantisierer. Der Ein-Übergang-Quantisierer erzeugt für positive und negative Werte einer analogen Spannung auf einer einzelnen Ausgangsleitung jeweils Vorwärtszähl- und Rückwärtszähl-Spannungsimpulse von entgegengesetzter Polarität. Der Quantisierer digitalisiert unter Verwendung des Wechselstromeffekts von Josephson-Kontakten eine analoge Spannung statt eines analogen Stroms. Wenn an einen Josephson-Kontakt eine Spannung angelegt wird, wird am Kontakt ein Wechselstrom erzeugt. Da die Frequenz des Stroms von der Größe der Spannung abhängt, kann die durchschnittliche Spannung während des Abtastintervalls durch Zählen der Frequenz des Wechselstroms über dieses Zeitintervall digitalisiert werden.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform des hochauflösenden supraleitenden zählenden Hochgeschwindigkeits-A/D-Konverters der vorliegenden Erfindung sind die SQUID-Flipflops geerdete Drei-Übergang-SQUID-Flipflops. Jedes geerdete Drei-Übergang-SQUID-Flipflop enthält zwei Induktivitäten und drei Josephson-Kontakte. Zwei der Josephson-Kontakte ähneln den beiden Josephson-Kontakten im Vier-Übergang-SQUID-Flipflop und der dritte Josephson-Kontakt ersetzt die anderen beiden Josephson-Kontakte, indem er entweder positiv oder negativ pulsiert. In noch einer weiteren alternativen Ausführungsform des hochauflösenden supraleitenden zählenden Hochgeschwindigkeits-A/D-Konverters der vorliegenden Erfindung sind der Quantisierer und das LSB-Vier-Übergang-SQUID-Flipflop so kombiniert, daß sie einen Vier-Übergang-SQUID-Quantisierer mit einem zusätzlichen Bit an Empfindlichkeit bereitstellen.
Der hochauflösende supraleitende zählende Hochgeschwindigkeits-A/D-Konverter der vorliegenden Erfindung kann mit Einrichtungen zum Lesen der Inhalte des Zählers am Ende jedes Abtastintervalls verwendet werden. Ein Verfahren zum Lesen der Inhalte des Zählers ist, einen umschaltenden Quantisierer und zwei bidirektionale Binärzähler zu verwenden. Der Quantisierer schaltet am Ende eines jeden Abtastintervalls zwischen den beiden Zählern um, so daß ein Zähler gelesen werden kann, während der andere Zähler zählt und umgekehrt. Ein Addierer kombiniert die Ausgaben der beiden Zähler. Ein anderes Verfahren zum Lesen der Inhalte des Binärzählers Ist, einen Quantisierer mit variabler Hysterese zu verwenden. Der Quantisierer mit variabler Hysterese hemmt die Erzeugung von Spannungsimpulsen während der Leseperiode und erlaubt, daß der Zähler ausgelesen wird, ohne irgendwelche Anderungen des analogen Signals zu versäumen.
Der A/D-Konverter der vorliegenden Erfindung hat einschließlich der sehr schnellen A/D-Konversionsgeschwindigkeiten und der niedrigen Anzahl von Bauelementen viele Vorteile. Diese Vorteile resultieren aus der Fähigkeit des Vier-Übergang-SQUID-Flipflop, sowohl die binären Zustände der Stufen des Zählers als auch die bidirektionalen Übergänge und Übertragungen des Zählers zu steuern. Die Gatter, die normalerweise diese Logik verarbeiten würden, können nicht bei den erforderlichen Geschwindigkeiten arbeiten. Deshalb resultiert aus der Beseitigung der logischen Gatter ein extrem schneller Zähler, der mit Geschwindigkeiten von mehr als einem Zählimpuls pro 10 Pikosekunden oder einer Zählrate von 100 GHz vorwärts und rückwärts zählen kann. Die Beseitigung der logischen Gatter verringert auch die Anzahl der Bauelemente, was die Zuverlässigkeit stark verbessert und den Stromverbrauch und die Kosten verringert.
Aus dem vorangehenden wird erkannt werden, daß die vorliegende Erfindung im Bereich der supraleitenden Analogzu-Digital-Konverter einen merklichen Fortschritt darstellt. Andere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlicheren Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich werden, die anhand eines Beispiels die Prinzipien der Erfindung veranschaulichen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 ist ein Schaltungsdiagramm einer Ein-Übergang-SQUID-Vorrichtung;
Figur 2 ist eine Grafik des magnetischen Flusses als Funktion des injizierten Stroms für das Ein-Übergang-SQUID;
Figur 3A ist ein Schaltungsdiagramm eines hochauflösenden supraleitenden Hochgeschwindigkeits-A/D-Konverters mit potentialfreiem Vier-Übergang-SQUID;
Figur 3B ist ein Schaltungsdiagramm eines hochauflösenden supraleitenden Hochgeschwindigkeits-A/D-Konverters mit geerdetem Vier-Übergang-SQUID;
Figur 4 ist ein Schaltungsdiagramm eines Ein-Übergang-SQUID-Quantisierers;
Figur 5 ist ein Schaltungsdiagramm eines umschaltenden Quantisierers und zweier bidirektionaler Zähler;
Figur 6 ist ein Diagramm des durch den umschaltenden Quantisierer fließenden Stroms als Funktion der Zeit;
Figur 7 ist ein Schaltungsdiagramm eines Quantisierers mit variabler Hysterese;
Figur 8 ist ein Diagramm der Hysterese des Quantisierers mit variabler Hysterese als Punktion der Zeit;
Figur 9 ist ein Diagramm der vom Quantisierer mit variabler Hysterese erzeugten Spannungsimpulse als Funktion der Zeit;
Figur 10 ist ein Schaltungsdiagramm eines Übergang-SQUID-Flipflop; und
Figur 11 ist ein Schaltungsdiagramm eines Vier-Übergang-SQUID-Quantisierers;

