DE2704840A1

DE2704840A1 - Elektronisch veraenderbarer logischer schaltkreis mit josephson-elementen

Info

Publication number: DE2704840A1
Application number: DE19772704840
Authority: DE
Inventors: Hans Helmut Zappe
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: GB1534826A; JPS617774B2; FR2366748B1; JPS533038A; IT1114764B; DE2704840C2; CA1078466A; FR2366748A1; US4097765A

Description

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504 j

Aktenzeichen der Anmelderin: YO 975 069

Elektronisch veränderbarer logischer Schaltkreis mit Josephson-Elementen

Die Erfindung betrifft eine logische Verknüpfungsschaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere mit Josephson-Elementen.

Josephson-Elemente sind für Anwendungen als Speicherzellen und als Verknüpfungsglieder in ultraschnellen logischen Schaltkreisen bekannt. Die Eigenschaften eines typischen Josephson-Elernents sind genau in dem Artikel Proceedings of the IEEE, Februar 1967, Vol. 55, Seiten 172 bis 180 beschrieben. Ein typisches logisches Verknüpfungsglied besteht danach aus einer Torschaltung (dem eigentlichen umschaltbaren Kontakt) und einer Steuerleitung, die isoliert über den Kontakt angebracht ist. Die Steuerleitung besteht normalerweise aus einem Supraleiter, wie beispielsweise Niob, Zinn oder Blei. Der Josephson-Kontakt selbst besteht aus zwei Streifen supraleitenden Materials, die sich überlappen. Im Uberlappungsbereich sind die beiden Streifen voneinander durch eine Tunnelgrenzschicht getrennt, die beispielsweise aus einem Oxid einer der beiden Supraleiter hergestellt werden kann. Die Oxidgrenzschicht weist üblicherweise eine Dicke in der Größenordnung von 10 bis 30 8 auf. Der Kontakt und die Steuerleitung werden normalerweise isoliert über einer supraleitenden Grundplatte angeordnet.

Ein Arbeitsstrom I wird durch das Element geschickt, welches in seinem supraleitenden Zustand eine Kurzschlußverbindung parallel

709881/0596

einem Ausgangswiderstand Z darstellt. Wenn die lineare Summe des EingangsStroms I den Josephson-Schwellwertstrom I unterhalb den Wert I drückt, bewirkt der Strom ein Umschalten In einen Zu-

g
stand, In dem an dem Element eine Spannung gleich oder kleiner 2A/e (2A/e = 2,5 mV für Elemente aus Blei) auftritt. Nach dem Umschalten erzeugt die Spannung V im Ausgangswiderstand einen Strom I_r, der gleich V /Z ist. Dieser Strom kann dann zur Steuerung anderer Schaltkreise verwendet werden. In den meisten Fällen bleibt das umgeschaltete Element in dem spannungsführenden (normalleitenden) Zustand und muß zum Zurücksetzen in den supraleitenden Zustand eine momentane Herabsetzung von I erfahren. Es sind aber auch schon mit Gleichstrom betriebene Schaltkreise bekannt geworden, die nicht selbstverriegelnd sind, d.h. die ohne weitere Maßnahmen wieder in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehren, ein derartiger Vorschlag stammt von W. Baechtold, "Digest of Technical Papers", I.S.S.C.C, Philadelphia, 1975, Seite 146.

Logische Schaltkreise mit selbstverriegelnden und nicht selbstverriegelnden Elementen sind im Stand der Technik bekannt. Im US-Patent 3 891 864 sind logische Schaltkreise unter Einschluß von UND-, ODER- und Inverterschaltkreisen angegeben, wobei genau die Betriebsbedingungen für die verschiedenen Arten von Josephson-Elementen beschrieben sind.

Verriegelnde UND- und ODER-Schaltkreise sind im US-Patent 3 843 895 angegeben. In beiden Patenten enthält der UND-Schaltkreis eine Mehrzahl von parallel geschalteten Josephson-Elementen, wobei jedes getrennt durch eine Steuerleitung beaufschlagt wird und alle diese Elemente durch einen Lastwiderstand überbrückt sind. In dem letztgenannten Patent besteht der ODER-Schaltkreis aus einem Paar von in Reihe geschalteten Josephson-Elementen, von denen jedes durch einen Steuerstrom getrennt aktiviert wird und beide eine Last parallel geschaltet haben.

Ahnliche Konfigurationen sind auch im IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 18, Nr. 9, Februar 1976, Seite 3128 angegeben.

YO 975 069 70 9 881/0598

-Jg-

In einem weiteren Artikel IBM Technical Disclosure Bulletin Vol. 18, Nr. 11, April 1976, Seite 3894 wird ein UND-Verknüpfungsglied angegeben, das nicht-selbstverriegelnd arbeitet. In diesem Artikel wird auch vorgeschlagen, Vorströme zu verwenden, um die nicht verriegelnden Elemente im umgeschalteten Zustand aufrechtzuerhalten, so daß bei Anlegen von Steuersignalen an jedes Element der Ausgangsstrom von der zum Element parallel liegenden Last entfernt wird. Ein derartiger Schaltkreis kann dann natürlich als Inverterkreis angesehen werden.

Im IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 18, Nr. 11, April 1976, Seite 3897 werden sowohl UND- und ODER-Schaltungen angegeben, die im nicht-selbstverriegelnden Betrieb verwendet werden können.

