CH620805A5 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verbindungsnetzwerk für Datenübertragungsleitungen mit sternförmigem Anschluss der Leitungen an eine oder mehrere Sammelleitungen. Im beschriebenen Netzwerk finden supraleitende Elemente Verwendung.

Ein typischer Anwendungsfall ist in einem Computersystem gegeben, in dem zwischen der Zentraleinheit und anderen Einheiten, wie z. B. einem Festwertspeicher, wahlweise Zweiwegverbindungen erstellt werden müssen. Zweckmässigerweise ' finden hierbei Sammelleitungen Verwendung, an die alle zu verbindenden Einheiten angeschlossen sind.

' Bekannte Anordnungen verwenden bereits eine Datensammelleitung, an die eine Vielzahl von Einheiten, beispielsweise Eingangs-und Ausgangsgeräte, angeschlossen sind. Die Daten werden gewöhnlich in Form von Änderungen eines Spannungspegels auf die Datensammelleitung gegeben, wie sie bei Verwendung von Schaltkreisen mit bipolaren Transistoren oder Feldeffekttransistoren gebildet werden. Alle Leitungen, die an die Datensammelleitung angeschlossen sind, empfangen die gleiche Spannung. In solchen Systemen stellen die Impedanzanpassung, die Leitungslänge und der richtige Leitungsab-schluss keine schwierigen Konstruktionsprobleme. Sie können jedoch nicht ohne weiteres dort eingesetzt werden, wo die Information in Form von Stromänderungen dargestellt ist. Dies ist beispielsweise bei Verwendung von supraleitenden Bauelementen der Fall. Dort werden die Impedanzanpassung, die Reflektionen von Signalen und der richtige Leitungsabschluss kritisch.

Hier liefert die vorliegende Erfindung eine Lösung. Sie beschreibt ein den besonderen Erfordernissen angepasstes, technisch einfach zu realisierendes Netzwerk, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Datenübertragungsleitungen jeweils über ein supraleitendes, umschaltbares Koppelelement sowie über eine Steuerleitung, einen Abschlusswiderstand und eine Übertragungsleitung mit der den Datenübertragungsleitungen gemeinsamen Sammelleitung verbunden sind, und dass jede der genannten Steuerleitungen mit einem der Signalerkennung dienenden Abfühlelement gekoppelt ist.

Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, dass bei mit einem geeigneten Widerstand abgeschlossenen Übertragungsleitungen keine störenden Signalreflektionen auftreten, und dass die Anzahl der an eine Sammelleitung anschliessbaren Einheiten praktisch keiner Beschränkung unterliegt. Die Sammelleitungsanordnung nach der vorliegenden Erfindung erlaubt dabei einen echten Zweiwegdatenaustausch zwischen den angeschlossenen Einheiten. Die hohe Arbeitsgeschwindigkeit von Schaltungen mit Joseph-sonelementen in der Grössenordnung von einigen 10 ps kann dabei voll ausgenutzt werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemässen Netzwerks, bei dem eine allen Datenleitungen gemeinsame Sammelleitung Verwendung findet, und

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels, das zwei Sammelleitungen aufweist.

In Fig. 1 ist ein Netzwerk zur Verbindung von Datenübertragungsleitungen, im weiteren auch kurz Anschlüsse genannt, dargestellt. Es kann dazu dienen, Einheiten, Schaltkreise oder Elemente eines Computersystems miteinander zu verbinden. Datensignale, die auf einem der Anschlüsse A-N eintreffen, werden über eine Zweiwegverbindung an anderen Anschlüssen zugeordneten Empfangsstationen weitergeleitet. Letztere werden durch Abfühlelemente 11 und daran anschliessende Schaltungen gebildet.

Die Arbeitsweise der Anordnung wird anhand einer zwischen den Anschlüssen A und N gewünchten Verbindung erläutert. Zu den Referenznummern der diesen Anschlüssen zugeordneten Elemente wurden zum besseren Verständnis jeweils die Buchstaben A beziehungsweise N hinzugefügt.

Die ganze Schaltanordnung der Fig. 1 ist in einer einzigen Leitungsebene über einer leitenden Grundplatte ausgeführt, die ihrerseits auf eine Substratplatte aufgebracht ist.

