SE420662B - Josephson-tunnelkrets - Google Patents

Description

7803538-5 meterns induktans. På detta sätt kan förstärkningar upp till tio gånger åstadkommas.

J andra tillämpningar kan OCH- och ELLER-kretsar åstadkommas genom sådan formgivning av förstärkningskarakteristiken att väsentligen lika stora insignaler ger den önskade logikutsignalen. Även om tvåf eller treövergångsinterferometrar visas, torde det vara underförstått att det sagda lika väl kan gälla vilken som helst multiövergångs- interferometer. Ej heller är någon begränsning avsedd vad beträffar antalet strömmar, som kan injiceras i en ínterferometer vid andra punkter än den, där grindströmmen pålågges. I vilket fall som helst - vare sig den injicerade strömmen direktinjiceras eller är elektromagnetiskt kopplad till interferometern - är samtliga medel för att framkalla en olinjär förstårkningskarakteristik direkt anslutna till interferometern.

Josephson-övergånganordningar äro välkända inom tekniken, där de utnyttjas både som minnesanordningar i lagringsmatriser och som omkopplings- anordningar i ultrasnabba logikkretsar.

Injiceringen av ström i Josephson-övergångsanordningar för att åstadkomma en väsentligen linjär omkopplings- eller tröskelkarakteristik visas i det amerikanska patentet 3.281.609. Här visas logikgrindkretsar, som utför OCH- och ELLER-funktioner med användning av en ström, som är lika grindströmmen enligt föreliggande uppfinning, och en injektionsström, som liknar den i denna uppfinning använda. Referensen kan särskilja: från föreliggande uppfinning därigenom, att föreliggande uppfinning beskriver kretsarrangemang med olinjär tröskelkarakteristík. Tröskelkarakteristiken i nämnda amerikanska patent är i huvudsak linjär.

I en artikel med titeln "A Josephson Logic Design Employing Current Switched Junction" av T A Fulton m.fl. i IEEE Transactions on Magnetics, vol MAG~l3, nr l, januari 1977, beskriver på sidan 56 en tillämpning av linjärströminjektionstekniken i ovanstående patent.

En artikel i Applied Phïsics Letters, vol 19, nr ll, december 1, 1971, med titeln "Josephson Junction Amplifier“ av J Clarke, m.fl. visar på sidan H69 en dubbelövergångsinterferometer, som åstadkommer strömförstärkning med användning av positiv återkoppling. I det visade arrangemanget matas en förspänningsström asymetriskt till interferometerns övergångar. Ett magnetiskt flöde pålägges interferometern antingen från en yttre källa eller alternativt via en ström i interferometerns övre arm. Även om denna ström kan sägas vara en injicerad ström, är detta inte fallet därför att den är strikt begränsad till interferometerns övre arm för att åstadkomma ett magnetfält.

Detta blir uppenbart när man beaktar att strömmen som anbringas på ena sidan av interferometerns arm avlägsnas från den övre armen på interferometern 7803538-3 3 vid den övre armens motsatta sida. Allt som allt åstadkommas ett medel för att lägga ett magnetfält på interferometern, varigenom ett flöde induceras i interferometerkretsen. Den resulterande tröskelkarakteristiken skulle vara linjär.

IBM Technical Disclosure Bulletin, vol 15, nr 5, oktober 1972, beskriver på sidan IGUÄ i en artikel med tite. "Chapíng the Gate Current Versus the Control Currcnt Characteristics of Nonlinear Josephson Gates" av F Basavaiah, användningen av en grindström och en styrsignal i en Josephson-grind. En del av grindströmen matas tillbaka antiparallellt med grindströmmens riktning. Genom introduceringen av återkopplingen kan såväl förloppet hos som formen på tröskelkarakteristiken väsentligt förändras. Trots att förloppet och den allmänna formen för tröskelkarakteristiken ändras, bevaras ändå förhållandet mellan grind- och styrström. Kretsen utnyttjar ingen direkt injicerad eller kopplad ström utöver en grindström.

I IBM Technical Disclosure Bulletin, vol 19, nr 3, augusti 1976, beskrivs på sidan 1096 i en artikel med titeln "Double Flux Quantum Cell Without Bias Line" av W Anacer, m.f1. en interferometer, som i fig. 2 synes schematiskt uppvisa en injicerad ström. Detta är ingen injicerad ström utan i stället en schematisk representation av en styrström, som kopplas till interferometern.

Det schweiziska patentet 580.365 visar en enkel Josephson-övergång, i vilken ett flertal strömmar introduceras. T den utsträckning som dessa strömmar kan sägas vara injiccradc i en övergång summeras de samtliga på samma sätt som om en interferometer skulle matas med en enda grindström, vilken är summan av alla pålagda strömmar. För de visade logikkretsarna gäller dessutom, att all den ström som matas till logikkretsarna pålågges linjärt så att I +I +I I . De visade arrangemangen uppvisar inga BO A B - m0 olinjäriteter.

I en artikel i Applied Phïsics Letters, vol 20, nr ll, juni 1, 1972, med titeln "Three-Josephson-Junction Interferometer" av D L Steuhm, m.fl. beskrivs på sidan H56 en asymetriskt matad Josephson-treövergångsinterfero- meter, på vilken ett magnetfält anbringas på vanligt sätt. Sådana arrangemang uppvisar ej linjär tröskelkarakteristik motsvarande föreliggande uppfinning därför att ingen injicerad ström förekommer utöver grindströmmen. Denna introduceras asymetriskt i referensen.

Såsom framgår av ovanstående är användningen av interferometrar med styrledningar och injíceringen av ström i enkla övergångar välkänd teknik.

Emellertid ger intet av arrangemangen enligt tidigare känd teknik någon olinjär tröskel- eller omkopplingskarakteristik svarande mot vad som möjliggöres vaosszs-3 “ av interferometrarna enligt föreliggande uppfinning. Sålunda synes den tidigare kända tekniken vad förstärkningsmoden beträffar vara begränsad till relativt låga förstärkningar jämfört med arrangemangen enligt förelig- gande uppfinning. Det synes vidare som om alla kända ínterferometrar använder en styrledníng för att åstadkomma både omkopplings- och logikfunktioner.