Im Stand der Technik sind somit verschiedene Arten von Logikkreisen mit Josephson-Elementen bekannt. Es zeigt sich aber, daß eine einzelne Schaltkreiskonfiguration bestenfalls zwei logische Funktionen realisieren kann, beispielsweise die obengenannten Funktionen UND- und NOR. Ein Schaltkreis mit mehr als zwei logischen Funktionen ist nicht bekannt, ebensowenig ein Schaltkreis der mehr als zwei logische Funktionen aufweist und dessen Ausgangssignale an einem einzigen Paar von Ausgangsklemmen abgenommen werden können.

Die vorliegende Erfindung hat sich deshalb zur Aufgabe gemacht, eine Schaltungskonfiguration mit Josephson-Elementen anzugeben, mit der eine Vielzahl von logischen Verknüpfungen der Eingangssignale verwirklicht werden können und die auf elektronischem Wege in verschiedene Betriebsweisen mit jeweils verschiedener logischer Verknüpfung umgeschaltet werden kann. Das Ausgangssignal soll dabei immer an denselben Anschlußpunkten abnehmbar sein.

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch gekennzeichnete Erfindung gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

YO 975 069 70 988 1/0595

Bei der erfindungsgemäßen Lösung handelt es sich im wesentlichen um einen elektronisch veränderbaren logischen Schaltkreis, dessen logische Ausgänge als Funktion von angelegten Steuersignalen verändert werden können. Der Schaltkreis verwendet nicht-selbstverriegelnde Josephson-Elemente und liefert wahre und komplementäre Ausgangssignale an einem Paar von Ausgangsklemmen, wenn mindestens ein Paar einer Vielzahl von Paaren bestimmter Vorströme an mehrere in Serie geschaltete Josephson-Elemente angelegt wird. Die Josephson-Elemente sind so angeordnet, daß ein wahres Ausgangssignal an einem Ausgangskreis erscheint, der parallel zu einem Paar von Josephson-Elementen liegt, während das Komplement des wahren Ausgangssignals an einem Ausgang abgenommen werden kann, der parallel zu einem mit entsprechend eingestelltem Vorstrom beaufschlagten Josephson-Element liegt, das seinerseits in Serie mit dem obenerwähnten Paar von Josephson-Elementen geschaltet ist. Das komplementäre Ausgangssignal wird erhalten, indem ein Teil des Ausgangsschaltkreises, der parallel zu dem Paar von Josephson-Elementen liegt, als Steuerleitung für das Josephson-Element verwendet wird, das in Serie mit dem Paar von Josephson-Elementen geschaltet ist. Der Strom durch diesen als Steuerleitung dienenden Teil wirkt dann in entgegengesetzter Richtung wie ein Vorstrom und hat zur Folge, daß ein vorhandenes wahres Ausgangssignal den Stromflufi in dem Ausgangsschaltkreis unterdrückt, der das komplementäre Ausgangssignal liefert; dasselbe gilt auch für den umgekehrten Fall. Außer der Erzielung von wahren und komplementären Ausgangssignalen, die auch als UND-, NAND-, ODER-, und NOR-Ausgangssignale gekennzeichnet werden können, ist es möglich, diese gleichen Ausgangssignale auch an den Klemmen für die komplementären Ausgangssignale zu erhalten, indem einfach binäre Kombinationen von Vorströmen an die beiden Vorstromleitungen gelegt werden, die zu dem logischen Schaltkreis gehören. Es ist also möglich, bei entsprechend gewählten Vorströmen die Eingangssignale in einer UND-Verknüpfung zu erhalten; für eine andere Wahl der Vorströme können dieselben Eingangssignale jedoch nach der ODER-Regel miteinander verknüpft werden. Durch einfache Veränderung der Vorströme kann also ein und derselbe Schaltkreis

975 069 7 0 9 8 8 1 / 0 5 9 β

zu verschiedenen Zeiten für die gleichen oder verschiedene Eingangssignale verschiedene logische Funktionen erfüllen. Wird eine große Anzahl derartiger Schaltkreis in einer Datenverarbeitungsanlage verwendet, so kann die spezielle Funktion eines jeden Schaltkreises von einem Zeitraster zum nächsten umprogrammiert werden, um so die Maschine in vollkommen neuer Weise zu konfigurieren und als gänzlich verschiedene Maschine erscheinen zu lassen. Eine derartige elektronische Funktionsveränderung ist insbesondere für Anwendungen auf dem Gebiet der Datensicherheit (Geheimhaltung, scrambling) von Bedeutung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 das Blockdiagramm eines elektronisch steuerbaren

logischen Schaltkreises, an dessen Ausgangeklemne Ausgangssignale verschiedener logischer Funktionen abgenommen werden können, wenn mindestens einem Paar von Eingängen Signale zugeführt werden. Durch einfache Veränderung der binären Vorströme an den Steuerklemmen des logischen Schaltkreises können die Eingangssignale entsprechend einer ODER-, NOR-, und NAND-Funktion miteinander verknüpft werden,

Fig. 2 in schematischer Darstellung einen Schaltkreis,

der die erwähnten logischen Funktionen durch einfache Änderung der Vorströae erzeugen kann, die den umschaltbaren Elementen des Schaltkrei ses zugeführt werden. Im Schaltkreis der Flg. 2 können die umschaltbaren Elemente Josephson- Elernente sein,

O69 709881/0595

Flg. 3 zeigt die Wahrheltstabelle mit der Beziehung ! zwischen den Eingangssignalen, den elektronisch

j veränderbaren Vorströmen und den Ausgangssigna

len, die an R2 erhalten werden, wenn die an den Schaltkreis von Flg. 2 angelegten Vorströme verändert werden. Aus der Tabelle ergibt sich, daß ein Ausgangssignal entsprechend einer Anzahl von gewünschten logischen Funktionen erhalten werden kann, indem einfach die an den Schaltkreis gelegten Vorströme verändert werden.

