DE2704839A1

DE2704839A1 - Uebertragungsnetzwerk fuer schaltungen mit josephson-elementen

Info

Publication number: DE2704839A1
Application number: DE19772704839
Authority: DE
Inventors: Ying Luh Yao
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1976-06-30
Filing date: 1977-02-05
Publication date: 1978-01-05
Also published as: US4107554A; SE425828B; DE2704839B2; GB1529542A; SE7703586L; CA1079817A; DE2704839C3; ES460160A1; CH620805A5; FR2356998A1; NL7707182A; IT1115613B; FR2356998B1; JPS533015A; JPS5758095B2

Description

te-bc, 270A839

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen iJeuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: YO 975 068

übertragungsnetzwerk für Schaltungen mit Josephson-Elementen

Die Erfindung betrifft Übertragungsnetzwerke nach dem Oberbegriff von Anspruch 1; ein bevorzugtes Anwendungsgebiet hierfür sind Datensammelleitungen in Schaltungen mit Josephson-Elementen.

In bekannten Anordnungen dieser Art werden die Ausgänge von logischen Schaltkreisen einem separaten Abfühlelement zugeführt, das einen Stromfluß im Ausgangskreis anzuzeigen in der Lage ist. Alle diese Abfühlelemente sind in Reihe geschaltet; entsprechend der Anzahl der vorhandenen Ausgangssignale schalten die betreffenden Abfühlelemente um, und es ergibt sich eine Stromabnahme, es können aber auch innerhalb eines gegebenen Zeitrasters die einzelnen Spannungsabfälle aufsummiert werden, um damit anzuzeigen, daß gewisse Ausgangssignale vorhanden sind. In diesem Fall kann ein besonderes Ausgangssignal identifiziert werden, indem geeignete Vorspannungen zum Abfragen der einzelnen Abfühlelemente verwendet werden. Eine im Stand der Technik bekannte Anordnung zum Aufsummieren der Ausgangssignale ist in der US Patentschrift 3 458 735 beschrieben. Diese Anordnung stellt jedoch keine echte Datensammelleitung dar, da es sich nicht um eine Zweiwegverbindung zwischen Eingängen und Ausgängen handelt. Diese Eigenschaft ergibt sich daraus, daß alle Josephson-Elernente in Reihe geschaltet sind und die Ausgangssignale aufsummiert werden, um damit anzuzeigen, wieviele der Ausgangssignale in Form von Steuerströmen vorhanden sind. Jedes der umschaltbaren Elemente ist isoliert und das

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Signal aufgrund des Umschaltens eines bestimmten Elements wird nicht über Übertragungsleitungen zu anderen Elementen weitergeleitet. Die einzig mögliche Kopplung besteht über Störsignale, die ein zufälliges und unerwünschtes Umschalten von benachbarten !Elementen verursachen können.

Anordnungen im Stand der Technik, die sich als echte Datensammelleitungen verhalten (d.h. als gemeinsame Vermittlungsleitung, die als Zweiwegverbindung zwischen den Eingängen und Ausgängen von mehreren logischen Blöcken im Zeitmultiplexbetrieb dient), bestehen bekanntlich aus einer Datensammelleitung, an die eine Vielzahl von Eingangs- und Ausgangsgeräten angeschlossen ist. Derartige Anordnungen finden sich häufig dort, wo die Information in Form von Änderungen eines Spannungspegels auf die Datensammelleitung gebracht wird. Schaltkreise mit bipolaren Transistoren oder Feldeffekttransistoren erzeugen normalerweise Ausgangssignale in Form von Spannungen, die dann auf eine Datensammelleitung gegeben werden können, wobei sichergestellt ist, daß alle Leitungen, die an die Datensammelleitung angeschlossen sind, die gleiche Spannung empfangen. Unter derartigen Umständen stellen die Impedanzanpassung, die Leitungslänge und der richtige Leitungsabschluß keine schwierigen Konstruktionsprobleme. Diese bekannten Datensammelleitungen können jedoch in keinem Fall ohne weiteres in Schaltkreisen eingesetzt werden, in denen die Information in Form von Stromschwankungen dargestellt ist. Dort stellt die Impedanzanpassung, die Reflexion von Signalen und der richtige LeitungsabSchluß schwierige Konstruktionsprobleme und zwar aufgrund der Stromteilung, die ihrerseits eine Funktion der Anzahl von Stationen ist, an die derselbe Strom parallel weitergeführt werden muß.

In dem Artikel "Josephson Junction Circuit", IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 11, No. 10 März 1969 Seite 1222, wird ein Josephson-Elernent in Verbindung mit einer übertragungsleitung beschrieben, die ihrerseits mit der charakteristischen Irape-

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danz der Streifenleitung abgeschlossen ist/ so daß keine Wechselstromsignale des Elementes selbst an dieses zurückreflektiert werden. Diese Druckschrift beschäftigt sich im wesentlichen mit der Verbesserung des bistabilen Verhaltens eines Josephson-Elements, nicht aber mit einem Josephson-Element, das zum Zweck des Datenaustausche mit einer Anzahl anderer Elemente in Parallelschaltung verbunden ist.