Enligt föreliggande uppfinning elimineras behovet av styrledningar.

I enlighet med de generellare synpunkterna på uppfinningen åstadkommas en Josephson-tunnelkrets, som innehåller en interferometer med minst ett par övergångar vilka år i stånd att befordra Josephson-ström och med minst en induktans, som förbinder övergångarna. Den innehåller vidare till interfero- metern direktkopplade medel för alstring av en olinjår omkopplingskarakterístik.

I enlighet med uppfinningen utnyttjas vidare en Josephson-tunnelkrets, där de till interferometern direktkopplade medlen för alstring av en olinjår omkopplingskarakteristik innehåller organ för att mata en grindström till minst en given punkt på interferometern jämte organ för att mata minst en injektionsström till minst en punkt på interferometern, som skiljer sig från den givna punkten. Ändamålet med uppfinningen är sålunda att åstadkomma multiövergångsinter- ferometrar med olinjår förstärkningskarakteristik.

Ett annat ändamål med uppfinningen är att åstadkomma interferometrar, vilka har olinjär förstårkningskarakteristik och kan utnyttjas såsom förstärkare och logikkretsar.

Ovannåmnda och andra ändamål, egenskaper och fördelar med uppfinningen, som definieras i nedanstående patentkrav, framgå av följande, mera detaljerade beskrivning av en föredragen utföringsform, som illustreras på bifogade ritningar.

Fig. IA är en schematisk illustration av en tidigare känd linjärström? injektionsförstârkare, som har en Josephson-övergång såsom omkopplingsbar anordning. _ I Fig. lB visar grafiskt IS såsom en funktion av IB, representerande den linjära tröskel- eller omkopplingskarakteristiken för kretsen i fig. 1A.

Fig. 2A visar schematiskt en tvåövergångsinterferometer, som arbetar med den olinjåra injiceringen av en signalström tillsamans med en förspånnings- ström, I för att åstadkomma en förstärkt utsignal, vars förstärkning år , större åâ vad som kan åstadkommas i tidigare kända kretsar.

I Fig. 2B visar grafiskt en signalström, IS såsom en funktion av en förspänningsström, IB, representerande tröskel- eller omkopplingskarakteristiken för förstärkaren i fig. 2A. Dessutom visar fig. 2B omkopplingsß eller tröskelkarakteristiken för en treövergångsinterferometer, som utnyttjar olinjår ströminjicering för att åstadkomma förstärkning. Vidare visas omkopplings- eller tröskelkarakteristiken för en tvåövergångsinterferometer,_ 7803538-5 \f'l nom uppnår sin lörntürkníng genom vn kombination nv utvöminjicering och elektro- magnetisk koppling till interferometerns induktanscr. Tröskel- eller omkopplings- karakteristiken för kretsen i fig. lA har ínkluderats för jämförelseändamål.

Fig. 3 visar schematiskt en symmetriskt matad treövergångsinterlbrometer, som utnyttjar olinjär ströminjektion i enlighet med upprinnínguns principer. 1 denna figur visas ett fältanrikat, olinjärt injektiunsarrangemang med streck- linjer förutom den konventionella icke fältanrikade olinjära injektionen i och för åstadkommande av förstärkning i multiövergångsinterferometrar.

Fig. HA visar schematiskt en tvåövergångsinterferometer, som på grund av olika värden vilka tilldelats de aktuella parametrarna fungerar såsom en OCH- logikkrets.

Fig. HB visar grafiskt strömmarna I såsom en funktion av I , represente- rande omkopplings- eller tröskelkarakteristíken för OCH-kretsen É fig. ÄA. Fig. ÄB visar att beroende på polariteten hos de pålagda signalerna och den logik- funktíon som önskas vid en utgång kan OCH-logikfunktionen uppnås med användning av olinjår ströminjektion.

Fíg. NH Visar dv pulntåg nom kun mutus Lill ingångar A Uvh H i Pig. HA och den utgångslogikfunktion som skulle uppträda över on belastning, som nhuntar kretsen i fig. RA.

Fig. SA visar schematiskt en tvåövergångsinterferometer till vilken strö- mmarna IA, IA en utgång, som shuntar interferometern. , matas för att åstadkomma ELLER-funktionen av dessa insignaler vid Fig. SB är en grafisk representation av strëmmarna IA såsom en funktion av IA, och visar omkopplings- eller tröskelkarakteristiken hos ELLER-logikkretsen i fig. 5A.

Fig. 6 visar schematiskt en blockeringskrets, som innehåller en tvåöver- gångsinterferometer, vilken utnyttjar principen med olinjär ströminjektion enligt föreliggande uppfinning.

Fig. Y år en schumntisk illustration av vn tvåövurgüngsinterfuromoter- förstärkarkrets, som är ekvivalent med kretsen i fig. HA och utnyttjar en inji- cerad ström, som direktmatas till samma matningspunkt som grindströmmen för anordníngen. Den har olinjär tröskelkarakteristik såsom ett resultat av elektro- magnetisk koppling av en del av injektionsströmmen till interferometern.

Vid utvecklingen av Josephson-tekniken har tre sätt hittills föreslagits för åstadkommandet av förstärkning i Josephson-anordningar och -kretsar. Ett sätt bygger på utnyttjandet av många styrslingor för att åstadkomma förstärkning.

Detta förföringssätt påverkas emellertid menligt av högbelastníngsinduktans, som ökar med kvadraten på antalet varv i styrslingorna. Ett annat sätt är inriktat på att åstadkomma en högförstârkningsinterferometer genom korrekt val av matnings- punkter, LlO-produkt- och strömförhållanden. Den delat matade interferometern 7805538-3 6 med ett strömförhållande l:2:l som beskrivs i det amerikanska patentet 3.978.351 har den bästa förstärkningsmarginalkarakteristiken av alla treövergångsinter- ferometrar. Beroende på marginalinskränkningar är emellertid de bästa förstärk- ningar, som kan uppnås, begränsade till något över två.