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Figur 1 zeigt ein Ein-Übergang-SQUID 10, in dem ein Josephson-Kontakt 12 über eine Induktivität 14 verbunden ist, um eine supraleitende Schleife zu formen. Ein Anschluß der Induktivität 14 ist wie bei 16 angezeigt mit einer Stromquelle verbunden und der andere Anschluß ist mit Masse verbunden. Figur 2 ist eine vereinfachte Darstellung der Eeziehung zwischen dem injizierten Strom und dem magnetischen Fluß in der Schleife. Wenn der Strom ansteigt, steigt auch der magnetische Fluß, bis wie bei 18 angezeigt ein vieldeutiger Bereich der Kurve erreicht wird. Wenn ein Strom-Umkehrpunkt 20 erreicht wird, bewirkt ein weiterer Anstieg des Stroms, daß der magnetische Fluß wie bei 22 angezeigt auf ein höheres Niveau des vieldeutigen Bereichs springt. Dieser plötzliche Anstieg des Stroms führt zu einem kleinen aber meßbaren Spannungsimpuls am Josephson-Kontakt 12.
Die Kurve von Figur 2 ist insofern perfekt periodisch, als die Stromzuwächse zwischen aufeinanderfolgenden Spitzen in der Kurve sowie die Zuwächse des magnetischen Flusses, die als Ergebnis der Stromzuwächse erzeugt werden, einheitlich sind. Wenn der Strom durch den Stromkreis fällt, wird der magnetische Fluß in der Schleife verringert und am Josephson-Kontakt 12 werden entsprechende Spannungs Impulse mit entgegengesetzter Polarität erzeugt. Diese Eigenschaften des SQUID sind die Grundlage für die A/D-Konversion unter Verwendung von supraleitenden Bauelementen.
In der folgenden Beschreibung der Figuren 3A und 3B bezeichnen dieselben Ziffern dieselben Schaltungselemente. Es wird erkannt werden, daß die Schaltungen in Figur 3A und 3B bis auf die Ausnahme der potentialfreien oder geerdeten Verbindung ähnlich sind. Die Figuren 3A und 3B zeigen einen hochauflösenden supraleitenden zählenden Hochgeschwindigkeits-A/D-Konverter gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei Figur 3A den bidirektionalen Zähler 34 mit n Stufen von potentialfreien Vier-Übergang-SQUID-Flipflops 36 repräsentiert und in Figur 3B die Vier-Übergang-SQUID-Flipflops 236 geerdet sind. Fig. 3A zeigt einen hochauflösenden supraleitenden zählenden Hochgeschwindigkeits-AYD-Konverter gemäß der vorliegenden Erfindung. Der supraleitende zählende A/D-Konverter beinhaltet einen Doppel-Übergang-SQUIDQuantisierer 32 und einen bidirektionalen Binärzähler 34 mit n Stufen von Vier-Übergang-SQUID-Flipflops 36, wobei n die Anzahl der Bits der Genauigkeit des Zählers ist. In Figur 3B beinhaltet der A/D-Konverter einen Doppel-Übergang-SQUID-Quantisierer 232 und einen bidirektionalen Binärzähler 234 mit n Stufen von geerdeten Vier-Übergang-SQUID-Flipflops 236. Der Quantisierer 232 verfolgt ein analoges Signal auf der Leitung 238 kontinuierlich und erzeugt jeweils für ansteigende und abnehmende Werte des analogen Stroms auf zwei verschiedenen Ausgabeleitungen Vorwärtszähl- und Rückwärtszähl-Spannungsimpulse mit derselben Polarität. Die bidirektionalen Binärzähler 34 (Fig. 3A) und 234 (Fig. 3B) zählen die Spannungsimpulse algebraisch, erhöhen den binären Zählerstand, wenn Vorwärtszählimpulse empfangen werden und erniedrigen den binären Zählerstand, wenn Rückwärtszählimpulse empfangen werden.
Der Quantisierer 32 in Fig. 3A beinhaltet zwei Josephson-Kontakte 40, 42 und eine Induktivität mit mittigem Abgriff 44, die miteinander verbunden sind, um eine supraleitende Schleife zu bilden. Ein Anschluß jedes der Josephson-Kontakte 40, 42 ist mit einem anderen Endanschluß der Induktivität 44 verbunden und der andere Anschluß jedes der Josephson-Kontakte 40, 42 ist mit Masse verbunden. Auf der Leitung 46 wird ein konstanter Gatestrom in den mittigen Abgriffanschluß der Induktivität 44 injiziert. Das analoge Signal auf der Leitung 38 wird durch eine Windung 48 an die Induktivität 44 übertragergekoppelt. Alternativ kann das analoge Signal auf der Leitung 38 direkt in die lnduktivität 44 eingekoppelt werden. Positive Zuwachsänderungen des analogen Stroms führen zur Erzeugung von Vorwärtszähl-Spannungs Impulsen am Josephson-Kontakt 40 und negative Zuwachsänderungen des analogen Stroms führen zur Erzeugung von Rückwärtszähl-Spannungsimpulsen am Josephson-Kontakt 42. Diese Vorwärtszähl- und Rückwärtszählsignale werden jeweils von den Anschlüssen zwischen der Induktivität 44 und den Josephson-Kontakten 40, 42 an den Binärzähler 34 ausgegeben und jeweils über einen Widerstand 50 an den Zähler angelegt.
Der bidirektionale Zähler 34 beinhaltet n Stufen von potentialfreien Vier-Übergang-SQUID-Flipflops 36, die vom niedrigstwertigen Bit (LSB) zum höchstwertigen Bit (MSB) in einer Kaskadenanordnung miteinander verbunden sind. Jedes potentialfreie Vier-Übergang-SQUID-Flipflop 36 beinhaltet vier Josephson-Kontakte 52, 54, 56, 58 und zwei Induktivitäten mit mittigem Abgriff 60 und 62, die miteinander verbunden sind, um eine supraleitende Schleife zu formen. Ein Anschluß jedes der Josephson-Kontakte 52, 54 ist mit einem anderen Endanschluß der lnduktivität 60 verbunden und ein Anschluß jedes der Josephson-Kontakte 56, 58 ist mit einem anderen Endanschluß der Induktivität 62 verbunden. Die anderen Anschlüsse der Josephson-Kontakte 52, 56 sind miteinander verbunden und die anderen Anschlüsse der Josephson-Kontakte 54, 58 sind miteinander verbunden. Jeder der Josephson-Kontakte 52, 54, 56, 58 besitzt ebenfalls einen über seinen Anschlüssen verbundenen Shuntwiderstand 64.