Fig. 1 zeigt das Blockdiagramm eines elektronisch steuerbaren logischen Schaltkreises, an dessen Ausgang eine Anzahl verschiedener Ausgangssignale abgenommen werden kann, die verschiedene logische Funktionen darstellen und unabhängig von den binären Signalen sind, die mindestens einem Paar von Eingangsklemmen zugeführt werden. Block 1, der in Fig. 1 auch durch 'logische Funktion" gekennzeichnet ist, soll eine beliebige Art von elektrischem Schaltkreis darstellen, in dem umschaltbare Elemente enthalten sind, der auf elektrische, ihm zugeführte Signale einwirken kann und dabei entsprechend der Schaltkreiskonfiguration in Block 1 ein Ausgangssignal erzeugt, das angibt, daß die Eingangssignale in einer bestimmten Weise logisch verarbeitet wurden. Für das Folgende sei angenommen, daß die binären Signale A, B dem Block 1 über die Leiter 3 und 4 zugeführt werden. Enthält dann der Block einen ODER-Schaltkreis, so erscheint am Leiter 5 ein Ausgangssignal, wenn ein eine binäre "1" darstellendes Signal an einen oder an beide Eingänge 3, 4 angelegt wird. Abhängig von dem gewünschten Ergebnis kann der Block 1 Schaltkreise enthalten, mit denen die logischen Funktionen UND, NAND, NOR oder auch komplexere Verknüpfungen durchgeführt werden können. Bis zu diesem Punkt entspricht die Beschreibung dem Stand der Technik. Danach wird die logische Funktion in Block 1 üblicherweise so ausgelegt, daß sie eine bestIran te logische Verknüpfung der Eingangssignale durchführt; die binären Eingangssignale können dabei verschieden sein, die logische Funktion als solche, die auf die Eingangssignale ange-

YO 975 069 70 9881/0595

~*~ 270A8A0

wendet wird, bleibt aber unverändert.

Bis zu einem gewissen Grad wurde Im Stand der Technik schon erkannt, daß die logische Funktion NOR dadurch verwirklicht werden kann, daß ein Schaltkreis In dem Zustand festgehalten wird, in dem er die UND-Funktion mit Hilfe eines Vorstromes als Anfangsbedingung erzeugt und dann Eingangssignale angelegt werden, um den Vorstrom abzuschalten. Der Stand der Technik hat also Schaltkreise zur Verfügung gestellt, die zusätzlich zur ursprünglichen logischen Funktion eine weitere logische Funktion verwirklichen konnten, und zwar insoweit, als ein einziger Vorstrom oder ein sonstiges Vorspannsignal einem Schaltkreis zugeführt wurde, um damit dessen ursprüngliche logische Funktion in eine andere logische Funktion umzuwandeln. Bei einer derart naheliegenden Realisierung ist es jedoch klar, daß zur Erzielung mehr als zweier logischer Funktionen mindestens ein weiterer Schaltkreis mit einer verschiedenen Konfiguration in Block 1 notwendig sein würde, der sowohl seine eigenen Eingangs- und Ausgangsverbindungen aufweist, als auch seine eigene Vorstromsteuerung für die logische Funktion. Es ist also keine Schaltkreisanordnung bekannt, die an einem einzigen Ausgang Signale abgeben kann, die den logischen Funktionen UND, NAND, ODER und NOR entsprechen und die einfach dadurch erzeugt werden können, daß mindestens ein Paar von Vorströmen von dem Steuerblock 6 für die logische Funktion über ein Paar von Vorstromleitungen 7 und 8 an den logischen Funktionsblock 1 in Fig. 1 angelegt werden. Fig. 1 soll nach alledem also allgemein eine Schaltkreisanordnung darstellen, die in der Lage ist, nach Anlegen von entsprechenden Vorströmen oder Vorspannsignalen zusätzlich zu einer bestimmten logischen Funktion eine Vielzahl von verschiedenen logischen Funktionen zu erfüllen.

Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung eine Schaltkreisanordnung, die bei Anlegen von binären Vorströmen Ausgangssignale erzeugt, die den logischen Funktionen UND, NAND, ODER und NOR entsprechen. Es werden somit logische Ubertragungsfunktionen auf

^{Y0 975 O69} 709881/0598

binäre Einganssignale angewandt und Ausgangssignale entsprechend dem Ergebnis der übertragungsfunktion erscheinen an den einzigen Ausgangsklemmen. In Fig. 2 sind für einander entsprechende Elemente dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet. Der gestrichelt dargestellte Block 1 in Fig. 2 enthält also einen Schaltkreis 1O, dem binäre Eingangssignale A, B über die Leiter 3 und 4 zugeführt werden und dessen Ausgang über die Leiter 5 abgenommen werden kann. Außerdem liefert der gestrichelt dargestellte Block 6 die Vorstromsteuerung für die logischen Funktionen über die Leiter 7 und 8 an den Schaltkreis 10. Der Schaltkreis 10 besteht aus einer Anzahl von stromgesteuerten umschaltbaren Elementen, beispielsweise die wohlbekannten Josephson-Elernente. Im folgenden wird die Beschreibung des Schaltkreises 10 am Beispiel von Josephson-Elementen durchgeführt und es wird angenommen, daß die zugehörigen Schaltelemente so aufgebaut sind, daß sie bei Tieftemperatüren arbeiten können. Zum Schaltkreis 10 gehört ein Paar von Josephson-Elementen 11 und 12, die in Fig. 2 auch mit J, J1 bezeichnet sind; diese Elemente sind in Reihe geschaltet und liegen parallel zu einer abgeschlossenen übertragungsleitung 13. Die übertragungsleitung 13 ist mit einem Widerstand 14 abgeschlossen, der gleich ihrer charakteristischen Impedanz 2Z ist; der Widerstand ist In Fig. 2 mit R1 bezeichnet.