In dem Artikel "Josephson Junction Circuits Having Magnetic Feedback", IBM Technical Disclosure Bulletin, Vo. 15, Nr. 3 August 72, Seite 899, wird in Fig. 5 ein Schieberegister dargestellt, in dem ein parallel geschaltetes Paar von Josephson-Elementen enthalten ist, wobei jedes dieser Elemente an dieselbe Energiequelle angeschlossen und an seinem einen Ende mit einem Widerstand abgeschlossen ist, der gleich Z beträgt. Ein ähnlicher I Schaltkreis ist mit diesem ersten Elementenpaar verschränkt, und jedes dieser Elementenpaare wird mit abwechselnden Gleichstromimpulsen beaufschlagt, die jedem Paar zugeführt werden. Jede Elementleitung wirkt als Steuerung für das nächste Element. In dieser Druckschrift sind jedoch keine Vorschläge oder Andeutungen enthalten, daß eine derartige Vorrichtung auch als Datensammelleitung verwendet werden kann. Es geht im Gegenteil aus der Verwendung der gleichen Stromquelle für Elementenpaare hervor, daß beabsichtigt ist, diese Elementenpaare gleichzeitig zu beaufschlagen. Damit entfällt aber jede Möglichkeit, eine Datensammelleitung entsprechend der Lehre der vorliegenden Erfindung zu realisieren.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindungen besteht dementsprechend darin, eine Anordnung anzugeben, die als Datensammelleitung In Schaltungen Verwendung finden kann, bei denen die Signalwerte in Form von Änderungen des Stroms dargestellt werden und in denen eine Vielzahl von zueinander parallel geschalteten Eingangs- und Ausgangsschaltkreisen angeschlossen werden muß.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 gegebene technische Lehre gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im supraleitenden Zustand weist ein Josephson-Element keinen Widerstand auf und stellt somit für einen in Reihe geschalteten Abschlußwiderstand, der gleich der Impedanz einer zugehörigen Übertragungsleitung ist, einen direkten Kurzschluß zur Erde dar. Auf diese Art kann eine mit dem Josephson-Element verbundene übertragungsleitung in zwei Betriebsarten betrieben werden und zwar

einmal als Treiberleitung, wenn das Josephson-Element im normal- !leitenden Zustand ist und zum andern als Abschlußwiderstand, wenn das Josephson-Element im supraleitenden Zustand ist.

Die Erfindung bezieht sich danach im wesentlichen auf eine Vielzahl von Anschlußschaltungen für eine Übertragungsleitung, wobei jede Anschlußschaltung mit einem Josephson-Element verbunden ist. Jede dieser Anschlußschaltungen stellt ein Ausgangssignal eines logischen Schaltkreises dar; gleichzeitig sind sie Eingangssignale für Steuerleitungen, die zu jedem dieser Josephson-JElemente gehören und dieses umschalten. Jedes Josephson-Element ' ist mit seiner eigenen Stromquelle ausgestattet und leitet beim Umschalten Strom in eine übertragungsleitung, deren Impedanz Z beträgt. In einem Ausführungsbeispiel, in dem eine einzige Leitungsebene über einer Grundplatte verwendet wird, sind alle Ubertragungs leitungen einem einzigen Knotenpunkt in einer Stirnanordnung zugeführt. Ein Abschlußwiderstand, der jede der Ubertragungsleitungen mit einem Wert Z_q abschließt, ist in Reihe mit der Übertragungsleitung geschaltet und soll Signale abfangen, die j von irgendeiner Anschlußschaltung herrühren, so daß keine

Signalreflexion entlang der übertragungsleitung auftritt. Von dem Stirnpunkt aus, dem alle ubertragungsleitungen zugeführt sind, wird ein Signal, das von einer Anschlußschaltung aus ererzeugt wird, beispielsweise parallel allen anderen Anschluß-

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schaltungen zugeführt. In Abhängigkeit davon, ob das Abfühl-Josephson-Elernent, das jeder übertragungsleitung zugeordnet ist, an der betreffenden Stelle aktiviert ist, kann das Signal an einem ausgewählten Abfühlelement abgenommen werden. Ein weiteres Ausführungsbeispiel betrifft den Fall zweier Leitungsebenen über einer Grundplatte oder einer Leitungsebene oberhalb und einer Leitungsebene unterhalb einer Grundplatte; die beiden Leitungen bzw. Übertragungsleitungen, die jeder Eingangsschaltung zugeordnet sind, werden dabei einem Paar von Knotenpunkten zugeführt. Jede Leitung hat die gleiche charakteristische Impedanz und jede ist mit einem Abschlußwiderstand versehen, der gleich der charakteristischen Impedanz ist. In dieser Anordnung beträgt die resultierende Signalstärke, die für das Abfühlen zur Verfügung steht, das doppelte der Signalstärke bei dem Ausführungsbeispiel mit nur einer Leiterebene und zwar aufgrund einer Umpolung der übertragungsleitung in der Nachbarschaft eines Abfühlelernents.