Der mittige Abgriffanschluß der Induktivität 60 empfängt das Übertragsignal von den vorhergehenden VierÜbergang-SQUID-Flipflops 36 und 36' oder das Vorwärtszählsignal vom Quantisierer 32, falls das Vier-Übergang-SQUID-Flipflop das LSB-Flipflop ist und der mittige Abgriffanschluß der Induktivität 62 empfängt das Rückwärtszähl- oder Borgesignal. Die Übertrag- und Borgesignale werden jeweils vom Anschluß zwischen dem Josephson-Kontakt 54 und der Induktivität 60 und vom Anschluß zwischen dem Josephson-Kontakt 58 und der Induktivität 62 an das nachfolgende Vier-Übergang-SQUID-Flipflop 36 ausgegeben und werden jeweils über einen Widerstand 66 an das nachfolgende SQUID-Flipflop angelegt.
In jedes der Vier-Übergang-SQUID-Flipflops 36 wird durch Anlegen einer ungeerdeten Konstantspannungsquelle 68 an die Widerstände 69 (Figur 3A) ein konstanter Gatestrom eingespeist. Der konstante Gatestrom fließt durch jedes SQUID-Flipflop vom Anschluß zwischen den Josephson-Kontakten 52, 56 zum Anschluß zwischen den Josephson-Kontakten 54, 58, wo er durch die Widerstände 70 in die Konstantspannungsquelle 68 zurückgeführt wird. Da die Spannungsquelle 68 und die Vier-Übergang-SQUID-Flipflops 36 ungeerdet sind, arbeiten die SQUID-Flipflops in einem potentialfreien Modus. Dies ermöglicht, daß alle vier Josephson-Kontakte identisch sind und stellt ein symmetrisches SQUID-Flipflop bereit. In jedem SQUID-Flipflop wird durch eine Fluß-Vormagnetisierungsleitung 71 und Induktivitäten 72 eine Flußvormagnetisierung von F&sub0;/2, wobei F&sub0; ein Flußquant h/2e = 2,07 x 10&supmin;¹&sup5; Weber ist, erzeugt. Alternativ kann die Fluß-Vormagnetisierung durch einzelne Fluß-Vormagnetisierungsleitungen statt durch die eine Fluß-Vormagnetisierungsleitung 71 an die SQUID-Flipflops angelegt werden. Die Fluß-Vormagnetisierung induziert in jedem SQUID-Flipflop einen Fluß-Vormagnetisierungsstrom. Die Josephson-Kontakte 52, 54, 56, 58 sind mit Shuntwiderständen versehen, so daß die SQUID-Flipflops 36 in einem nichtsperrenden Modus arbeiten, was ermöglicht, daß die SQUID-Flipflops bei viel höheren Geschwindigkeiten arbeiten, als wenn sie im sperrenden Modus betrieben werden.
Jedes Vier-Übergang-SQUID-Flipflop 36 (Fig. 3A) ist eine bistabile Logikschaltung, in der die Richtung des kreisenden Stroms den Zustand der Schaltung bestimmt. Ein Bit "0" wird durch einen entgegen dem Uhrzeigersinn kreisenden Suprastrom repräsentiert und ein Bit "1" wird durch einen im Uhrzeigersinn kreisenden Suprastrom repräsentiert. Wenn ein Vorwärtszähl-/Übertragimpuls oder ein Rückwärtszähl-/Borgeimpuls an das SQUID-Flipflop angelegt wird, wird der Strom durch einen der Josephson-Kontakte kurzfristig über den kritischen Strom des Kontakts angehoben. Dies bewirkt, daß der Josephson-Kontakt einen Spannungsimpuls erzeugt und dadurch die Richtung des kreisenden Stroms umkehrt. Nachfolgende an das SQUID-Flipflop angelegte Impulse bewirken, daß das Flipflop umschaltet oder den Zustand umkehrt. Auf diese Weise läuft ein Vorwärtszähloder Übertragsignal von Flipflop zu Flipflop, verändert den binären Zustand jeder Stufe und erzeugt ein weiteres Übertragsignal, falls der Anfangszustand der Stufe eine "1" ist. Ein Rückwärtszähl- oder Borgesignal läuft ebenfalls von Flipflop zu Flipflop, verändert den binären Zustand jeder Stufe und erzeugt ein weiteres Borgesignal, falls der Anfangszustand der Stufe eine "0" ist.
In Figur 3A gibt es weiterhin vier mögliche Übergänge für jedes der SQUID-Flipflops 36, von einer "0" hinauf zu einer "1", von einer "0" hinab zu einer "1", von einer "1" hinauf zu einer "0" und von einer "1" hinab zu einer "0". Wenn ein SQUID-Flipflop eine "0" anzeigt, bewirkt ein Vorwärtszähl- oder Übertragsignal, daß der Josephson-Kontakt 56, während ein Rückwärtszähl- oder Borgesignal bewirkt, daß der Josephson-Kontakt 58 pulsiert und ein Borgesignal an das nachfolgende SQUID-Flipflop ausgibt. Wenn ein SQUID-Flipflop eine "1" anzeigt, bewirkt ein Vorwärtszähl- oder Übertragsignal, daß der Josephson-Kontakt 54 pulsiert und ein Übertragsignal an das nachfolgende SQUID-Flipflop ausgibt, während ein Rückwärtszähl- oder Borgesignal bewirkt, daß der Josephson-Kontakt 52 pulsiert. Folglich ist Josephson-Kontakt 54 der Addition-mit-Übertrag-Kontakt, Josephson-Kontakt 56 der Addition-ohne-Übertrag-Kontakt, Josephson-Kontakt 58 der Subtraktion-mit-Borgen-Kontakt, Josephson-Kontakt 52 der Subtraktion-ohne-Borgen-Kontakt.
Bei genauerer Betrachtung der Übergänge in Fig. 3A werden, wenn ein Bit eine "0" anzeigt, der Fluß-Vormagnetisierungsstrom und der Gatestrom in den Josephson-Kontakten 56, 58 positiv kombiniert und in den Josephson-Kontakten 52, 54 negativ kombiniert. Folglich tragen die Josephson-Kontakte 56 und 58 vergleichsweise große Stromflüsse, was ermöglicht, daß sie wegen eines Übertrag- oder Borgesignals pulsieren. Ein Vorwärtszähl- oder Übertragsignal speist Strom in die Schleife ein, der positiv mit dem Strom durch den Josephson-Kontakt 56 kombiniert und negativ mit dem Strom durch den Josephson-Kontakt 58 kombiniert. Deshalb wird der Strom durch den Josephson-Kontakt 56 dessen kritischen Strom überschreiten und bewirken, daß der Kontakt einen Spannungsimpuls erzeugt. Der Kreiszustand des SQUID-Flipflop wird in die Richtung des Uhrzeigersinns wechseln, was eine "1" anzeigt, und es wird kein Übertrag- oder Borgesignal zum nächsten Bit ausgebreitet werden.