Die Josephson-Elemente 11, 12 werden Über die Steuerleitungen 15 bzw. 16 gesteuert, wobei letztere ihrerseits mit den Leitern 3 bzw. 4 verbunden sind.

Fig. 2 enthält ein Josephson-Element 17 (das auch mit J2 bezeichnet ist) und das in Reihe mit den Josephson-Elementen 11 und 12 liegt. Alle diese Elemente werden von einer (nicht gezeigten) Stromquelle versorgt, die den in Fig. 2 mit dem Bezugszeichen I bezeichneten Arbeltsstrom liefert. Ein Teil 18 der abgeschlossenen Übertragungsleitung 13 ist so geführt, daß er mit dem Josephsoa-Element 17 elektromagnetisch gekoppelt ist. Der Teil 18 wird als Steuerleitung für das Element 17 verwendet. Das Josephson-Eleaent

976 069 709881/0598

'*- 270A8A0

17 ist ebenso wie die Elemente 11 und 12 parallel zu einer abgeschlossenen übertragungsleitung 19 geschaltet. Die übertragungsleitung 19 ist mit einem Widerstand 20 abgeschlossen, der gleich der charakteristischen Impedanz 2Z der übertragungsleitung 19 ist und in Fig. 2 mit R2 bezeichnet wird. Ein Paar von Vorstromleitern 21, 22 die elektromagnetisch gekoppelt mit den Josephson-Elementen J bzw. J1 und J2 sind, werden von den Vorstromquellen

23 bzw. 24 über die Leiter 7 bzw. 8 versorgt. Die Vorstromquellen 23, 24 sind in Fig. 2 auch als Vorstrom 1 bzw. Vorstrom 2 bezeichnet und jede kann einen Strom liefern, der in dem zugehörigen Vorstromleiter einen binären Charakter hat. Die Vorstromquellen 23/

24 können also Vorströme liefern, die einer binären "1" und einer binären "0" entsprechen. Später wird sich ergeben, daß die Art der Ausgangssignale vom Schaltkreis 10 ausschließlich durch die Natur der binären Vorströme bestimmt wird, die von den Stromquellen 23,

24 schließlich an die Steuerleitungen 15 und 16 gelangen. Bei den Stromquellen 23, 24 kann es sich um jede Art von gepulsten Stromquellen handeln, die zwei verschiedene Stromstärken erzeugen können; diese beiden Stromstärken können beispielsweise durch das Vorhandensein einer bestimmten Stromstärke und das Fehlen eines Stromes dargestellt sein. In Fig. 2 sind die Quellen 23, 24 mit dem Block

25 verbunden dargestellt, der als Steuerung für den Vorstrom bezeichnet ist. Bei der Steuerung für den Vorstrom 25 kann es sich dabei um einen programmierbaren Auslösekreis handeln, wie er üblicherweise auf dem Gebiet der Elektronik verwendet wird und der in der Lage ist, die Vorstromquellen 23, 24 so einzustellen, daß zu jedem gegebenen Zeitpunkt Strompegel entsprechend "1" und "0" über die Leiter 7 bzw. 8 auf die Vorstromleiter 21 bzw. 22 gegeben wer- ; den können. Für die meisten Anwendungen werden dabei im Normalfall die Vorströme während relativ langer Zeiträume an den Schaltkreis 10 angelegt werden. In Anwendungen betreffend Datensicherheit und Datenzerhackung können die Vorstrompegel jedoch auch mit sehr hoher Geschwindigkeit verändert werden. Den abgeschlossenen Übertragungsleitungen 13 und 19 ist ein Paar von Josephson-Elementen

26 bzw. 27 zugeordnet, die auch mit J3 bzw. J4 bezeichnet sind. Die übertragungsleitungen 13 und 19 wirken als Steuerleiter

YO 975 069 70988 1/0596

-Vd-

für die Elemente 26 bzw. 27. Die Josephson-Elemente 26, 27 zeigen das Vorhandensein oder die Abwesenheit von Strom In den zugeordneten abgeschlossenen Ubertragungsleltungen 13 bzw. 19 an. Das Umschalten eines der Elemente 26, 27 stellt den Abfühlvorgang für die Information In der üblich bekannten Welse dar.