Die Vorteile dieser Erfindung bestehen darin, daß die abgeschlosse nen Ubertragungsleitungen jede Signalreflexion an die Knotenpunkte verhindern, daß die Anzahl der an einen Knotenpunkt angeschlossenen Anschlußschaltungen und Ubertragungsleitungen nur Beschränkungen unterliegt, die sich aus praktischen Überlegungen ergeben, so z.B. der Abfühlempfindlichkeit eines Abfühl-Josephson-Elernentes in bezug auf die Höhe des Stromimpulses der in jede übertragungsleitung nach seinem Aufspalten in den Schaltungsknoten gelangt. Die Datensammelleitungs-Anordnung nach der vorliegenden Erfindung erlaubt dabei einen echten Zweiweg-Datenaustausch zwischen den angeschlossenen Einheiten; die Arbeitsgeschwindigkeit von Schaltungen mit Josephson-Elementen in der Größenordnung von einigen 10 psec. kann dabei voll ausgenutzt werden.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben.

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Es zeigen:

I
Fig. 1 in schematischer Weise ein Netzwerk zur Daten-

; verteilung (oder eine DatensammelleitungJ, mit

einer Mehrzahl von Anschlußschaltungen, die parallel sternförmig angeschlossen und in einer Leitungsebene über einer Grundplatte ausgeführt sind. Die Signale von Ausgangs-AnschluBschaltungen steuern ein umschaltbares Element, welches beim Umschalten Impulse elektromagnetischer Energie über eine Übertragungsleitung abgibt, die eine charakteristische Impedanz aufweist. Die Übertragungsleitung beaufschlagt eine Vielzahl von ähnlichen Ubertragungsleitungen gegebener Impedanz, die alle an einem Knotenpunkt zusammengeführt sind. Die Energie durchläuft jede dieser Übertragungsleitungen, die jeweils zur Unterdrückung von Reflexionen mit einem Abschlußwiderstand entsprechend ihrer charakteristischen Impedanz versehen sind. Ein Abfühlelement befindet sich benachbart bei jedem schaltbaren Element und zeigt nach seiner Aktivierung durch ein Auswahlsignal das Vorhandensein von elektromagnetischer Energie auf der benachbart laufenden Ubertra- ' gungsleitung an. Wenn ein Umschaltelement umschaltet können alle anderen Umschaltelemente, die in dem Netzwerk enthalten sind, im supra-¹ leitenden Zustand beibehalten werden, so daß die elektromagnetische Energie auf zugehörigen Ubertragungsleitungen in Abschlußglieder gelangen, die aus dem Abschlußwiderstand und dem Element in seinem leitenden Zustand besteh en, mit dem der Abschlußwiderstand gegen Erde verbunden ist.

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Fig. 2 zeigt in schematischer Weise eine Anordnung mit

zwei Leitungsebenen über einer Grundplatte oder einer Leitungsebene oberhalb der Grundplatte und einer Leitungsebene unterhalb der Grundplatte; diese Anordnung macht dabei vom gleichen Prinzip Gebrauch wie der in Fig. 1 dargestellte Schaltkreis. Anstelle eines Knotenpunktes wie in Fig. 1, sind alle übertragungsleitungen einem Paar von Knotenpunkten zugeführt, wodurch jedes der umschaltbaren Elemente parallel zu den übrigen gelegt wird. Abschlußwiderstände sind in Serienschaltung mit jeder übertragungsleitung geschaltet; die gezeigte Abfüllvorrichtung erzeugt ein Signal, das im Vergleich zum Ausführungsbeispiel mit nur einer Leiterebene den doppelten Wert aufweist.

In einem typischen Anwendungsfall einer Datensammelleitung in einem Rechensystem, werden Ausgangssignale normalerweise von einer Anzahl von Systemelementen geliefert, zu denen die Zentraleinheit, ein Festwertspeicher, eine Speicherzugriffeinrichtung und eine Speicherschnittstelle gehören. Die Zentraleinheit, die i.a. mehrere Eingangs-Ausgangs-Anschlußschaltungen umfaßt, muß mit den anderen genannten Rechnerelementen eine Zweiweg-Verbindung aufbauen können. Diese Verbindung erfolgt am zweckmäßigsten mit einer Datensammelleitung, an die alle Rechnerelemente parallel angeschlossen sind. Entsprechend der obigen Beschreibung des Standes der Technik, werden gewöhnlich bei Elementen, die spannungsgesteuert sind, die Spannungsänderungen an einem einzelner Leiter angelegt, der mit jedem anderen Rechenelement verbunden ist. Wie oben schon ausgeführt, sind Datensammelleitungen, die Information in Form von Spannungsänderungen tragen, bezüglich der Leitungslängen, der Impedanzanpassung und der richtigen Abschlußwiderstände weniger empfindlich. Da nun bei stromgesteuerten Elementen kein Anschluß an eine einzelne Sammelleitung erfolgen