Ein Rückwärtszähl- oder Borgesignal speist Strom in die Schleife ein, der positiv mit dem Strom durch den Josephson-Kontakt 58 kombiniert und negativ mit dem Strom durch den Josephson-Kontakt 56 kombiniert. Deshalb wird der Strom durch den Josephson-Kontakt 58 dessen kritischen Strom überschreiten und bewirken, daß der Kontakt einen Spannungsimpuls erzeugt. Der Kreiszustand des SQUID-Flipflop wird sich zur Richtung des Uhrzeigersinns ändern und es wird ein Borgesignal zum nächsten Bit ausgebreitet werden.
Wenn ein Bit eine "1" anzeigt, kombinieren der Fluß-Vormagnetisierungsstrom und der Gatestrom in den Josephson-Kontakten 52, 54 positiv und in den Josephson-Kontakten 56, 58 negativ. Folglich tragen die Josephson-Kontakte 52 und 54 verhältnismäßig große Stromflüsse, die es ihnen ermöglichen, wegen eines Übertrag- oder Borgesignals zu pulsieren. Ein Vorwärtszähl- oder Übertragsignal speist Strom in die Schleife ein, der positiv mit dem Strom durch den Josephson-Kontakt 54 kombiniert und negativ mit dem Strom durch den Josephson-Kontakt 52 kombiniert. Deshalb wird der Strom durch den Josephson-Kontakt 54 dessen kritischen Strom überschreiten und bewirken, daß der Kontakt einen Spannungsimpuls erzeugt. Der Kreiszustand des SQUID-Flipflop wird in die Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn wechseln, was eine "0" anzeigt, und es wird ein Übertragsignal zum nächsten Bit ausgebreitet werden.
Ein Rückwärtszähl- oder Borgesignal speist Strom in die Schleife ein, der positiv mit dem Strom durch den Josephson-Kontakt 52 kombiniert und negativ mit dem Strom durch den Josephson-Kontakt 54 kombiniert. Deshalb wird der Strom durch den Josephson-Kontakt 52 dessen kritischen Strom überschreiten und bewirken, daß der Kontakt einen Spannungsimpuls erzeugt. Der Kreiszustand des SQUID-Flipflop wird sich in die Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn ändern und es wird kein Übertrag- oder Borgesignal zum nächsten Bit ausgebreitet werden.
In der folgenden Beschreibung der Figur 3B wird erkannt werden, daß die Betriebsweise mit der Ausnahme, daß die Josephson-Kontakte 236 elektrisch geerdet sind, ähnlich derjenigen der Schaltung in Figur 3A ist. In Figur 3B wird durch Anlegen einer geerdeten Konstantspannungsquelle 268 an die Widerstände 269 ein konstanter Gatestrom in jedes Vier-Übergang-SQUID-Flipflop 236 eingespeist. Der konstante Gatestrom fließt vom Anschluß zwischen den Josephson-Kontakten 252, 256 zum Anschluß zwischen den Josephson-Kontakten 254,258, wo er geerdet wird, durch jedes SQUIDFlipflop. Da die Spannungsquelle 268 und die Vier-Übergang-SQUID-Flipflops 236 geerdet sind, sollte der kritische Strom der Josephson-Kontakte 252, 256 etwa 30% kleiner als derjenige der Josephson-Kontakte 254, 258 sein.
In jedem SQUID-Flipflop wird durch einzelne Fluß-Vormagnetisierungsleitungen 270 und Induktivitäten 272 eine Flußvormagnetisierung von F0/2, wobei F0 ein Flußquant h/2e = 2,07 x 10&supmin;¹&sup5; Weber ist, erzeugt. Alternativ kann die Fluß-Vormagnetisierung durch eine Fluß-Vormagnetisierungsleitung statt durch einzelne Fluß-Vormagnetisierungsleitungen an die SQUID-Flipflops angelegt werden. Die Fluß-Vormagnetisierung induziert in jedem SQUID-Flipflop einen Fluß-Vormagnetisierungsstrom. Die Josephson-Kontakte 252, 254, 256, 258 sind mit Shuntwiderständen versehen, so daß die SQUID-Flipflops 236 in einem nichtsperrenden Modus arbeiten, was ermöglicht, daß die SQUID-Flipflops bei viel höheren Geschwindigkeiten arbeiten, als wenn sie im sperrenden Modus betrieben werden.
Jedes Vier-Übergang-SQUID-Flipflop 236 ist eine bistabile Logikschaltung, die auf dieselbe Weise wie in Figur 3A beschrieben arbeitet. Die vier möglichen Übergänge für jedes der SQUID-Flipflops 236, von einer "0" hinauf zu einer "1", von einer "0" hinab zu einer "1", von einer "1" hinauf zu einer "0" und von einer "1" hinab zu einer "0" funktionieren wie bei den Flipflops 36 in Figur 3A.
In einer alternativen Ausführungsform des hochauflösenden supraleitenden zählenden Mochgeschwindigkeits-A/D-Konverters der vorliegenden Erfindung ist der Quantisierer wie in Figur 4 als 35 gezeigt ein Ein-Übergang-SQUID-Quantisierer 74. Der Ein-Übergang-Quantisierer 74 erzeugt für positive und negative Werte einer Analogspannung auf einer einzelnen Ausgabeleitung 76Vorwärtszähl- und Rückwärtszähl-Spannungsimpulse entgegengesetzter Polarität. Im LSB-SQUID-Flipflop 36 des bidirektionalen Binärzählers 34 wird die einzelne Ausgabeleitung des Quantisierers 74 an den mittigen Abgriffanschluß der Induktivität 60 angelegt, während der mittige Abgriffanschluß der Induktivität 62 geerdet ist.
Der Ein-Übergang-Quantisierer 74 beinhaltet einen Josephson-Kontakt 78, eine Induktivität 80 und einen Widerstand 82, die miteinander verbunden sind, um eine supraleitende Schleife zu bilden. Ein Anschluß der Induktivität 80 ist mit einem Anschluß des Josephson-Kontakts 78 verbunden, der andere Anschluß der Induktivität 80 ist mit einem Anschluß des Widerstands 82 verbunden und der andere Anschluß des Widerstands 82 ist mit dem anderen Anschluß des Josephson-Kontakts 78 verbunden. Der Anschluß zwischen dem Josephson-Kontakt 78 und dem Widerstand 82 ist geerdet und der Anschluß zwischen der Induktivität 80 und dem Widerstand 82 empfängt das analoge Signal. Das Vorwärtszähl-/Rückwärtszählsignal wird vom Anschluß zwischen der Induktivität 80 und dem Josephson-Kontakt 78 an den Binärzähler ausgegeben und wird über einen Widerstand 84 an den Zähler angelegt.