Im Ausführungsbeispiel enden die Datenübertragungsleitungen in Steuerleitungen 2, die mit zugeordneten Josephson-elementen 3 gekoppelt sind. Diese Josephsonelemente werden von voneinander unabhängigen Stromquellen Ig über Strombegrenzerwiderstände 4 versorgt und sind über Erdverbindungen 5 an Masse gelegt. Parallel zu den Josephsonelementen liegt jeweils die Reihenschaltung einer Steuerleitung 6, eines Abschlusswiderstandes 7 sowie einer Übertragungsleitung 8. Letztere ist schematisch durch den Abschnitt eines Koaxialkabels angedeutet. Dieses weist den Wellenwiderstand Z0 auf, der eine Funktion des Abstandes zwischen dem Leiter und der Grundplatte, der Dielektrizitätskonstante des Isoliermaterials sowie der Dimensionen des Leiters ist. Anstelle des Koaxialkabels kann jedoch vorzugsweise eine Übertragungsleitung Verwendung finden, die aus einem dünnen Leiter besteht, der, durch eine Isolierschicht getrennt, auf die leitende Grundplatte aufgebracht ist Bei Verwendung von Josephsonelementen bestehen die Grundplatte und der Leiter gewöhnlich aus supraleitenden Materialien, wie z. B. Niob. In Fig. 1 sind die Abschlusswiderstände 7 mit dem Innenleiter des Koaxialkabels 8 verbunden, dessen äusserer Leiter der leitenden Grundplatte entspricht, die an Masse gelegt ist. Von jeder der Übertragungsleitungen 8 gehen Leitungen 9 aus, die alle zu einem gemeinsamen Knotenpunkt, der Sammelleitung 1, geführt sind. Klarheitshalber sind zwar die Leitungen 9 als separate Leiter dargestellt, in Wirklichkeit sind sie jedoch Teil der dünnen Leiter, die die Leitung 8 bilden. Auch der Knotenpunkt 1 ist von der leitenden Grundplatte isoliert.

Den Steuerleitungen 6 sind jeweils Abfühlelemente 11 zugeordnet, deren Aufbau dem der Josephsonelemente 3 ähnelt. Sie sind in bekannter Weise mit Abfühlverstärkern oder anderen an sich bekannten Schaltkreisen verbunden, die zum

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Empfang übermittelter Daten dienen. Neben der Steuerleitung 6 ist jedem Abfühlelement 11 eine Kontrollstromleitung 12 zugeordnet, mit der das zugehörige Abfühlelement 11 selektiv so eingestellt werden kann, dass dieses nur auf Stromimpulse reagiert, die von andern als dem benachbarten Anschluss geliefert werden. Die Leitung 12 kann beispielsweise mit einer Impulsstromquelle verbunden sein, die, dem allgemeinen Taktschema der Anordnung entsprechend, den Leitungen 12 in geeigneter Weise Freigabesignale zuführen.

In Fig. 1 sind nur die Anschlüsse A und N mit ihren zugeordneten Elementen, Abschlusswiderständen und Leitungen genauer dargestellt und bezeichnet. Es ist jedoch festzuhalten, dass auch die auf der rechten Seite der Fig. 1 gezeichneten Datenleitungen entsprechende Anschlussschaltungen, Elemente und Leitungen aufweisen, und dass mit diesen ebenso Zweiwegverbindungen erstellt werden können. Weiterhin ist zu beachten, dass eine fast beliebig hohe Anzahl von Leitungen an den Knotenpunkt 1 angeschlossen werden kann. Die maximale Anzahl ist nur durch Überlegungen praktischer Art beschränkt, wie beispielsweise die Stärke des verfügbaren Stroms und die Empfindlichkeit der Abfühlelemente 11.

Als Beispiel soll der Fall betrachtet werden, dass ein Stromimpuls, der einen binären Datenwert darstellt, über den Anschluss A eintrifft und dieser Datenwert an das Abfühlelement 1 IN geleitet werden soll, dass dem Anschluss N zugeordnet ist. Das Verteilungsnetzwerk arbeitet dann in folgender Weise: Im Ruhezustand, wenn keine Binärinformationen an irgendeinen der Anschlüsse gegeben werden, befinden sich die Josephsonelemente 3 in ihrem supraleitenden Zustand. Dies als Folge des durch sie fliessenden Arbeitsstroms, der von den Stromquellen Ig geliefert wird. Der Ruhestrom liegt unter dem maximalen Josephsonstrom der Elemente 3, d. h. es tritt kein Spannungsabfall auf, wenn das Element 3 bei oder in der Nähe der Temperatur von flüssigem Helium betrieben wird. Überschreitet der durch die Elemente 3 fliessende Strom jedoch den genannten Maximalwert oder wird der Maximalwert durch Anlegen eines Konstrollstroms an eine zugehörige Steuerleitung herabgesetzt, so schalten die Elemente 3 in den Spannungszustand, d. h. an den Elementen erfolgt ein Spannungsabfall. In der in Fig. 1 gezeigten Anordnung dienen die Enden 2 der Anschlussleitungen als Steuerleitungen für die Elemente 3. Ihnen zugeführte Ströme setzen den Wert des maximalen Josephsonstroms der betreffenden Elemente 3 herab.