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kann, an die alle Elemente eines Rechners angeschlossen sind, ohne dadurch beträchtliche Probleme hinsichtlich der Impedanzanpassung und der Abschlußwiderstände heraufzubeschwören, muß ein Weg gefunden werden, wie alle Elemente eines Rechnersystems angeschlossen werden können und diese Probleme trotzdem minimal \ bleiben. Das in Fig. 1 gezeigte Netzwerk zur Datenverteilung erlaubt eine Zweiwegverbindung zwischen einer Vielzahl von Anschlußschaltungen derart, daß die Anpassungs- und Abschlußprobleme bei Sammelleitungen nach dem Stand der Technik nur minimal sind; die Sammelleitungen nach dem Stand der Technik können nicht direkt dort eingesetzt werden, wo stromgesteuerte Elemente Verwendung finden und wo Daten zwischen den Anschlußschaltungen in Form von Stromänderungen übertragen werden.

In Fig. 1 ist ein Netzwerk zur Datenverteilung oder eine Daten-ISammelleitung 1 dargestellt, in der schematisch eine Mehrzahl !von parallel geschalteten Anschlußschaltungen gezeichnet ist; es soll sich dabei um eine stirnförmige Konfiguration handeln,

!die mit einer einzigen Leitungsebene über einer Grundplatte ausgeführt ist. Das Verteilungsnetzwerk 1 in Fig. 1 enthält weiterhin eine Vielzahl von Ausgangs-Anschlußschaltungen 2, die in der Zeichnung mit den Buchstaben A-N bezeichnet sind. Die Ausgangsschaltungen 2 führen Signale von Rechenelementen, logischen Schaltkreisen oder logischen Elementen, die zum Zweck einer Zweiwegverbindung mit Hilfe des Netzwerkes 1 mit ähnlichen EIe- ι menten. Schaltkreisen oder Elementen an anderen Anschlußschal- ' tungen verbunden werden sollen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel stellen die Ausgangsschaltungen 2 stromführende Steuer-

leitungen für zugeordnete Josephson-Elernente dar. In Fig. 1 sind , die Josephson-Elernente 3, die sonst in Fig. 1 die Bezeich- ; nungen JA-JN tragen, so angeordnet, daß sie elektromagnetisch mit den Steuerleitungen der Ausgangsschaltungen 2 gekoppelt sind. Die Josephson-Elemente JA-JN werden von getrennten Stromquellen IgA-IgN über die Strombegrenzerwiderstände 4 versorgt.

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Die Josephson-Elemente JA-JN sind über die Erdverbindung 5 in Fig. 1 an Erde gelegt. Die Josephson-Elemente 3 weisen einen Nebenschluß auf, zu dem der Abschnitt 6 der Steuerleitung gehört; letzterer ist jeweils mit in Reihe geschalteten Abschlußwiderständen 7 verbunden. Die Abschlußwiderstände 7 sind mit der Leitung einer übertragungsleitung verbunden, die als Streifenleitung über einer Grundplatte ausgeführt ist. In Fig. 1 ist die Anordnung der Leitung über einer Grundplatte schematisch durch den Abschnitt eines Koaxialkabels 8 angedeutet, das eine charakteristische Impedanz Z aufweist. Die Koaxialübertragungsleitung 8 ist im übrigen in Fig. 1 durch das Bezugszeichen Z dargestellt. Z ist natürlich eine Funktion des Abstandes zwischen den Leitern und der Grundplatte, der Dielektrizitätskonstante des Isoliermaterials und der Breite des Leiters oder des Drahtes. üblicherweise bestehen die übertragungsleitungen, die in Fig. 1 als Koaxialkabel 8 dargestellt sind, aus einer leitenden Grundplatte auf einem Substrat und einem darüber angeordneten engen Leiterzug, der bezüglich der Grundplatte isoliert ist. In Anwendungen, in denen Josephson-Elemente gebraucht werden, bestehen die Grundplatte und der enge Leiterzug gewöhnlich aus supraleitenden Materialien, wie z.B. Niob. Die Abschlußwiderstände 7 in Fig. 1 sind somit direkt mit dem Leiterzug über der Grundplatte verbunden; diese Anordnung ist für derartige übertragungsleitungen wohlbekannt. In der darstellungsweise als Koaxialkabel in Fig. 1 sind die Abschlußwiderstände 7 mit dem Innenleiter des Koaxkabel 8 verbunden, wobei der äußere Leiter die Grundplatte darstellt. Der Außenleiter ist mit Erde durch dasselbe Bezugszeichen 5 verbunden, das für das Element 3 verwendet ist. Von jeder der übertragungsleitungen 8 gehen Leitungszüge 9 aus, die alle zu einem gemeinsamen Knotenpunkt 10 geführt sind. In Fig. ist der Knotenpunkt 10 auch mit dem Bezugszeichen S1 bezeichnet. Der Erläuterung und Klarheit halber ist zwar der Leiterzug 9 so dargestellt, als sei er mit der übertragungsleitung 8 verbunden, in Wirklichkeit sind die Leiterzüge 9 jedoch Teile des gleichen Leiterzugs, der als über der Grundplatte verlaufender Leiterzug