Der Ein-Übergang-SQUID-Quantisierer 74 digitalisiert unter Verwendung des Wechselstromeffekts von Josephson-Kontakten eine analoge Spannung statt eines analogen Stroms. Wenn eine Spannung an einen Josephson-Kontakt angelegt wird, wird am Kontakt ein Wechselstrom erzeugt. Da die Frequenz des Stroms von der Größe der Spannung abhängt, kann die durchschnittliche Spannung während des Abtastintervalls durch Zählen der Frequenz des Wechselstroms über dieses Zeitintervall digitalisiert werden.
Der hochauflösende supraleitende zählende Hochgeschwindigkeits-A/D-Konverter der vorliegenden Erfindung kann mit einer Einrichtung zum Lesen der Inhalte des Zählers am Ende jedes Abtastintervalls verwendet werden. Ein Verfahren zum Lesen der Inhalte des Zählers ist, wie in Figur 5 gezeigt einen umschaltenden Quantisierer 120 und zwei bidirektionale Binärzähler 34 zu verwenden. Der Quantisierer 120 schaltet am Ende jedes Abtastintervalls zwischen den zwei Zählern um, so daß der Zähler A gelesen werden kann während der Zähler B zählt und umgekehrt. Ein Addierer (nicht gezeigt) kombiniert die Ausgaben der beiden Zähler.
Der umschaltende Quantisierer 120 beinhaltet die vier Josephson-Kontakte 52, 54, 56, 58 und die beiden Induktivitäten 60, 62 des Vier-Übergang-SQUID-Flipflop 36 und erste und zweite Widerstände 122. Ein Anschluß des ersten Widerstands 122 ist mit dem mittigen Abgriffanschluß der Induktivität 60 verbunden, ein Anschluß des zweiten Widerstands 122 ist mit dem mittigen Abgriffanschluß der Induktivität 62 verbunden und die anderen Anschlüsse der Widerstände 122 sind miteinander verbunden. Ein analoges Signal auf der Leitung 124 wird durch Windungen 126 an die Induktivitäten 60, 62 übertragergekoppelt. Ein konstanter Gatestrom auf der Leitung 128 wird am Anschluß zwischen den beiden Widerständen 122 in den Quantisierer injiziert.
Der Zähler A wird durch Erden des Anschlusses zwischen den Josephson-Kontakten 52, 56 zum Zählen ausgewählt und der Zähler B wird durch Erden des Anschlusses zwischen den Josephson-Kontakten 54, 58 zum Zählen ausgewählt. Der Gatestrom fließt durch die beiden Josephson-Kontakte mit dem geerdeten Anschluß, was ermöglicht, daß die beiden Josephson-Kontakte durch den analogen Strom geschaltet werden. Ein Diagramm des durch den Quantisierer fließenden Stroms als Funktion der Zeit ist in Figur 6 gezeigt. Während des Umschaltens kann keine Information verlorengehen, da an den Kreuzungspunkten, wenn die Ströme A und B gleich sind, der eine oder der andere Zähler die Impulse empfangen wird.
Wenn der Zähler A ausgewählt ist, führen positive Zuwachsänderungen des analogen Stroms zur Erzeugung von Vorwärtszähl-Spannungsimpulsen am Josephson-Kontakt 52 und negative Zuwachsänderungen führen zur Erzeugung von Rückwärtszähl-Spannungsimpulsen am Josephson-Kontakt 56. Wenn der Zähler B ausgewählt ist, führen positive Zuwachsänderungen des analogen Stroms zur Erzeugung von Vorwärtszähl-Spannungsimpulsen am Josephson-Kontakt 54 und negative Zuwachsänderungen führen zur Erzeugung von Rückwärtszähl-Spannungsimpulsen am Josephson-Kontakt 58. Das Vorwärtszählsignal wird vom Anschluß zwischen der Induktivität 60 und dem Josephson-Kontakt 52 an den Zähler A und vom Anschluß zwischen der Induktivität 60 und dem Josephson-Kontakt 54 an den Zähler B ausgegeben. Das Rückwärtszählsignal wird vom Anschluß zwischen der Induktivität 62 und dem Josephson-Kontakt 56 an den Zähler A und vom Anschluß zwischen der Induktivität 62 und dem Josephson-Kontakt 58 an den Zähler B ausgegeben.
Ein weiteres Verfahren zum Lesen der Inhalte des Binärzählers 34 ist, wie in Figur 7 gezeigt einen Quantisierer mit variabler Hysterese 130 zu verwenden. Der Quantisierer mit variabler Hysterese 130 hemmt die Erzeugung von Spannungsimpulsen während der Leseperiode und ermöglicht, daß der Zähler ausgelesen wird, ohne jegliche Anderungen des analogen Signals zu versäumen. Der Quantisierer mit variabler Hysterese 130 beinhaltet die beiden Josephson-Kontakte 40, 42 des Doppel-Übergang-SQUID-Quantisierers 32 und eine Induktivität mit mittigem Abgriff 132. Ein Anschluß jedes der Josephson-Kontakte 40, 42 ist mit einem anderen Endanschluß der Induktivität 132 verbunden und der andere Anschluß jedes der Josephson-Kontakte 40, 42 ist mit Masse verbunden. Der konstante Gatestrom auf der Leitung 46 wird durch einen Modulator 134 moduliert und der modulierte Gatestrom wird in den mittigen Abgriffanschluß der Induktivität 132 injiziert. Das analoge Signal auf der Leitung 38 wird durch eine Windung 48 an die Induktivität 132 übertragergekoppelt.
Die Induktivität 132 ist groß, so daß der Quantisierer 130 ein βL » π besitzt, wobei βL als 2πLIc/F&sub0; definiert ist und L die Induktivität des Quantisierers 130 ist, Ic der kritische Strom der Josephson-Kontakte 40, 42 ist und F&sub0; das Flußquant ist. Die Hysterese des Quantisierers 130 wird durch den modulierten Gatestrom gesteuert, wobei ein kleiner Gatestrom eine große Hysterese produziert und ein großer Gatestrom eine kleine Hysterese produziert.