Fig. 1A visar ett sätt att uppnå förstärkning i kretsar som utnyttjar Josephson-anordningar. Fig. 1A är en schematisk representation av en tidigare känd krets, som utnyttjar linjärströminjektion för omkoppling av en Josephson- anordning. I fig. l blir en Josephson-övergång eller interferometer Jl förspänd eller aktiverad i supraledningstillståndet genom påläggning av en ström IB på anordningen. När en signalström IS, injiceras i samma anordning Jl så att tröskel- strömmen, Imo, överskrides, omkopplas anordningen Jl och en strömförstärkning motsvarande (IB+IS)/Is erhålles. Det amerikanska patentet 3.281.609 utnyttjar denna linjärströminjektionsmetod. När denna metod utnyttjas, kan förstärkningar något över två per steg uppnås.

Big. lB är en grafisk representation av IS såsom en funktion av IB och visar omkopplings- eller tröskelkaruktcristiken lör kretsen i flg. 1A. Don linjära relationen mellan parametrarna är helt klar, och det är från denna karakteristik som uttrycket linjär ströminjektion är härlett.

Förstärkningarna som uppnås med utnyttjande av linjärströminjektion och övriga ovannämnda metoder är ej tillräckliga för att uppfylla kraven vid många tillämpningar i integrerade kretsar, som använder Josephson-teknik. Högre för- stärkningar krävs i allmänhet för att förbättra hastigheten, marginalerna och störningsimmuniteten i en praktisk logikutrustning. Dessutom finns ett allvarligt behov av förstärkning i länkarna mellan logik och minne, drivkretsar utanför mikrokretsar, förstärkare och självåterställande logik. Dessa behov har tillgodo- setts av den olinjära injektionsförstärkaren, som schematiskt illustreras i fig. 2A och innehåller en tvåövergångsinterferometer. Förstärkare av det slag som kommer att beskrivas i det följande uppnår tio gångers förstärkning genom användning av ett olinjärt omkopplingsgensvar mellan pålagd grindström och signalström.

Närmare bestämt visas i fig. 2A en tvåövergångsinterferometer, till vilken två strömmar IB och Is matas i avsikt att åstadkomma en olinjär växelverkan mellan de alstrade strömmarna och flödena. Tvåövergånsinterferometern l i fig. 2A innehåller ett par Josephson-övergångar J2, J3 vilka är parallellkopplade via en förbindelse, som är induktiv till sin karaktär och i figuren representeras av ett par induktanser 2. Interferometern l matas med en grindström IB från en strömkälla (ej visad), och i frånvaro av andra särskilda förhållanden skulle strömmen IB fördela sig själv i omvänd proportion till värdena hos de båda parallella grenarnas induktanser. I den utsträckning som strömen IB efter splittring överskrider tröskelströmmen Imo hos övergångarna J2, J3 kommer den 7803538-3 sistnämnda att omkopplas från nollställningstillståndet till spänningstillstän- det på välkänt sätt. När övergångarna J2, J3 är i nollspänningstillståndet, uppträder strömflöde över en isolator mellan två supraledningselektroder via det välkända fenomenet Josephson-tunnling. Anslutningen 3 fullbordar parallellanslut- ningen av Övergångarna JE, J3, vilka Lillsammans med induktanserna 2 bildar en slinga M1. I Pig. 3A visas en ínjektiousutröm Is íntroducerad vid induktansens 2 längst åt vänster mittpunkt, vilket illustrerar den allmänna situation när en ytterligare ström matas till interferometern l vid en annan matningspunkt, än den, till vilken grindströmmen IB matningspunkt som strömmen IB, skulle blott en summering ske av de strömmar som förs. Om strömmen IS skulle påläggas vid sama matas till interferometern l på samma sätt som i fig. 1A, vilket ger en linjär omkopplings-eller tröskelkarakteristik likande den som visas i fig. lB. I den mån som injektionsströmmen I föres till slingan Ml på annat sätt än genom mat- ning till interferometern 1 :íllsammans med strömmen IB fördelar injektionsström- men IS sig själv kring slingan l på ett annat sätt än grindströmmen IB, och på ett komplext sätt blir dessa strömmar föremål för en olinjär inbördes påverkan, som ger en olinjär omkopplings- eller tröskelkarakteristik motsvarande en av dem som visas i fig. 2B. Det har bestämts i förhållande till interfermetern i fig.

EA, som kan karakteriseras såsom en treklämmors interferometer, att den ström nom krävs 1ïh~:mL omkoppla intorlernmetern I vid en matníngspuukt är un olíujär funktion av den ström nom föreligger vid den andra mutningsklämmun. Det hur också fastslagits, att denna olinjäritet inom vissa gränser kan styras på önskat sätt genom korrekt val av matningspunkter, induktansvärden och övergångsströmar.

Det torde härvidlag observeras, att hittills ingenting nämnts beträffande styrledningar i anslutning till kretsarna eller anordningarna i fig. lA, 2A.

Intet av de visade arrangemangen utnyttjar styrledningar, och trots att från- varon av en styrledning i fíg. lA icke ger upphov till en olinjär omkopplings- karakteristik, åstadkommas en sådan karakterstik utan användning av styrledning i interferometern l enligt fig. 2A genom injicering av en ström Is vid en punkt på interferometerslingan Ml som skiljer sig från den punkt där den vanliga grindströmmen IB introduceras. Det olinjära gensvar, som uppnås genom injicering av ström Is i interferometern l, skiljer sig från det olinjär gensvar vilket erhålles i interferometrar som använder ett styrfält, vilket pålägges sådana anordningar via en styrledning. Olinjäriteten på grund av styrfält går förlorad under överlappande under och vid tillverkningsmarginaler. Föreliggande olin- järitut till följd av ströminjektíon tar ej skada av överlappande moder och uppvisar brantarc förlopp. Fig. 28 illustrerar den olinjära omkopplingströskeln för kretsen i fig. lA för jämförelse med ett antal olinjära tröskelkarakteristikor, varav en kan framtagas med användning av kretsen i fig. 2A. Övriga illustrerade .7803538-3 Olinjära omkopplingskarakteristikor är att hänföra till en treövergångsinter- ferometer som utnyttjar olinjär ströminjektion och till en treövergångsinter- feromctcr som använder ströminjektion samtidigt med magnetfâltanrikning.