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eine Übertragungsleitung bildet, die ihrerseits durch die !Koaxialkabel 8 in Fig. 1 dargestellt sind. Um somit die Anforderungen der erfindungsgemäßen Anordnung zu erfüllen, haben die

Leiterzüge alle über einer Grundplatte angeordnet zu sein, und zwar isoliert in einem derartigen Abstand, daß sich die gejwünschte Impedanz Z ergibt; diese Leitungszüge brauchen dann nur an einem gewissen gemeinsamen Punkt auf der Isolierschicht miteinander verbunden werden, welche die Leiter von der zugehörigen Grundplatte trennt.

Die Abschnitte 6 der Steuerleitung sind jeweils Abfühlelementen 11 zugeordnet, die in Fig. 1 auch mit der Bezeichnung JO-JZ angegeben sind. Die Abfühlelemente 11 sind ähnlich den Josephson-Elementen 3 und werden in bekannter Weise mit den Abfühlverstärkern oder anderen Schaltkreisen verbunden, die im Stand der Technik für Josephson-Schaltkreise bekannt sind. Außer dem Abschnitt 6 der Steuerleitung ist jedem Abfühlelement 11 eine Leitung 12 für einen Vorstrom zugeordnet, mit der das zugehörige Abfühlelement 11 selektiv so eingestellt werden kann, daß das Element 11 nur auf Stromimpulse reagiert, die von anderen als der benachbarten Anschlußschaltung erzeugt werden. Die Vorstromleitung 12 kann mit einer Impulsstromquelle verbunden sein, die entsprechend dem allgemeinen Taktschema des Schaltkreises ausgelöst wird, um den Leitungen 12 ein Freigabesignal zuzuführen.

In Fig. 1 sind nur die Anschlußschaltungen A und N mit ihren zugeordneten Elementen, Abschlußwiderständen und übertragungsleitungen genauer beschrieben; es ist jedoch festzuhalten, daß die auf der rechten Seite von Fig. 1 gezeichneten Übertragungsleitungen 8 ähnliche Anschlußschaltungen, Elemente und Übertragungsleitungen aufweisen, die in der gleichen Weise angeschlossen sind, wie im Fall der Schaltungen A und N und mit denen eine Zweiwegverbindung mit jeder anderen Anschlußschaltung er-

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zielt werden kann. Weiterhin ist zu beachten, daß jede Anzahl von Anschlußschaltungen an den Knotenpunkt 10 angeschlossen werden kann, wobei die genaue Anzahl nur durch Überlegungen praktischer Art beschränkt wird, wie beispielsweise die Stärke des verfügbaren Stroms und die Empfindlichkeit der Abfühlelemente 11.

Als Beispiel soll der Fall betrachtet werden, daß ein Stromimpuls, der ein binäres Datenelement darstellt, an die Ausgangsschaltung A angelegt und dieses Datenelement an das Abfühlelement JZ geleitet werden soll, das mit der Ausgangsschaltung N verbunden ist. Das Verteilungsnetzwerk 1 arbeitet dann in folgender Weise: im Ruhezustand, wenn keine Binärinformation an irgendeine der Ausgangsschaltungen 2 angelegt ist, befinden sich die Josephson-Elemente 3 in ihrem supraleitenden Zustand, und zwar als Folge des Arbeitsstroms IgA-IgN, der durch sie fließt. Da unter diesen Bedingungen der Strom durch die Elemente 3 den Maximalwert nicht übersteigt, fließt der Strom über Tunnelgrenzschichten, an denen kein Spannungsabfall auftritt, wenn das Element 3 bei oder in der Nähe der Temparatur von flüssigem Helium betrieben wird. Wenn der Maximalstrom durch die Elemente überschritten wird, oder wenn der Maximalstrom durch Anlegen eines Vorstroms auf einer zugehörigen Steuerleitung herabgesetzt wird, schalten die Elemente 3 in einen spannungsbehafteten Zustand und an jedem der Elemente erscheint in wohlbekannter Weise ein Spannungsabfall 2Δ/β. In Fig. 1 stellen die Ausgangsschaltungen 2 stromführende Leiter dar, welche als Steuerleitungen für die Elemente JA-JN dienen.