Die Elemente J bis J4 können aus jedem der wohlbekannten Arten von Josephson-Elementen bestehen, es kann aber auch jedes dieser Elemente seinerseits aus mehreren Josephson-Elementen in einer sogenannten Interferometer-Anordnung bestehen. Außerdem sind alle Verbindungsleitungen, wie z.B. die Übertragungsleitungen 13, 19, die Steuerleiter 15, 16 und die Vorstromlelter 21, 22 aus Materialien hergestellt, die bei der Temperatur von flüssigem Helium (ungefähr 4,2 Kelvin) supraleitend sind. Die Übertragungsleitungen können aber auch aus Metallen bestehen, die bei derartigen Temperaturen noch normalleitend sind. Typische Josephson-Elemente und deren Verbindungen die zum Aufbau der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind Im US-Patent 3 758 795 beschrieben. Ein typisches Herstellverfahren für Josephson-Elemente ist im US-Patent 3 849 276 angegeben. Widerstandsbehaftete Abschlüsse 14 und 20, die bei der Betriebstemperatur des Schaltkreises nicht supraleitend sein dürfen, können aus kompatiblen Materialien hergestellt werden, die bei der gewünschten Betriebstemperatur noch normalleitend sind. Das US-Patent 3 913 120 nennt ein Material und ein Herstellungsverfahren für eine Schaltung und einen Abschlußwiderstand, wie er hier erforderlich ist.

Die Josephson-Elemente der Schaltung 10 befinden sich in dem typischen supraleitenden Zustand ohne Spannungsabfall, wenn ein Strom I , der kleiner als ein bestimmter Maximalwert ist,angelegt wird und in einem normalleitenden, spannungsbehafteten oder umgeschalteten Zustand, wenn der angelegte Strom diesen Maximalwert überschreitet; ein Umschalten kann auch beim gleichen Wert von I erfolgen, wenn mit Hilfe einer zugeordneten Steuerleitung der Maximalstrom herabgesetzt wird, bei dem das Element in seinen normalleitenden Zustand umschaltet. Die EIe-

YO 975 069 70 9881/0596

270A8A0

mente des Schaltkreises 10 unterscheiden sich in ihrem Betrieb also in keiner Weise von den üblichen Elementen. Außerdem sind die Elemente infolge des Werts der Widerstände R1 und R2 in bekannter Weise selbst zurücksetzend, d.h. sie kehren nach dem Umschalten in den supraleitenden Zustand zurück, ohne daß es nötig wäre, den Arbeitsstrom auf Null herabzusetzen.

Die Arbeitsweise der elektronisch änderbaren nicht selbstverriegelnden logischen Schaltkreise der vorliegenden Erfindung wird nun anhand der Fign. 2 und 3 näher beschrieben. Fig. 3 ist eine Wahrheitstabelle in der die Beziehung zwischen folgenden Größen angegeben sind: den Eingangssignalen, den elektronisch veränderbaren Vorströmen und den Ausgangssignalen, die erhalten werden, wenn die an den Schaltkreis von Fig. 2 angelegten Vorströme geändert werden. Zuerst soll der Schaltkreis 10 in dem Zustand betrachtet werden, in dem auf den Vorstromleitungen 21 und 22 keine Ströme fließen und auf den Steuerleitern 15 und 16 Signale vorhanden sind, die einer binären "0" entsprechen. Unter diesen Bedingungen und der weiteren Annahme, daß in den Elementen J, J1 und J2 ein Strom I fließt, befinden sich alle diese Elemente in ihrem supraleitenden Zustand. Durch jedes der Josephson-Elemente fließt somit der Strom I und an keinem der Abschlußwiderstände R1 , R2 kann ein Strom erscheinen. Jetzt soll der Pegel "0" der Vorströme in den Stromquellen 23, 24 beibehalten werden und an den Steuerleiter 15 ein Signal entsprechend einer binären "1", an den Steuerleiter 16 ein Signal entsprechend einer binären "0" angelegt werden; diese Signale sind in Fig. 2 und Fig. 3 auch mit Eingang A bzw. Eingang B bezeichnet. Unter diesen Umständen wird infolge der Herabsetzung des Maximalstroms für das Umschalten von Josephson-Element 11 unterhalb den Wert I durch die Anwesenheit eines Eingangssignals A auf dem Steuerleiter 15 das Josephson-Element 12 in den normalleitenden Zustand umschalten und dann einen hohen Widerstand für den Strom I darstellen, der deshalb in die übertragungsleitung 13 und den Abschlußwiderstand 14 abgelenkt wird. Der abgelenkte Strom, der in der übertragungsleitung 13 fließt, gelangt auch durch den Teil 18 dieser Leitung

YO 975 069 ? D 9 8 8 1 / 0 5 9 B

is
~**~ 270Α840

und bewirkt das Umschalten vom Element J2, das seinerseits den Strom I In die Übertragungsleitung 19 und den Abschlußwiderstand R₂ ablenkt. Wie früher schon festgestellt, wirkt nähmlich der Teil 18 der Übertragungsleitung 13 als Steuerleiter für das Josephson-Element J2. An den Übertragungsleitungen 13 und 19 erscheint also ein Ausgangssignal das in der Lage ist, die zugehörigen Abfühlelemente J3 und J4 als Folge des Anlegens eines einzelnen Eingangssignals an das Element J1 umzuschalten. Legt man an den Steuerleiter 16 ein Signal binär "1" und an den Steuerleiter 15 ein Signal binär "0" so ergibt sich eine ähnliche Betriebsweise und ähnliche Ausgangssignale. Auch wenn die Eingangssignale A und B beide binär "1" sind, ändert sich am Betrieb nichts und an den Abfühlelementen J3, J4 erscheinen ähnliche Ausgangssignale.

Die übertragungsfunktion oder die logische Funktion des Schaltkreises 10 kann durch sein Verhalten bezüglich der angelegten Eingangssignale bestimmt werden. Ergibt sich ein Ausgangssignal, wenn eine binäre "1" an den Eingang A oder den Eingang B oder beide Eingänge A und B angelegt wurde, so stellt dies die klassische Definition einer ODER-Funktion dar; diese Funktion ist also verwirklicht, wenn an die Vorstromleiter 21, 22 keine Vorströme angelegt sind.