Fíg. 2B är en mera detaljerad grafisk representation av injektionsströmmen Is såsom en funktion av grindströmmen IB för interferometern i fig. 2, vilken alstrar en olinjär omkopplings- eller tröskelkarakterstik Ä, som i fig. 2B identifieras med uttrycket "olinjär tvåövergång". Den linjära omkopplingskarak- terstiken för kretsen i fig. 1A har upptagits i fig. 2B för jämförelseändamål.

Den visas i fig. 2B vid 5 och identifieras där med uttrycket "linjär". Om man definierar förstärkning i samband med digitalkretsar såsom förhållandet mellan utgångsströmmen och den ström, som krävs för att omkoppla anordningen, kan man åstadkomma en högre förstärkning genom att antingen öka utgångsströmmen eller reducera den ström som krävs för att omkoppla anordningen. Flertalet tillämpningar söker reducera strömen som krävs för att omkoppla en anordning i och för åstad- kommande av bättre förstärkning. Föreliggande tillämpning gör detsamma men uppnår reduceringen i ström genom alstring av en olinjär omkopplingskarakterstik eller tröskel genom ströminjektion vid en matningspunkt på interferometerslingan, som skiljer sig från matningspunkten där den vanliga grindströmmcn introduceras.

Om det för illustrationsändamål antages att grindströmmen IB är den samma för arrangemangen i fig. 1A och 2A, kan detta värde anges i fig. 2B på IB-axeln som ström ib. Strömmen IS som skulle krävas för omkoppling av kretsen i fig. 1A visas i fig. 2B som strömmen is. Arbetspunkten 6, som är placerad utanför den linjära tröskelkarakterstiken 5, indikerar att de pålagda strömmarna har omkopp- lat kretsen i fig. 1A från nollspänningstillståndet till spänningstillståndet.

Studium av fig. 2B visar tydligt, att det finns ett godtyckligt antal arbets- punkter tillgängliga, vilka ligger utanför den olinjära omkopplingskarakterstiken Ä som är omkopplingskarakteristiken för kretsen i fig. 2A. Så_till exempel skulle arbetspunkten T i fig. 2B tillåta omkoppling av kretsen i fig. 2A från nollspänningstillståndet till spänningstillståndet med användning av värden på IS och IB som båda är mindre än den ström ib, is som krävs för omkoppling av anordningen i fig. lA. De strecklinjer som härrör från arbetspunkten 7 i fig. 2B visar tydligt, att strömmarna som krävs för omkoppling av interferometern l i fig. 2A är mindre än de strömmar som krävs för att koppla om kretsen i fig. 1A.

Härav torde framgå, att större förstärkningar än vad som tidigare kunde åstad- kommas uppnås på grund av olinjäriteter som alstras i kretsen enligt fig. 2A och ger en olinjär omkopplingskarakteristik, som i sin tur tillåter en reducering i både den injicerade strömmen IS och grindströmmen IB. Det torde också framgå av fig. 2B, att ju större olinjäriteter som uppnås, desto större blir reduktionen i 7803538-3 strömmar som behövs för att omkoppla en anordning, och desto större blir den uppnådda förstärkningen. Styrning av olínjäriteten hos tröskel- eller omkopp- lingskarakteristiken kan åstadkommas såsom indikeras av den olínjära omkopp- lingskarakteristiken 8, 9 i fig. 2B. Dessa omkopplingskarakteristikor behandlas i det följande i samband med det i fig. 3 visade kretsarrangemanget.

Typiska värden för de pålagda strömmarna, induktansvärden och övergångspara- metrar för interferometern i fig. 2A är följande: 250 mikroampere i b is = 75 mikroampere índuktans 2 längst åt vänster = 7,5 pH induktans 2 längst åt höger = 3 pH Imowz) = ioo mikrøwlpere Imo(J3) = 250 mikroampere Förstärkning = h Även om ovanstående värden ej nödvändigtvis är du optimala värdvnu bör det vara underförstått, att matningspunkten för injicering av injektionsström Is kan flyttas till vilken som helst punkt på den vänstra induktansen 2 i fig. 2A för att olika grader av olinjåritet skall uppnås. Det torde också vara underförstått, att induktansernas 2 (längst åt vänster och längst åt höger) värden kan vara olika och kan variera ganska mycket för att också den önskade olinjära omkopp- lingskarakteristiken skall uppnås. Det torde också observeras att de uppnådda olinjäriteterna även är en funktion av strömförhållandet i övergängarna J2, J3 och grindströmmen Ib. I allmänhet bör emellertid grindströmmen Ib matas till en interferometer i avsikt att åstadkomma det högsta möjliga värdet på Imo. Detta ger de största marginalerna på Ib. Injektionsströmmen IA måste också matas till en annan punkt än grindströmmatningspunkten i och för minimering av anordningens Imo, när båda strömmarna pålägges. Detta resulterar i den högsta omkopplings- känsligheten för ínjektionsström och ger mycket hög förstärkning.