Bei einem Übertragungsvorgang wird ein Strom, der ein binäres Datenelement darstellt, an die Ausgangsschaltung A angelegt. An diesem Punkt wird das von diesem Strom erzeugte Magnetfeld das Josephson-Element JA durchdringen und auf diese Weise den Wert des maximalen Stroms auf einen Wert unterhalb von IgA herabsetzen/ so daß das Element JA in seinen spannungsbehafteten Zustand um-

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schaltet. Dieses Umschalten des Elements JA stellt für den Strom IgA einen Widerstand dar und lenkt den Strom über dem Abschnitt 6 der Steuerleitung und dem Abschlußwiderstand 7 in die Übertragungsleitung 8. Der so von dem Josephsonelement JA abgelenkte

■ Strom bleibt solange abgelenkt, wie das Stromsignal an die An- ;schlußschaltung A angelegt bleibt; danach fließt der Strom wieder durch das Josephson-Elernent JA, vorausgesetzt, bei dem Element

handelt es sich um ein automatisch zurücksetzendes und nicht um ein selbstverriegelndes. Ist das Josephson-E lernen t JA selbstverrriegelnd, muß der Strom IgA auf einen Wert unterhalb eines Minimalwertes reduziert werden, um die Ablenkung des Stroms in die übertragungsleitung 8 aufzuheben. Auf jeden Fall durchläuft ein Stromimpuls zuerst den Abschlußwiderstand 7 und dann die übertragungsleitung 8 mit Impedanz Z , bis er beim Knotenpunkt S1 anlangt. Da der Stromimpuls beim Knotenpunkt S1 eine Impedanzänderung erfährt, wird ein Teil seiner Energie in Richtung auf die Anschlußschaltung A reflektiert und im Abschlußwiderstand 7 absorbiert. Am Knotenpunkt S1, an den für das vorliegende Beispiel nur vier Ubertragungsleitungen angeschlossen sein sollen, wird der Stromimpuls, der von der Anschlußschaltung A ausgeht, Ströme in die anderen drei Zweige, die an dem Punkt S1 angeschlossen sind, einleiten. War ein Strom der Stärke I vorhanden (der gesamte nach S1 übertragene Strom, der durch Z und die Anzahl der an S1 angeschlossenen Schaltungen bestimmt wird), so fließt in jeder der übertragungsleitungen 8 ein Strom der Stärke 1/3. In der übertragungsleitung 8, die mit der Anschlußschaltung N verbunden ist, fließt also ein Stromimpuls der Stärke 1/3. Fließt dieser Stromimpuls auf den Abschlußwiderstand 7, dessen Widerstandswert gleich Z ist und der somit zusammen mit dem Josephson-E lernen t JN in dessen supraleitendem Zustand eine angepasste übertragungsleitung darstellt, so wird die Energie des Stromimpulses ohne Reflexion absorbiert. Der Stromimpuls, der dann über die Verbindung 5 zur Grundplatte läuft, gelangt zum Abschnitt der Steuerleitung, wo er ein Steuerfeld für das Abfühlelement JZ erzeugt.

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Da dieses Abfühlelement JZ durch die Anwendung eines Vorstroms auf der Vorstromleitung 12 aktiviert wurde, ist nur ein kleiner zusätzlicher Strom durch den laufenden Stromimpuls erforderlich, um das Abfühlelement JZ in seinen spannungsführenden Zustand umzuschalten. Das Umschalten des Abfühlelements JZ in den spannungsführenden Zustand kann mit Hilfe wohlbekannter Vorrichtungen zur Feststellung einer Stromänderung in dem Abfühlelement JZ oder durch Überwachung des Spannungsabfalls an dem Element JZ festgestellt werden. Es ist hier noch zu beachten, daß ein Stromimpuls der gleichen Stärke an jedem anderen Abfühlelement auftaucht, das nach dem vorhergehenden mit jeder der übertragungsleitungen 8 verbunden ist. Zum Empfang der Information, die in eine andere Anschlußschaltung abgegeben wurde, genügt es, das zugehörige Abfühlelement 11 zu aktivieren, indem ein entsprechender Strom an die zugeordnete Vorstromleitung angelegt wird. Die Information kann von der Anschlußschaltung N zu dem Abfühlelement 11 der Schaltung A oder zu dem Abfühlelementen 11 einer beliebigen anderen Schaltung in genau der gleichen Weise übertragen werden, wie bei der Übertragung von der Schaltung A. Für den Fall, daß Reflexionen an dem Abschlußwiderstand 7 auftreten, wenn ein Impuls von der zugehörigen Anschlußschaltung abgegeben wird, ist festzustellen, daß diese Reflexionen den Betrieb des Netzwerks nicht stören, da jede Anschlußschaltung über ihre eigene unabhängige Stromquelle verfügt, die innerhalb gewisser Grenzen genügend Strom liefern kann, um an den Abfühlelementen 11 einen ausreichenden Signalpegel sicherzustellen. Dagegen wären Reflexionen nicht tragbar, die an den Abfühlelementen 11 auftreten; diese lassen sich jedoch durch einen angepaßten Abschlußwiderstand mit Verbindung zur Grundplatte am Ort des Empfängers vermeiden. Es ist hier zu beachten, daß alle Josephson-Elernente 3, die zu einer aktivierten Abfüh!einrichtung gehören, sich in ihrem supraleitenden Zustand befinden und damit auch der Abschlußwiderstand 7 direkt mit der Grundplatte verbunden ist. Die Doppelfunktion der Josephson-Elemente 3, einmal im Betriebszustand der Übertragung und zum andern im Betriebszustand