Untersucht man das Verhalten des Schaltkreises 10, wenn binäre Vorströme "1" von den Quellen 23, 24 an die Leiter 21 bzw. 22 angelegt werden, so stellt man fest, daß dann der Schaltkreis die UND-Funktion darstellt wenn die Eingänge A und B mit den in Fig. 3 gezeigten vier Möglichkeiten an die Steuerleiter 15 bzw. 16 angelegt werden. Sind die Vorstromleiter 21, 22 mit binären "1" Strompegeln beaufschlagt und liegen an den Eingängen A und B Signale entsprechend binär "0" so befinden sich die Elemente J, JI Im normalleitenden Zustand während das Element J2 im supraleitenden Zustand ist. J2 befindet sich im supraleitenden Zustand, da der Vorstrom auf dem Leiter 22 durch den in Teil 18 fließenden Strom aufgehoben wird. Der letztgenannte Strom er-

YO 975 069 70988 1 /0596

gibt sich aus der Ablenkung des Stroms In die übertragungsleitung 13 durch die umgeschalteten Elemente J, J1 als Ergebnis des Vorstroms mit binär "1" auf dem Vorstromleiter 21. Das Abfühlelement J 4 bleibt also im supraleitenden Zustand, während das Abfühlelement J3 infolge des Vorhandenseins von Strom in der übertragungsleitung 13 in den normalleitenden Zustand umgeschaltet ist. Da keine Eingangssignale an den Elementen J, J1 anliegen, ergibt sich auf der übertragungsleitung 19 und dem Abschlußwiderstand R2 kein Ausgangssignal,während in der übertragungsleitung 13 und dem Abschlußwiderstand R1 ein Ausgangssignal erscheint. Die wahren Eingangssignale sind somit an R2 abgreifbar, die Komplemente der Eingangssignale sind an R1 vorhanden. Eine der eben beschriebenen ähnliche Arbeitsweise des Schaltkreises ergibt sich, wenn die binären Eingangssignale 1,0 und 0,1 als Eingänge A bzw. B den Steuerleitern 15 bzw. 16 zugeführt werden. Weisen jedoch beide Eingänge A und B den Binärwert "1" auf, so reichen beide aus, um den an den Vorstromleiter 21 angelegten Vorstrom aufzuheben. Der Strom wird aus diesem Grund erneut zu den Elementen J, J1 zurückgelenkt und der an Element J2 über den Teil 18 angelegte Vorstrom aufgehoben, so daß Element J2 als Folge des Vorhandenseins einer binären "1" auf dem Vorstromleiter 22 in den normalleitenden Zustand umschaltet. Der Strom I wird in die übertragungsleitung 19 und den Widerstand R2 abgelenkt und zwar als Folge des ümschaltens von J2 in den normalleitenden Zustand. Das Vorhandensein von Strom in der übertragungsleitung 19 schaltet das Abfühlelement J4 um. Zur gleichen Zeit ist infolge fehlenden Stroms in der übertragungsleitung 13 das Abfühlelement J3 in den supraleitenden Zustand zurückgekehrt. Das Ausgangssignal wurde dabei am Widerstand R2 abgenommen und zwar als nicht invertiertes Signal der Eingangssignale A und B, während das Komplement derselben Eingangssignale am Ausgang R1 erscheint. Aus Fig. 3 ergibt sich« daß die Ubertragungs- oder logische Funktion die klassische Definition eines UND-Schaltkrelses erfüllt. Solange also nicht beide Eingänge A und B vorhanden sind, erscheint an R2 kein Ausgang und nur für den Fall, daß beide Eingänge vorhanden sind, kann an R2

Yo 975 069 70988 1/0596

27Ü4840

ein Ausgangssignal abgenommen werden. Durch einfaches Anlegen verschiedener Vorströme an eine gegebene Schaltkreisanordnung kann also die übertragungs- oder logische Funktion dieses Schaltkreises geändert werden.

Als weiteres Beispiel sollen an den Schaltkreis von Fig. 2 mit den Vorstromleitern 21 bzw. 22 über die Stromquellen 23, 24 Vorstrompegel "0" und "1" angelegt werden. Werden unter diesen Bedingungen die beiden Eingänge A und B mit binären "0" beaufschlagt, so bleiben die Elemente J, J1 im supraleitenden Zustand und es wird kein Strom an den Abschlußwiderstand R1 abgelenkt. Infolge des Strompegels binär "1" an Leiter 22 schaltet jedoch das Element J2 um und liefert einen Strom I an den Abschlußwiderstand R2. Das umschalten von J2 folgt, da ein Strom im Vorstromleiter 22 fließt, jedoch kein Strom im Teil 18 der Übertragungsleitung 13. Somit schaltet das Element J4 um, während das Element J3 nicht umschaltet. Die Abwesenheit eines Eingangssignals A, B führt also zu einem Ausgangssignal bei R2 und legt damit die Möglichkeit einer NOR- oder NAND-Funktion für die Eingangssignale nahe. Es sollte auch hier darauf geachtet werden, daß an R2 das wahre, nicht invertierte Signal erscheint, während das Komplement des Signals an R1 erscheint.