Med hänvisning till fig. 3, som illustrerar en treövergångsinterferometer, matas grindström I symmetriskt till ett par interferometerslingor med utnytt- jande av symmetrisït uppdelad matning. Injektionsströmmen IA är ändmatad, d.v.s. att den pålägges vid interferometeranordningens ben längst åt vänster. Krets- arrangemanget i fig. 3 etablerar väsentligt mer olinjäritet än tvåövergångsinter- ferometern i fig. 2A och har en tröskel- eller omkopplingskarakteristik liknande den som visas vid 8 i fig. 2B. Karakteristiken 8 i fig. 2B identifieras också som "olinjär treövergång". Närmare bestämt liknar kretsen i fig. 3 den som visas i fig. 3B i det amerikanska patentet 3.978.315. Föreliggande fig. 3 har samma konfiguration som det amerikanska patentets fig. 3B bortsett från att förelig- gande figur'i stället för en styrledning som matar en styrström visar en injek- 7803538-3 l0 Lionuntröm [A antingen dirnktmatad till induktnnsen längst ät vänster i fig. 3B eller injicerad vid samma punkt via en nnslutningsledning, varav delar är elektro- magnetiskt kopplade till interferometerinduktanserna. Dessutom kan värdena på induktanserna i föreliggande fig. 3 och förhållandet hos strömmarna genom över- gångarna skilja sig från de värden som ges för arrangemanget i fig. SB i nämnda amerikanska patent. Sålunda innehåller treövergängsínterferometern 10 i fígl 3 tre övergångar JR, J5, J6, vilka är parallellkopplade via induktanserna Ll, L2, L3, Lä och bildar ett par slingor M2, M3. Grindströmmen IB uppdelas mellan induktanserna LS, L5 i en symmetriskt delad matningskonfiguarion i omvänd pro- portion till induktansernas LS, L6 värde. De resulterande strömmarna pålägges mellan induktanserna Ll, L2 och induktanserna L3, LH. En belastningsresistans RL är anordnad parallellt med interferometern 10 och kan ha ett resistansvärde som gör interferometern läsande eller självåterställande på välkänt sätt. Såsom tidigare indikerats kan genom påläggning av grindström IB och injektionsström IA enligt vad som visas i fig. 3 en olinjär omkopplings- eller tröskelkarakteristik åßtadkummfln, vilken liknar den som visas vid 8 i fig. 2B. Vid betraktandet av tröskulkarukterintikeu 8 i Fig. BB framgår, att uvuvvürt bruntarn förlopp åstad- kommas relativt den som erhålles för tröskelkarakterstik N, som gäller en två- övergångsförstärkare. Det torde vara uppenbart från fig. 2B, att för åstadkommande av omkoppling av treövergångsinterferometern 10 i fig. 3 även för sama grindström, IB, kan avsevärt mindre injektionsström, Is, utnyttjas, vilket resulterar i ökad förstärkning.

Med förnyad hänvisning till fig. 3 frängås nu trycklinjeanslutningen ll till förmån för den blott åndmatade ströminjektionsutföringsform, som nyss diskuterats. Härvid kan ett annat arrangemang för injicering av ström, som inkluderar medel för ökning av det elektromagnetiska fältet, användas för att åstadkomma ännu större förstärkningar än vad hittills uppnåtts. Delar 12 av förbindelseledningen ll, visade som induktanser i fig. 3, är anordnade i elektro- mekaniskt kopplad relation till induktanserna Ll, L2 och L3, Lä i interfero- meterns 10 slingor M2, M3. Förbindelseledningen ll avslutas nu vid interfero- meterns 10 ände längst ät vänster och närmare bestämt vid induktansens Ll vänstra ände. Sålunda kopplar injektionsströmmen IA när den pålägges förbindelseledningen ll, först en del av det resulterande magnetfältet till induktanser Ll-Lä, och därifrån befordras ström IA till den punkt där den injiceras i interferometern 10 vid induktansens Ll vänstra ände. Magnetfältet som härrör från injektions- strömmen IA reducerar effektivt interferometerns 10 Imo, vilket ytterligare ökar den totala förstärkning som går att uppnå i arrangemang med olinjär förstärknings- karakteristik. När karakteristikorna Ä och 9 i fig. 2B jämförs framgår tydligt, att för samma värde på grindströmen uppnås en högre förstärkning för tvåöver- gängsinterferometern i fig. 2A med fältanrikning än för kretsen i fig. 2A utan fältanrikning. 7803538-3 ll Nedan följer typiska värden för parametrar, som är aktuella i arrangemanget enligt fig. 3 - både med och utan fältanrikning.

Utan fältanrikning IB = 250 mikro~ampere IA = 50 míkro~ampere L1 = 6,28 pH 1,2 = 6,28 pH LS = 6,28 pH LN = 6,28 pH L5 = 32 pH L6 = 18 pH RL = 6 I0(JÄ) = 6Ä mikro-ampere I0(J5) = 127 mikro-ampere Io(J6) = 159 mikro-mpere Förstärkning = 6 Med fältanriknin För denna mod kan samma parametrar utnyttjas utom att IA blir mindre, vilket resulterar i en nominell förstärkning om ca 10.

Kretsen i fig. 3 är i stånd att åstadkomma förstärkningar över l0, och de parametrar och den konfiguration som utnyttjas är blott exempel som ej avses utgöra någon begränsning. Sålunda kan kretsar liknande treövergångsinterfero- mmmrulükommrwmasmuiwmruínmmtwmvmflmg mmruvmflunpäöwwgügmflmäw men eller andra värden på grind~ eller ínjektionsströmmar i och för åstadkommande av förstärkningskarakterstik, som är generellt olinjär till sin typ men som kan vara väsentligt annorlunda än vad som visas i fig. 2B. Beroende på tillämpningen och det särskilda behovet kan sålunda variation av en eller samtliga av dessa parametrar utnyttjas för att skräddarsy den olinjära omkopplingskarakterstiken för treövergångsinterferometrar liknande interferometern 10 i fig. 3. Det torde emellertid observeras att ytterligare övergångar kan placeras parallellt med Övergångarna Jh-J6 i fig. 3 utan att föreliggande uppfinnings principer frångås.

På samma sätt behöver injiceringen av ström ej begränsas till en enda punkt på interferometern, och ett flertal injektionsströmmar vid olika punkter på denna kan användas.

I Pig. HA vinna vn Lvåövvrgängninterferometer, som på grund av värdena på du akLuulLn pnrmnutrurnn Fungerar såsom en 0CH~logikkrHLn. Arrangemanget i fíg.