Wie in den Figuren 8 und 9 gezeigt ist, ermöglicht eine kleine Hysterese, daß der Quantisierer während des Abtastintervalls an den bidirektionalen Binärzähler 34 Vorwärtszähl- und Rückwärtszählsignale ausgibt. Am Ende des Abtastintervalls wird die Hysterese rasch erhöht, um die Erzeugung jeglicher zusätzlicher Spannungsimpulse zu hemmen Während dieser Leseperiode werden die Bits des Zählers beginnend mit dem LSB der Reihe nach gelesen. Jegliche Änderungen des analogen Signals während der Leseperiode werden in der Quantisiererschleife als magnetischer Fluß gespeichert. Die Hysterese des Quantisierers wird dann erniedrigt, was ermöglicht, daß die Erzeugung von Spannungsimpulsen wiederaufgenommen wird. Durch langsames Erniedrigen der Hysterese wird der Ausgabeimpulszug vom Quantisierer wie in Figur 9 gezeigt leicht komprimiert. Dies ermöglicht dem Quantisierer, neue Impulse auszugeben und auch die Impulse, die während der Leseperiode im Quantisierer gespeichert wurden, zurückzugewinnen.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform des supraleitenden zählenden Hochgeschwindigkeits-A/D-Konverters der vorliegenden Erfindung sind die SQUID-Flipflops wie in Figur 10 gezeigt geerdete Drei-Übergang-SQUID-Flipflops 290. Jedes geerdete Drei-Übergang-SQUID-Flipflop 290 beinhaltet die beiden Induktivitäten 260, 262 und die beiden Josephson-Kontakte 254, 258 des geerdeten Vier-Übergang-Flipflop 236. Das Drei-Übergang-SQUID-Flipflop 290 beinhaltet auch einen dritten Josephson-Kontakt 292, erste und zweite Widerstände 294 und einen Shuntwiderstand 296. Ein Anschluß des ersten Widerstands 294 ist mit dem anderen Anschluß der Induktivität 260 verbunden, ein Anschluß des zweiten Widerstands 294 ist mit dem anderen Anschluß der Induktivität 262 verbunden und die anderen Anschlüsse der ersten und zweiten Widerstände 294 sind miteinander verbunden. Ein Anschluß des Shuntwiderstands 296 und ein Anschluß des Josephson-Kontakts 292 sind mit dem Anschluß zwischen dem ersten Widerstand 294 und der Induktivität 260 verbunden und der andere Anschluß des Shuntwiderstands 296 und der andere Anschluß des Josephson-Kontakts 292 sind mit dem Anschluß zwischen dem zweiten Widerstand 294 und der Induktivität 262 verbunden Der konstante Gatestrom wird am Anschluß zwischen den ersten und zweiten Widerständen 294 in das Drei-Übergang-SQUID-Flipflop 290 injiziert.
Der Anschluß zwischen dem ersten Widerstand 294 und der Induktivität 260 empfängt das Übertragsignal vom vorangehenden Drei-Übergang-SQUID-Flipflop 290 oder das Vorwärtszählsignal vom Quantisierer 232, falls das Drei-Übergang-SQUID-Flipflop das LSB-Flipflop ist und der Anschluß zwischen dem zweiten Widerstand 294 und der Induktivität 262 empfängt das Rückwärtszähl- oder Borgesignal. Die Übertrag- und Borgesignale werden wie beim Vier-Übergang-SQUID-Flipflop 236 an das nachfolgende Drei-Übergang-SQUID-Flipflop 290 ausgegeben.
Im Drei-Übergang-SQUID-Flipflop 290 arbeiten die Josephson-Kontakte 254, 258 wie im Vier-Übergang-SQUID-Flipflop 236 und ein Josephson-Kontakt 292 ersetzt die Josephson-Kontakte 252. 256. Der Josephson-Kontakt 292 führt die Funktion der beiden Josephson-Kontakte durch entweder positives oder negatives Pulsieren aus. Der Josephson-Kontakt 292 trägt keinen Gatestrom, nur einen kreisenden Strom und deshalb sollte der kritische Strom des Josephson-Kontakts 292 etwa 60% kleiner als derjenige der anderen beiden Josephson-Kontakte 254, 258 sein.
In noch einer weiteren Ausführungsform des supraleitenden zählenden Hochgeschwindigkeits-A/D-Konverters der vorliegenden Erfindung sind der Quantisierer und das LSB-Flipflop kombiniert, um einen Vier-Übergang-SQUID-Quantisierer 300 mit einem zusätzlichen Bit Empfindlichkeit bereitzustellen. Wie in Figur 11 gezeigt, beinhaltet der Vier-Übergang-SQUID-Quantisierer 300 die vier Josephson-Kontakte 252, 254, 256, 258 und die Shuntwiderstände 264 des geerdeten Vier-Übergang-SQUID-Flipflop 236. Der Vier-Übergang-SQUID-Quantisierer 300 beinhaltet auch zwei Induktivitäten mit mittigem Abgriff 302, 304 und eine Induktivität 306. Ein Anschluß jedes der Josephson-Kontakte 252, 254 ist mit einem anderen Endanschluß der Induktivität 302 verbunden und ein Anschluß jedes der Josephson-Kontakte 256, 258 ist mit einem anderen Endanschluß der Induktivität 304 verbunden. Die anderen Anschlüsse der Josephson-Kontakte 252, 254 sind miteinander verbunden und die anderen Anschlüsse der Josephson-Kontakte 254, 258 sind miteinander verbunden.
Der A/D-Konverter der vorliegenden Erfindung besitzt viele Vorteile, einschließlich sehr schneller A/D-Konversionsgeschwindigkeiten und einer niedrigen Anzahl von Bauelementen. Diese Vorteile resultieren aus der Fähigkeit der Vier-Übergang-SQUID-Flipflops, sowohl die binären Zustände der Stufen des Zählers als auch die bidirektionalen Übergänge und Übertragungen des Zählers zu steuern. Die Gatter, die normalerweise diese Logik verarbeiten würden, können bei den erforderlichen Geschwindigkeiten nicht arbeiten. Deshalb führt die Beseitigung der logischen Gatter zu einem extrem schnellen Zähler, der mit Geschwindigkeiten von mehr als einem Zählimpuls jede 10 Pikosekunden oder mit einer Zählrate von 100 GHz vorwärts oder rückwärts zählen kann. Die Beseitigung der logischen Gatter verringert auch die Anzahl der Bauteile, was die Zuverlässigkeit stark erhöht und den Stromverbrauch und die Kosten verringert.
Aus dem Vorhergehenden wird erkannt werden, daß die vorliegende Erfindung einen merklichen Fortschritt im Bereich der supraleitenden Analog-zu-Digital-Konverter darstellt.