Bei gleicher Wahl der Vorströme ergeben sich bei binären Eingängen 1,0 und 0,1 und 1,1 am Widerstand R2 die Ausgangssignale ¹¹O", am Widerstand R1 dagegen die Ausgangssignale "1". Empfangen beide Eingänge A und B eine binäre "1", so sind ersichtlich beide Elemente J und J1 umgeschaltet und lenken Strom in den Teil 18 ab, der zusammen mit Vorstrom 2 ein resultierendes Steuerfeld "Null" am Element J2 ergibt. Das Element J2 kehrt also in den supraleitenden Zustand zurück und der Strom wird von der Übertragungsleitung 19 in dieses Element zurückverlagert. Dasselbe ergibt sich mit den übrigen beiden Eingangssignal-Kombinationen. Für die Ausgangssignale am Widerstand R2 ist damit die klassische Definition eines NOR-Schaltkreises erfüllt. Ist das eine, das andere oder sind beide Eingangssignale binär "1", so erscheint am Widerstand R2

YO 975 069 70 9881/0595

kein Ausgangssignal. Wiederum kann durch alleiniges Ändern der Vorströme eine vollkommen verschiedene logische Funktion für die Eingangssignale erzeugt werden.

Mit der letzten noch ausstehenden Kombination von Vorströmen, 1,0 auf den Vorstroinleitern 21 bzw. 22 kann am Ausgang R2 die NAND-Funktion nachgewiesen werden. Mit einer binären "1" auf dem Leiter 21 und binär "0" für die Eingänge A und B befinden sich die Elemente J, J1 im normalleitenden Zustand und der Strom wird in die übertragungsleitung 13 und deren Teil 18 abgelenkt. Da der Vorstrom auf dem Leiter 22 den Binärpegel "0" aufweist, wird das Element J2 infolge des Stromflusses in Teil 18 zum normalleitenden Zustand umgeschaltet, um damit Strom in den Abschlußwiderstand R2 abzulenken, der seinerseits das Abfühlelement J 4 in den normalleitenden Zustand umschaltet. Da die Anwesenheit von nur einem binären Eingangssignal bei den Eingängen A und B zur Kompensation des Vorstroms im Leiter 21 nicht ausreicht, bleibt eines der Elemente J oder J1 im normalleitenden Zustand und es erscheint am Abschlußwiderstand R2 für die Binäreingänge 1,0 und 0,1 in gleicher Weise wie oben beschrieben ein Ausgangssignal. Sind jedoch die Binäreingangssignale am Eingang A und B beide auf dem Wert binär "1" so wird der Vorstrom auf dem Leiter 21 kompensiert und die Elemente J, J1 kehren in den supraleitenden Zustand zurück. Dann erscheint aber kein Strom im Teil 18 der übertragungsleitung 13 und das Element J2 kehrt bei Abwesenheit eines Vorstroms im Leiter 22 in den supraleitenden Zustand zurück. Sind also beide Eingänge A und B mit Signalen beaufschlagt, die binär "1" entsprechen, so erscheint am Abschluß R2 kein Ausgangssignal. Damit ist die übliche Definition einer NAND-Funktion erfüllt, bei der nur dann ein Ausgangssignal erscheint, wenn beide Binäreingänge nicht vorhanden sind, nicht aber wenn, das eine oder das andere oder beide Eingangssignale vorhanden sind.

Wenn die Eingangssignale der logischen Funktion NAND unterworfen werden, ist zu beachten, daß an den Abschlüssen R1 und R2 beides-

^{yo 975 O69} 709881/0596

" is " ^704840

mal dieselben Ausgangssignale erscheinen und somit In diesem Fall nicht gleichzeitig das wahre und das komplementäre Signal zur Verfügung stehen. Dasselbe gilt auch in dem Fall der logischen Funktion ODER, obwohl dies früher nicht ausdrücklich gesagt wurde. Es stehen jedoch Ausgangssignale aller vier logischen Funktionen zur Verfügung, da nach dem obengesagten bei der Anwendung der UND- und NOR-Funktionen der wahre (nicht invertierte) Ausgang an R2 erscheint, das Komplement der Signale aber an R1. Wenn sowohl die wahren als auch die komplementären Ausgangssignale zur Verfügung stehen, ist entweder J2 oder sowohl J und J1 im normalleitenden Zustand, wodurch sich an den in Reihe geschalteten Josephson-Elementen ein im wesentlichen konstanter Spannungsabfall einstellt. Da die fraglichen Elemente aufgrund des Werts der Abschlußwiderstände R1, R2 sich selbst zurücksetzen, so daß jedes der Elemente auf eine Spannung unterhalb der Lückenspannung zurückschaltet, ergibt die Anordnung von zwei Elementen in Reihe, nicht wie zu erwarten den doppelten Spannungsabfall eines Elements; beim Umschalten eines Paares oder mehrerer Elemente ergibt sich tatsächlich nur ein Spannungsabfall, der nur wenig größer ist als der Spannungsabfall an einem einzelnen Element. Das Umschalten eines Elements :i.n den normal leitenden Zustand unter gleichzeitiger Beibehaltung der supraleitenden Zustände anderer Elemente und umgekehrt ergibt somit einen im wesentlichen konstanten Spannungsabfall über diese Gruppe von Elementen und man erhält eine Stromregelung. Diese Regelung wird in dem Schaltkreis erzielt, wenn die UND- und NOR-Funktionen ausgeführt werden. Für die ODER- und NAND-Funktionen kann ein zusätzliches in Fig. 2 gestrichelt dargestelltes Josephson-Element 28 mit zugehöriger Vorstromleitung 29 in Reihe mit den Elementen J, J1 und J2 geschaltet werden. Teil 18 der übertragungsleitung 13 kann entsprechend der gestrichelten Darstellung in Fig. 1 um den Teil 18' zur Steuerung des Elements 28 in gleicher Weise wie Element J2 verlängert werden. Das zusätzliche Element 28 kann dann bezüglich der Elemente J, J1 und J2 in umgekehrter Richtung durch Anlegen von entsprechend zeitlich gesteuerten Vorströme auf die Leitung 29 und Teil 18* gesteuert werden.