HAih~~U.~mwnvl;å!mrnmu unmnu'wfiuhnFmmnhwzw mxxoLüfñrarmmo>uhxs~ I b 7803538-3 eller tröskelkarakteristiken kan åstadkomma en särskild funktion. Kretsen i fig. ÅA avser en situation, där insignaler med lika amplitud utnyttjas för omkoppling av en tvåövergångsferometer 13, som liknar interferometern l i fig. 2A. Det torde vara underförstått att i de tidigare behandlade interferometrarna var målet förstärkning, varför den injicerade strömmen är avsevärt mindre än grind- strömmen. Även om de till interferometern 13 i fig. ÅA matade strömmarna ej behöver ha samma amplitud, väljs amplituderna normalt för placering av kretsens arbetspunkt gott och väl utanför omkopplingströskeln, så att kretsen har tämligen stora marginaler, vilket innebär att den ej lätt får oönskad operation till följd av variationer i anordningsparametrar, som kan uppträda under tillverkning.

Närmare bestämt är interferometern l3 i fig. ÄA en tvåövergångsinterfero~ meter med en konfiguration liknande den i fig. 2A. Sålunda består interferometern 13 av ett par övergångar JT, J8, som är parallellkopplade via induktanser LT, L8, vilka samtliga tillsammans med en förbindelse lh bildar en slinga MÅ. Strömmar IB, IA utgå från en strömkälla, som i fig. ÅA indikerats såsom block 15 och annars betecknas "strömkälla". Källan 15 kan leverera bipolärströmpulser vid klämmer l6, 17, som i fig. MA har referensbeteckningarna A, B. Bipolärströmmen I matas symmetriskt till interferometern 13 via anslutningen lö, medan bipolär- B strömmen IA matas via anslutningen 19 till induktansens LT ände. Nedan upptages typiska vården för OCH-kretsen i fig. HA.

LT = 5,9 PH Lö = 2,Ä pH Imo(JT) = 100 mikro-ampere Im0(J8) = 250 mikro-ampere IA = 200 mikro-ampere IB = 200 mikro-ampere Vid användning av ovannämnda värden har kretsen i fig. HA en olinjär om- kopplings- eller tröskelkarakteristik liknande den i fig. ÄB. Fig. ÄB visar grafiskt strömarna IA såsom en funktion av IB, representerande omkopplings- eller tröskelkarakteristiken för kretsen enligt fig. ÅA i fyra kvadranter. Om fig. HB betraktas tillsammans med pulstågen i fig. ÄC blir det uppenbart, att olika logikutsignaler kan erhållas från en krets liknande den i fig. ÅA beroende på insignalernas polariteter. Liksom vid den vanliga 0CH~kretsen kommer en utsignal att erhållas över en belastning, som hör samman med denna logikkrets, om båda insignalerna föreligger. Om sålunda pulserna 20, 21 i fig. ÄC pålägges via anslutningarna 19, 18 på ínterfcrometern lå, kommer en utsignal 22 att Levervrau till nnötillhöruude bolusLníng (ej visad), som är anordnad parallvllt med interferometern 13. I fig. HB visas pulser ?0, 2 såsom strömmar A, B på 7803538-3 13 axlar Y och X, varvid dessas vektorsumma ger en arbetspunkt A.B i den första kvadranten. I fig. ÄB ligger arbetspunkten A.B gott och väl utanför tröskel- eller omkopplingskarakteristiken 23, vilket ger mycket rymliga marginaler för OCH-kretsen l3.

Om - med återgång till fig. HC - pulserna 2h, 25 med positiv respektive negativ polaritet matas via anslutningar 19, 18 till interferometern 13, erhål- les ingen utsignal. Detta kan klart uppfattas, om man betraktar den andra kvad- ranten i den grafiska representationen enligt fig. ÄB, där påläggningen av strömmar A och É ger en arbetspunkt A.§ i den andra kvadranten, som förblir inom gränserna för omkopplingströskeln 23 och dennas spegelbild-omkopplingströskel 26. På ett liknande sätt erhålles ingen utsígnal, om pulserna 27, 28 i fig. ÄC matas till interferometern 13 i fig. ÅA. Återigen visas detta i den fjärde kvadranten av fig. ÄB, där påläggningen av strömmar Ä, B ger en arbetspunkt Ã.B som ligger inom omkopplingströsklarna 23, 26 för anordningen 13. Om slutligen pulserna 29, 30 i fig. ÄC matas till ínterferometern 13 i fig. RA, levereras en utsignal 31 vid en belastning som shuntar interferometern. I fig. ÄB åstadkommer påläggningen av pulserna Ä, É en arbetspunkt Ã.§, som i den tredje kvadranten för kurvan i fig. ÄB ligger väl utanför anordningens 13 omkopplings-eller trös- keikarakteristik 26.

Av ovanstående torde framgå, att omkopplings- eller tröskelkarakteristiken kan specialutformas att utföra en önskad logikfunktion genom styrning av para- metrarna hos multiövergångsinterferometrar, varvid basolinjäriteten åstadkommas genom injicering av en ström i interferometern vid en punkt som skiljer sig från påläggningspunkten för den vanliga anordningsgrindströmmen.

Med hänvisning till fig. 5a, som schematískt visar en tvâövergångsinterferometer_ påläggen strömmar LA, IA, för ästudkommande av ELLER-funktionen av dessa insignuler f vid en icke illustrerad utgång, som shuntar interferometern. Kretsen i Pig. )A liknar den i fig. ÅA, och samma referensbeteckningur ha använts i fíg. 5A för att identifiera likadana element. Bortsett från det faktum att värdena på induk- tanserna LT, L8 och strömmarna genom övergångarna JT, J8 är olika, är totalkon- figurationen för interferometern 32 i fig. 5A densamma som för interferometern 13 i fig. MA med undantag av att strömmen IA, matas via anslutningen 18 till induktansen L8 längst åt höger.

Elementen i fig. SA har följande värden: LT = 2,8 pH L8 = 2,8 pH Im°(J7) = 175 mikro-ampere Imo(J8) = lT5 mikro-ampere 1 = 200 mikro-ampere I = BUU mikro-mnpurv vsosszs-3 E När de indikerade värdena utnyttjas, har kretsen i fig. SA en förstërknings-~ eller omkopplingskarakteristik liknande den i fig. SB. Strömmarnas IA; A, amplituder ä sådana att om de pålägges ensamma eller i kombination kommer kretsens í fig. SA arbetspunkt alltid att ligga utanför omkopplingskarakterístiken 33 i fig. SB. Den snedstreckade arean nedanför tröskelkarakteristiken 33 är en arbetsregion, där interferometern 32 befinner sig i nollspänningstillståndet.