Claims

1. Supraleitender zählender Analog-zu-Digital-Konverter, der folgendes umfaßt:

- einen supraleitenden Quanteninterferometer-(SQUID-) Quantisierer;

- eine Einrichtung zum Anlegen eines variierenden analogen Signals an den SQUID-Quantisierer; und

- einen bidirektionalen Binärzähler mit einer Vielzahl von Stufen aus Vier-Übergang-SQUID-Flipflops, die

entweder geerdet oder elektrisch potentialfrei sind und miteinander vom niedrigstwertigen Bit (LSB) zum höchstwertigen Bit (MSB) in einer Kaskadenanordnung verbunden sind;

worin der Quantisierer für ansteigende und abfallende Werte des analogen Signals Vorwärtszähl- und Rückwärtszähl-Spannungsimpulse erzeugt und der bidirektionale Binärzähler die Spannungsimpulse algebraisch zählt, den binären Zählerstand erhöht, wenn Vorwärtszählimpulse empfangen werden und den binären Zählerstand erniedrigt, wenn Rückwärtszählimpulse empfangen werden.

2. Supraleitender zählender Analog-zu-Digital-Konverter wie in Anspruch 1 beschrieben, worin jedes Vier-

Übergang-SQUID-Flipflop folgendes beinhaltet:

- erste, zweite, dritte und vierte Josephson-Kontakte;

- erste und zweite mittig abgegriffene Induktivitäten;

- eine Einrichtung zum Einspeisen eines konstanten Gatestroms in die Vier-Übergang-SQUID-Flipflops;

worin jedes Vier-Übergang-SQUID-Flipflop eine bistabile Logikschaltung ist, bei der die Richtung des kreisenden Stroms den Zustand der Schaltung bestimmt; und worin ein Vorwärtszählimpuls von Flipflop zu Flipflop läuft, den binären Zustand jeder Stufe verändert und einen Übertragimpuls erzeugt, falls der Anfangszustand der Stufe eine "1" ist und ein Rückwärtszählimpuls von Flipflop zu Flipflop läuft, den binären Zustand jeder Stufe verändert und einen Borgeimpuls erzeugt falls der Anfangszustand der Stufe eine "0" ist.

3. Supraleitender zählender Analog-zu-Digital-Konverter wie in Anspruch 2 beschrieben, worin ein Anschluß jedes der ersten und zweiten Josephson-Kontakte mit einem anderen Endanschluß der ersten Induktivität verbunden ist und ein Anschluß jedes der dritten und vierten Josephson-Kontakte mit einem anderen Endanschluß der zweiten Induktivität verbunden ist; und worin die anderen Anschlüsse des ersten und dritten Josephson-Kontakts miteinander verbunden sind und die anderen Anschlüsse des zweiten und vierten Josephson-Kontakts miteinander verbunden sind; und worin der Gatestrom am Anschluß zwischen dem ersten und dritten Josephson-Kontakt in jedes SQUID-Flipflop injiziert wird.

4. Supraleitender zählender Analog-zu-Digital-Konverter wie in Anspruch 1 beschrieben, worin die Vielzahl von Stufen von Vier-Übergang-SQUID-Flipflops elektrisch potentialfrei sind.

5. Supraleitender zählender Analog-zu-Digital-Konverter wie in Anspruch 1 beschrieben, worin die Vielzahl von Stufen der Vier-Übergang-SQUID-Flipflops elektrisch geerdet sind.