^YO975069 709881/0595

Der bisher am Beispiel von zwei Eingangssignalen dargestellte Sachverhalt läßt sich ohne weiteres auf Schaltungen mit mehr als zwei Eingangssignalen erweitern. Die Hinzufügung von mehr Eingangssignalen ändert die Übertragungsfunktion, der diese Signale unterworfen werden nicht, da die Funktion unabhängig von der Zahl der Eingangssignale ist.

^{Y0 975 O69} 709881/0596

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Logische Verknüpfungsschaltung mit stromgesteuerten Umschalte lementen, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) eine Reihenschaltung von umschaltbaren Elementen (11, 12, bzw. J, J1 Fig. 2) mit jeweils einer ersten Steuereinrichtung (15, 16) zum Anlegen des Eingangssignals (A, B) und einer allen Elementen gemeinsamen zweiten Steuereinrichtung (21),

b) ein mit der Reihenschaltung in Reihe geschaltetes weiteres Umschaltelement (17, bzw. J2) mit einer dritten (18) und einer vierten (22) Steuereinrichtung,

c) einer ersten parallel zur Reihenschaltung liegenden abgeschlossenen übertragungsleitung (13, 14), deren einer Teil (18) mit der dritten Steuereinrichtung des weiteren Umschaltelements elektromagnetisch gekoppelt ist und die eine zugeordnete Abfühleinrichtung (26 bzw. J3) enthält,

d) einer zweiten, parallel zum weiteren Umschaltelement liegenden abgeschlossenen Übertragungsleitung (19, 20) mit zugeordneten Abfühlelementen (27 bzw. J4),

e) Einrichtungen (23, 24, 25) zur Beaufschlagung der zweiten Steuereinrichtung (21) und der vierten Steuereinrichtung (22) mit Steuersignalen zur elektronischen Änderung der logischen Funktion der Verknüpfungsschaltung .
2. Verknüpfungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stromgesteuerten Umschaltelemente Josephson-Elernente des nicht-selbstverriegelnden Typs sind.
3. Verknüpfungsschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtungen der Josephson-Elemente Steuerleitungen sind, die über dem aktiven Bereich der Josephson-Kontakte angeordnet sind.

975 069 7 0 9 8 81/0595

^fP
4. Verknüpfungsschaltungen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplung zwischen erster übertragungsleitung (13) und dritten Steuerleitungen (18) des weiteren Josephson-Elements eine galvanische ist.
5. Verknüpfungsschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (23, 24, 25) zur Beaufschlagung der zweiten und vierten Steuerleitung voneinander unabhängig steuerbare Quellen konstanten Stroms sind.
6. Verknüpfungsschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Quellen konstanten Stroms (23, 24) ihrerseits durch eine Steuerschaltung (25) zeitlich gesteuert werden.
7. Verknüpfungsschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzliches, in Reihe zum weiteren Umschaltelement geschaltetes Umschaltelement (28) vorgesehen ist, das zwei Steuereinrichtungen (18¹, 29) aufweist, deren eine (18¹) elektro-magnetisch gekoppelt mit der ersten übertragungsleitung (13, 14) ist, deren andere Steuereinrichtung frei steuerbar ist, wobei das zusätzliche Umschaltelement zur Erzeugung eines konstanten Spannungsabfalls der gesamten Reihenschaltung von Umschaltelementen dient.
8. Verknüpfungsschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch Beaufschlagen der zweiten Steuereinrichtung (21) mit dem Binärwert "O" und der vierten Steuereinrichtung (22) mit dem Binärwert "1" am Abfühlelement der ersten übertragungsleitung (26, J3) die logische Funktion NOR, am Abfühlelement der zweiten übertragungsleitung (27, J4) die logische Funktion ODER verwirklicht ist.

^{Y0 975 O69} 709881/0598

270A840
9. Verknüpfungsschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch Anlegen von binären Steuersignalen "1" an die zweite und vierte Steuereinrichtung am Abfühlelement der ersten übertragungsleitung die logische Funktion NAND, am Abfühlelement der zweiten übertragungsleitung die logische Funktion UND verwirklicht ist.
10. Verknüpfungsschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch Anlegen der binären Steuersignale 0" an die zweite und vierte Steuereinrichtung am Abfühlelement der ersten und zweiten übertragungsleitung (27, J4) die logische Funktion ODER verwirklicht ist.
11. Verknüpfungsschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch Anlegen des binären Steuersignals "1" an die zweite Steuereinrichtung und des binären Steuersignals "0" an die vierte Steuereinrichtung am Abfühlelement der ersten und zweiten übertragungsleitung (27, J4) die logische Funktion NAND verwirklicht ist.
12. Verknüpfungsschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (25) zeitlich schnell wechselnde VorStromsignale erzeugt und die Verknüpfungsschaltung als Element einer Datensicherungseinrichtung Verwendung findet.

^{Y0 975069} 709881/0595