Arbetspunkter som falla utanför tröskelkarakteristiken 33 placerar interfero- metern 32 enligt fig. 5 i omkopplings- eller spänningstillståndet. De till interferometern 32 matade strömmarna ha betecknats I , IA, därför att de båda kunna betraktas såsom injektionsströmmar. För att likställs denna krets med vad som tidigare sagts kan en med strecklinjen 18' visad anslutning symmetriskt för- bindas med interferometern 32 för matning av en grindström IB därtill. I den särskilda kretsen i fíg. SA är strömmen IB lika med 0. Återigen framgår klart att man genom justering av interferometerparametrar i en krets, som har en olinjär förstärkningskarakteristik, kan specialutforma förstärkningskarakteristiken i avsikt att etablera många olika förstärkninga- kurakturíntikor, vilket kan gu antingen nignulförutürkníug eller olika logik- lrtzufgnalur .

I fig. 6 på ritningarna visas en blockeringskrets, som innehåller en två- övergångsinterferometer som bygger på principerna för olinjär ströminjektion enligt föreliggande uppfinning. Blockeringskretsen jh innefattar en tvâöver- gângsinterferometer med en konfiguration liknande den i fig. HA. Likadana element i fig. 6 har fått samma referenstecken som dem i fig. HA. Interferometern 13 visas shuntad av en belastning RL som är anordnad i serie med en Josephson- anordning J9, vilken kan vara en interferometer. Dennas omkoppling styrs av en styrledning 35, anordnad i elektromagnetiskt kopplad relation till J9. Anord- níngen J9 är i sin tur anordnad i serie med en strömkälla (ej visad) som leve- rerar en grindström till anordningen J9. J9 shuntas av ett avslutningsmotstånd RD. Styrledningen 35 styrs av en ström IB, medan ström IA injiceras via anslut- ningen 19 till interferometern 13.

Interferometern 13 arbetar på samma sätt som beskrivits i anslutning till fig. ÄA utom att dess grindström IG kan elimineras genom påläggning av strömmen IB på styrledningen 35 i anorndingen J9, så att denna anordning kopplas om och strömmen IG avleds till belastningen RD. Under utnyttjande av ovanstående prin- ciper kan OCH-kretsen i fig. ÅA omvandlas till en blockeringskrets. Det torde observeras, att förstärkarkretsen i fig. 2A kan insättas i stället för inter- ferometern 13 i fig. 6 utan att föreliggande uppfinnings principer frångås.

I fig. 7 visas schematiskt en tvåövergångsinterferometer-förstärkarkrets som är en ekvivalenskrets liknande den i fig. 2A. Interferometern i fig. 7 utnyttjar en injicerad ström som direktmatas till samma matningspunkt som för 7803538-5 anordningens grindström. Interferometern har emellertid en olinjär tröskelkarak- teristik såsom ett resultat av den elektromagnetiska kopplingen av en del av den injícerade strömmen till ínterferometern. Närmare bestämt har interferometern 36 i fig. T övergångar JlO, Jll anordnade parallellt och sammankopplade via induk- tansen L9, Ll0. Dessa element bildar tillsammans med anslutningen 37 en slinga M5, till vilken en grindström IB matas. Injektionsströmmen IA matas till samma elektriska punkt i interferometern 36 via en anslutning 38, varav en del 39 är anordnad i elektromagnetiskt kopplad relation till induktansen L9. I den utsträckning som strömmarna IA, IB matas till samma punkt elektriskt på interferometern 36, finns en linjär summa av dessa strömmar i interferometern. Strömen IA som finns i delen 39 av anslutningen 38 är emellertid elektromagnetiskt kopplad till induktansen L9, och en ström etableras däri som har samma riktning och storlek som om den hade pålagts induktansens L9 ben längst åt vänster. Såsom en följd härav påverkar den inducerade strömmen och de summerade injektionsströmmarna inbördes varandra på ett komplext sätt, så att en olinjär omkopplingströskel etableras, som liknar karakteristiken Ä i fig. 2B. Kretsen i fig. 7 är ej ekvivalent med välkända interferometerkretsar, vilka innehåller en styrledning som utnyttjas för att reducera en tillhörande interferometers Imo. Såsom tidigare indikerats härrör olinjäríteterna från en sådan inbördes påverkan, men de är av sådan karaktär att de suddas ut i överlappningsmoder och ej fylla någon användbar funktion. Även om det ej visas i fig. 7 eller vid någon av de andra här beskrivna anordningarna, kan en styrledning av vanlig typ placeras i blott elektromagnetiskt kopplad relation till interferometrarna i och för styrning av dessas Imo utan att åstadkommandet av en olinjär omkopplings- eller tröskelkarakteristik i enlighet med uppfinningens principer påverkas. I praktiken kan olinjäriteterna specialformgivas såsom en funktion av strömmen, IC, i den tillfogade styrled- ningen.

De här beskrivna interferometerkretsarna kan framställas på det sätt som beskrivs i det amerikanska patentet 3.978.315. Nänmare bestämt kan de här beskrivna interferometeranordningarna och kretsarna tillverkas i enlighet med framställninge- metoder som är välkända inom Josephson- och halvledartekniken. Sålunda bildas metallskikten genom välkänd vakuumavsättning, övergångsoxider utbildas, och deras tjocklekar styras enligt en elektrodförstoftningsteknik, som beskrivs i det amerikanska patentet 3.8h9.2T6, och andra oxider bildas enligt välkända förångningsmetoder. Oxiderna och de olika metallskikten bibringas sin utsträck- ning genom välkänd fotolitografisk maskering och etsning. Eftersom framställninge- tekniken inte utgör någon del av föreliggande uppfinning, antages att beskrivningen som hänvisar till välkänd tidigare teknik är tillräcklig för att fackmannen ukall kunna Frmnnfiïlhtruunnningur uv det här beskrivna slaget.