6. Supraleitender zählender Analog-zu-Digital-Konverter wie in Anspruch 2 beschrieben, worin der mittige Abgriffanschluß der ersten Induktivität den Übertragimpuls vom vorhergehenden Vier-Übergang-SQUID-Flipflop oder, falls das Vier-Übergang-SQUID-Flipflop das LSB-Flipflop ist, den Vorwärtszählimpuls vom Quantisierer empfängt und der mittige Abgriffanschluß der zweiten Induktivität den Borgeimpuls vom vorhergehenden VierÜbergang-SQUID-Flipflop oder, falls das Vier-Übergang-SQUID-Flipflop das LSB-Flipflop ist, den Rückwärtszählimpuls vom Quantisierer empfängt; und worin der Übertragimpuls vom Anschluß zwischen der ersten Induktivität und dem zweiten Josephson-Kontakt an das nachfolgende Vier-Übergang-SQUID-Flipflop ausgegeben wird und der Borgeimpuls vom Anschluß zwischen der zweiten Induktivität und dem vierten Josephson-Kontakt an das nachfolgende Vier-Übergang-SQUID-Flipflop ausgegeben wird.

7. Supraleitender zählender Analog-zu-Digital-Konverter wie in Anspruch 2 beschrieben, worin, wenn ein VierÜbergang-SQUID-Flipflop eine "0" anzeigt, ein Vorwärtszähl- oder Übertragimpuls bewirkt, daß der dritte Josephson-Kontakt pulsiert und ein Rückwärtszähl- oder Borgeimpuls bewirkt, daß der vierte Josephson-Kontakt pulsiert und einen Borgeimpuls an das nachfolgende SQUID-Flipflop ausgibt; und worin, wenn ein SQUID-Flipflop eine "1" anzeigt, ein Vorwärtszähl- oder Übertragimpuls bewirkt, daß der zweite Josephson-Kontakt pulsiert und einen Übertragimpuls an das nachfolgende SQUID-Flipflop ausgibt und ein Rückwärtszähl- oder Borgeimpuls bewirkt, daß der erste Josephson-Kontakt pulsiert.

8. Supraleitender zählender Analog-zu-Digital-Konverter wie in Anspruch 2 beschrieben, der desweiteren mit den Anschlüssen jedes Josephson-Kontakts verbundene Shuntwiderstände beinhaltet, wodurch jedes Vier-Übergang-SQUID-Flipflop in einem nichtsperrenden Modus arbeitet.

9. Supraleitender zählender Analog-zu-Digital-Konverter wie in Anspruch 2 beschrieben, der desweiteren eine Einrichtung zum Induzieren eines Fluß-Vormagnetisierungsstroms in jedem SQUID-Flipflop beinhaltet.

10. Supraleitender zählender Analog-zu-Digital-Konverter wie in Anspruch 1 beschrieben, worin der Quantisierer ein Doppel-Übergang-SQUID-Quantisierer ist, der folgendes beinhaltet:

- erste und zweite Josephson-Kontakte;

- eine Induktivität mit mittigem Abgriff; und

- eine Einrichtung zum Einspeisen eines konstanten Gatestroms in den mittigen Abgriffanschluß der Induktivität;

worin positive Zuwachsänderungen des analogen Stroms zur Erzeugung von Vorwärtszähl-Spannungsimpulsen am ersten Josephson-Kontakt führen und negative Zuwachsänderungen des analogen Stroms zur Erzeugung von Rückwärtszähl-Spannungsimpulsen derselben Polarität am zweiten Josephson-Kontakt führen.

11. Supraleitender zählender Analog-zu-Digital-Konverter wie in Anspruch 1 beschrieben, worin der Quantisierer ein Ein-Übergang-SQUID-Quantisierer ist, der folgendes beinhaltet:

- einen Josephson-Kontakt; und

- eine Induktivität;

worin eine positive analoge Spannung zur Erzeugung von Vorwärtszähl-Spannungsimpulsen am Josephson-Kontakt führt und eine negative analoge Spannung zur Erzeugung von Rückwärtszähl-Spannungsimpulsen der entgegengesetzten Polarität am Josephson-Kontakt führt.

12. Supraleitender bidirektionaler Binärzähler zum Zählen von Vorwärtszähl- und Rückwärtszähl-Spannungsimpulsen, der folgendes umfaßt:

eine Vielzahl von Stufen geerdeter oder elektrisch potentialfreier supraleitender Vier-Übergang-Quanteninterferometer-(SQUID-)Flipflops, die miteinander vom niedrigstwertigen Bit (LSB) zum höchstwertigen Bit (MSB) in einer Kaskadenanordnung verbunden sind; worin der bidirektionale Binärzähler die Vorwärtszählund Rückwärtszähl-Spannungsimpulse algebraisch zählt, den binären Zählerstand erhöht, wenn Vorwärtszählimpulse empfangen werden und den binären Zählerstand erniedrigt, wenn Rückwärtszählimpulse empfangen werden.

13. Supraleitender bidirektionaler Zähler wie in Anspruch 12 beschrieben, worin jedes potentialfreie VierÜbergang-SQUID-Flipflop folgendes beinhaltet:

- erste, zweite, dritte und vierte Josephson-Kontakte;

- erste und zweite Induktivitäten mit mittigem Abgriff; und

- eine Einrichtung zum Einspeisen eines konstanten ungeerdeten Gatestroms in die Vier-Übergang-SQUID-Flipflops;

worin jedes Vier-Übergang-SQUID-Flipflop eine bistabile Logikschaltung ist, bei der die Richtung des kreisenden Stroms den Zustand der Schaltung bestimmt; und

worin ein Vorwärtszählimpuls von Flipflop zu Flipflop läuft, den binären Zustand jeder Stufe verändert und einen Übertragimpuls erzeugt, falls der Anfangszustand der Stufe eine "1" ist, und ein Rückwärtszählimpuls von Flipflop zu Flipflop läuft, den binären Zustand jeder Stufe verändert und einen Borgeimpuls erzeugt, falls der Anfangszustand der Stufe eine "0" ist.