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des Empfangene, erlaubt den parallelen Anschluß aller Josephson-Elernente 3, ohne daß es notwendig wäre/ ein getrennt gesteuertes Element vorzusehen, das im Betriebzustand des Empfangene den Abschlußwiderstand 7 auf das Potential der Grundplatte legt, im Betriebszustand des Übertragens jedoch diese Verbindung wieder löst.

Fig. 2 trägt eine Anordnung mit zwei Leitungsebenen über einer Grundplatte oder mit einer Leitungsebene oberhalb und einer Leitungsebene unterhalb der Grundplatte; diese Anordnung macht dabei von denselben Prinzipien gebrauch, wie der Schaltkreis in Fig. 1. Einander entsprechende Elemente tragen in den Fign. 1 und 2 gleiche Bezugszeichen; soweit sich außerdem die Elemente oberhalb der Grundplatte und unterhalb der Grundplatte identisch entsprechen, tragen sie dieselben Bezugszeichen, nur wurden die Elemente unterhalb der Grundplatte gestrichen bezeichnet. Die Abgabe eines Stromimpulses von irgendeiner der Anschlußschaltungen unterscheidet sich vom Vorherigen nur dadurch, daß gleichzeitig mit einem Impuls in die übertragungsleitung 8 ein Stromimpuls mit umgekehrter Polarität in die übertragungsleitung 8¹ gegeben wird. In der Anordnung mit zwei Leiterzügen oberhalb der Grundplatte können die Stromimpulse mit entgegensetzter Polarität dadurch ausgenutzt werden, daß der Abschnitt 6' der Steuerleitung für das Abfühlelement 11, das zu der Anschlußschaltung gehört, entsprechend Fig. 2 schleifenförmig ausgebildet ist, so daß sich die beiden Ströme addieren und bezüglich des Elements 11 ein Feld erzeugen, das zweimal so groß ist, wie wenn nur eine Steuerleitung 6 vorhanden wäre. In Fig. 2 sind zwar keine expizit angegebenen Erdverbindungen enthalten, es ist jedoch klar, daß infolge der Grundplatte ein virtueller, in der Luft hängender Erdpunkt gegebenen ist, zu dem alle Gleich- und Wechselströme fließen; diese Tatsache ist bei symmetrischen ubertragungsleitungen wohlbekannt. Um dies anzudeuten, sind die äußeren Leiter der ubertragungsleitungen 8 und 8' mit einer Erdverbindung dargestellt. Die Josephson-Elernente 3 in Fig. 2 werden somit bei Abgabe eines Stromimpulses in ihren spannungsführenden Zustand umgeschaltet und stellen dann einen

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hohen Widerstand über die symmetrische übertragungsleitung dar. In der Betriebsart des Empfangene, bleiben die Elemente 3 jedoch in ihrem supraleitenden Zustand und verbinden somit die Abschlußwiderstände 7, 7* mit dem virtuellen Erdpunkt.

Für den Fall, daß das bevorzugte Ausführungsbeispiel Josephsonson-Elemente enthält, die bei tiefen Temperaturen betrieben werden müssen, können die Übertragungsleitungen, die Grundplatten und die Steuerleitungen alle aus supraleitenden Materialen, wie beispielsweise Niob hergestellt werden. Die Isolierung zwischen den Leitern und der Grundplatte kann dabei aus einem Oxid der verwendeten Metalle bestehen, beispielsweise Nioboxid. Es können aber auch Siliciumdioxid oder andere geeignete Isoliermaterialien verwendet werden. Die Abschlußwiderstände 7, 7' sollten aus Materialien gefertigt werden, die mit den supraleitenden Materialien verträglich sind und die bei der Temperatur von flüssigem Helium normalleitend bleiben. Die übertragungsleitungen, Steuerleitungen und Vorstromleitungen können andererseits auch aus Metallen hergestellt werden, die bei der Temperatur des flüssigen Helium normalleitend bleiben. Typische Josephson-Elemente und deren Verbindungsleitungen, die bei der Realisierung der vorliegenden ι Erfindung Verwendung finden können, sind im US Patent 3 758 795 \ angegeben. Ein typisches Herstellverfahren für Josephson-Elemente ; gibt das US Patent 3 849 276 an. Die Abschlußwiderstände 7, T, ' die bei der Arbeitstemperatür des Schaltkreises nicht supraleitend sein dürfen, lassen sich aus Materialien herstellen, die bei der Betriebstemperatur noch normalleitend und mit den anderen Materialien verträglich sind. Im US Patent 3 913 120 ist ein derartiges Material und ein Herstellverfahren für die Schaltkreise und ein Abschlußwiderstand angegeben.