Claims (19)

1. 7803538-3 16 Patentkrav. l. Josephson-tunnelkrets med minst två parallellkopplade och medelst en induktans (2) med varandra förbundna Josephson-övergångar (J2, J3), vilka tillföres en arbetsström, som vid överskridandet av ett tröskelvärde omkopplar interferometern från nollställningstillstånd till spänningstillstånd, k ä n n e t e c k n a d därav, att kretsen (1) förutom arbetsströmen (JB) tillföres åtminstone en injektionsström (JS) och att anslutningspunkten för injektionsströmmen (JS) eller anslutningspunkten och tilledningen för injek- tionsströmen (JS) är så anordnad, att tröskelvärdeskurvan (JS=f(JB); fig. 2B), erforderlig injektionsström (JS) för omkoppling av kretsen (1) som funktion av arbetsströmmen, har ett icke-linjärt förlopp. K

2. Josephson-tunnelkrets enigt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d av första organ för att mata en grindström (JB) till minst en given punkt på interferometern samt andra organ för att mata minst en injektionsström (JS) till minst en punkt på interferometern, som skiljer sig från nämnda givna punkt.

3. Josephson-tunnelkrets enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d av första organ för att mata en grindström till minst en given punkt på interfero- metern samt andra organ för att samtidigt mata minst en injektionsström till nämnda givna punkt och inducera minst en ytterligare ström från injektionsströmmen in i minst en del av nämnda induktans. Ä.

4. Josephson-tunnelkrets enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d av första organ för matning av grindström till nämnda givna punkt på interferometern samt andra organ för samtidig matning av minst en injektionsström till minst en punkt på interferometern som skiljer sig från nämnda givna punkt, och inducering av minst en ytterligare ström från ínjektionsströmmen in i minst en del av induktansen (fig. 3).

5. Josephson-tunnelkrets enligt patentkravet l, k ä n n e t e c k n a d därav, att interferometern innefattar organ för att mata minst ett par injektionsströmmar till olika punkter på interferometern (fig. 5A).

6. Josephson-tunnelkrets enligt patentkrawet 1, k ä n n e t e c k n a d av en belastningsimpedans (RL, fig. 3), som shuntar interferometern. T.

7. Josephson-tunnelkrets enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att nämnda strömmar har i huvudsak samma amplitud (Pig. MA).

8. Josephson-tunnelkrets enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att nämnda strömar har olika amplitud.

9. Josephson-tunnelkrets enligt patentkravet 2, k ä n n e t e c k n a d därav, att nämnda givna punkt finns på nämnda induktans och delar denna symmetriskt (t.ex. fig. 3). H vsossss s

10. Josephson-tunnelkrets enligt patentkravet 2, k ä n n e t e c k n a d därav, att nämna givna punkt finns på induktansen och delar denna assymetriskt. (T. ex. fig. MA.)

11. ll. Josephson-tunnelkrets enligt patentkravet 2, k ä n n e t e c k n a d därav, att nämnda första organ för matning av en grindström till en given punkt på interferometern innefattar en strömledande anslutning, som är kopplad symme- triskt till nämnda induktans, som delar denna i minst två delar med olika induk- tansvärden. (Fig. 2A.)

12. Josephson-tunnelkrets enligt patentkravet 2, k ä n n e t e c k n a d därav, att nämnda första organ för att mata en grindström till en given punkt på interferometern innefattar minst en strömledande anslutning, som är kopplad symetriskt till induktansen och delar denna i minst två delar med samma induk- tansvärde. (Fig. 3.)

13. Josepshon-tunnelkrets enligt patentkravet 2, k ä n n e t e c k n a d därav, att nämnda första organ för att mata minst en grindström till en given punkt på interferometern innefattar minst en strömledande anslutning, som är kopplad assymetriskt till en induktans och delar denna-i minst två delar med olika induktansvärden. lä.

14. Josephson-tunnelkrets enligt patentkravet 2, k ä n n e t e c k n a d därav, att nämnda andra organ för att mata minst en injektionsström till minst en punkt på interferometern, som är skild från den givna punkten, innefattar minst en strömbefordrande ledare, som är kopplad till det ena benet på induk- tansen. (Fig. SA.)

15. Josephson-tunnelkrets enligt patentkravet 2, k ä n n e t e c k n a d därav, att nämnda andra organ för att mata en injektionsström till en punkt på interferometern, som skiljer sig från den givna punkten, innefattar minst en strömbefordrande ledare, som är kopplad till induktansen mellan den givna punkten och ett ben på induktansen. (Fig. 2A.)

16. Josephson-tunnelkrets enligt patentkravet 3, k ä n n e t e c k n a d därav, att medlen för att samtidigt mata minst en injektionsström och inducera minst en ytterligare ström i minst en del av minst en induktans innefattar minst en strömbefordrande ledare, som är kopplad till nämnda givna punkt, varvid minst en del av nämnda strömbefordrande ledare är anordnad i elektromagnetiskt kopplad relation till minst en del av nämnda induktans. (Fig. T.)

17. Josephson~tunnelkrets enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e - t c c k n a d av en otrömkälla, som är direktansluten till interferouwtcrn för att skapa en olinjär omkopplingskarakterstik, vilken strömkälla innefattar första organ för att mata en första ström till minst en given punkt på interfero- metern, andra organ för att samtidigt mata minst en andra ström till nämnda 7803538-3 18 givna punkt och induceríng av minst en ytterligare ström från injektinnsströmmen in í minst en del av induktansen. (Fig. 7.)

18. Josephson-tunnelkrets enligt patentkravet 17, k ä n n e t e c k n a d av minst en enda styrledning, anordnad i elektromagnetiskt kopplad relation till inbcrferometern. (Fig. 3.) ANFÖRDÅ PUBLIKATIONER: US 3 978 351 (307-306) Andra publikationer: IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol.

19. No. 3 August 1976 p. 1096-1097.