Typische Werte für die Parameter der übertragungsleitung sind folgende:

Z_q — 10 Ohm

Leitungsbreite — 12,5 um (0,5 mil)

Oxid Dicke (SiO) — 7000 8

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE 2704839

Übertragungsnetzwerk zur Verbindung einer Vielzahl von Bausteinen mit supraleitenden Schaltungen, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) die Bausteine (A...N, Fig. 1) sind bezüglich des Netzwerks in Parallelschaltungen angeordnet,

b) jeder Baustein ist mit dem Netzwerk über ein supraleitendes umschaltbares Element (3, Fig. 1) gekoppelt,

c) jedes umschaltbare supraleitende Element ist über eine Reihenschaltung aus Abschlußwiderstand und übertragungsleitung mit einem gemeinsamen Knotenpunkt (S1 Fig. 1), für alle Ubertragungsleitungen verbunden,

d) jede Verbindungsleitung weist ein Abfühlelement (11) zur Signalerkennung auf, das zwischen supraleitendem, umschaltbarem Element und dem Abschlußwiderstand angeordnet ist.
2. übertragungsnetzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die angeschlossenen Bausteine Rechnerbausteine sind und das Netzwerk eine Datensammelleitung für den Informationsaustausch zwischen den Rechnerbausteinen in beiden Richtungen ist.
3. übertragungsnetzwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die umschaltbaren supraleitenden Koppel- Elemente Josephson-Elemente sind, deren Steuerleitung durch das Ausgangssignal des angeschlossenen Bausteins beaufschlagt wird.
4. übertragungsnetzwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Abfühlelement (11) ein Josephson-Element ist, das als Steuerleitung einen Teil (6, Fig. 1) der Verbindungsleitung vom umschaltbaren Element (3) zur übertragungsleitung (8) besitzt und das mit einer Vorstromleitung (12, Fig. 1) zur Einstellung

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der Empfindlichkeit versehen ist.
5. übertragungsnetzwerk nach einem oder mehrerer der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichent, daß jedes der Koppel-Josephson-Elemente (3) eine eigene Stromquelle mit konstanter Stromabgabe aufweist.
6. übertragungsnetzwerk nach einem oder mehrerer der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichent, daß der Abschlußwiderstand (7, Fig. 1) gleich dem Wert der charakteristischen Impedanz der übertragungsleitung (8, Fig. 1) ist.
7. übertragungsnetzwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente als Leiterzüge isoliert über einer Grundplatte ausgeführt sind.
8. übertragungsnetzwerk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterzüge aus Materialien bestehen, die bei der Arbeitstemperatur supraleitend sind, mit Ausnahme der Leiterzüge, die den Abschlußwiderstand (7) darstellen.
9. übertragungsnetzwerk nach einem oder mehrerer der An- i Sprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß an jedes umschalt-' bare supraleitende Element (3), an dessen zweiter An- ! schlußseite eine weitere Serienschaltung aus Abschluß- ' widerstand (7¹, Fig. 2) und übertragungsleitung (8¹, Fig. 2) angeschlossen ist, und daß die Ubertragungsleitungen (8') einem zweiten gemeinsamen Knotenpunkt (S1¹) zugeführt sind.
10. übertragungsnetzwerk nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitung von umschaltbarem

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supraleitendem Koppel-Element (3) und zweitem Abschlußwiderstand (7¹, Fig. 2), als zweite Steuerleitung (6¹) j für das Abfühlelement (
11, Fig. 2) ausgebildet ist und zur Verstärkung des Steuerfeldes eine schleifenförmige

' Gestalt aufweist.

■11. übertragungsnetzwerk nach Anspruch 9 oder 10, dadurch

gekennzeichnet, daß beide Serienschaltungen als voneinander isolierte Leiterzüge über einer gemeinsamen Grundplatte ausgeführt sind.
12. übertragungsnetzwerk nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterzüge zur Darstellung der ersten Serienschaltung oberhalb einer gemeinsamen Grundplatte und die Leiterzüge zur Darstellung der zweiten Serienschaltung unterhalb der gemeinsamen Grundplatte angeordnet sind.

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