Bei einem Übertragungsvorgang zwischen den Anschlüssen A und N wird ein Strom, der einen binären Datenwert darstellt, auf die Steuerleitung 2A gegeben. Das von diesem Strom erzeugte Magnetfeld durchdringt das Josephsonelement 3A, wodurch der Wert des maximalen Josephsonstroms unter den des Ruhestroms herabgesetzt wird, so dass das Element 3A in seinem Spannungszustand schaltet. Dieses Umschalten des Elements 3A wirkt wie das Einschalten eines Widerstandes in den Stromkreis und der Strom wird über die Steuerleitung 6A und den Abschlusswiderstand 7A in die Übertragungsleitung 8A umgeleitet. Dieser abgelenkte Strom fliesst solange das Stromsignal an den Anschluss A und damit an die Steuerleitung 2A angelegt bleibt. Danach fliesst der Strom wieder durch das Josephsonelement 3A, vorausgesetzt, es handelt sich um ein automatisch zurücksetzendes und nicht um ein selbst verriegelndes Element. Ist das Josephsonelement 3A selbstverriegelnd, muss der Strom zunächst auf einen Wert unterhalb eines Minimalwertes reduziert werden, um die Ablenkung des Stroms in die Übertragungsleitung 8A aufzuheben. Auf jeden Fall durchläuft ein Stromimpuls zuerst den Abschlusswiderstand 7A und dann die Übertragungsleitung 8A mit der Impedanz Z0 bis er beim Knotenpunkt 1 anlangt. Da hier eine Impedanzänderung auftritt, wird ein Teil der Energie des Stromimpulses reflektiert, jedoch im Abschlusswiderstand 7A absorbiert. Am Knotenpunkt 1, an den im vorliegenden Beispiel nur

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vier Übertragungsleitungen angeschlossen sind, wird der vom Anschluss A ausgehende Stromimpuls in Teilströme aufgeteilt, die in die drei anderen am Punkt 1 angeschlossenen Leiterzweige einfliessen. War ein Strom der Stärke I vorhanden (der gesamte nach 1 übertragende Strom), so fliesst in jede dieser drei Übertragungsleitungen 8 ein Strom der Stärke 1/3. In der Übertragungsleitung 8N, die mit dem Anschluss N verbunden ist, fliesst also ein Stromimpuls der Stärke 1/3. Erreicht dieser Stromimpuls den Abschlusswiderstand 7N, dessen Widerstandswert gleich Z0 ist, und der zusammen mit dem Josephsonelement 3N in dessen supraleitendem Zustand eine angepasste Übertragungsleitung darstellt, so wird die Energie des Stromimpulses ohne Reflektion absorbiert. Der Stromimpuls jedoch, der dabei über die Verbindung 5N zur Masse gelangt, fliesst durch die Steuerleitung 6N, wo er ein Steuerfeld für das Abfühlelement 1 IN erzeugt.

Wenn dieses Abfühlelement 1 IN durch Anlegen eines Kontrollstroms an die Konstrollstromleitung 12N aktiviert wurde, ist nur ein kleiner zusätzlicher Strom durch den laufenden Stromimpuls erforderlich, um das Abfühlelement 1 IN in seinen Spannungszustand umzuschalten. Dieses Umschalten des Abfühlelements kann mit Hilfe bekannter Vorrichtungen festgestellt werden. Es ist hier noch zu beachten, dass ein Stromimpuls gleicher Stärke auch an jedem der andern Abfühlelemente auftaucht, die über Übertragungsleitungen 8 mit dem Knoten 1 verbunden sind. Um die Informationen dort ebenfalls zu empfangen, ist es lediglich erforderlich, das zugehörige Abfühlelement 11 durch einen auf die Kontrolleitung 12 gegebenen Strom zu aktivieren. Auf gleiche Weise können Daten vom Anschluss N an das Abfühlelement 11A des Anschlusses A oder an Abfühlelemente 11 beliebiger anderer Anschlüsse übertragen werden.

Für den Fall, dass Reflektionen am Abschlusswiderstand 7 auftreten, wenn ein Impuls vom zugehörigen Anschluss eintrifft, ist festzustellen, dass diese Reflektionen den Betrieb des Netzwerkes nicht stören, da jeder Anschluss über eine eigene unabhängige Stromquelle verfügt, die innerhalb gewisser Grenzen genügend Strom liefern kann, um an den Abfühlelemen-ten 11 einen ausreichenden Signalpegel sicherzustellen. Dagegen wären Reflektionen nicht tragbar, die an den Abfühlele-menten 11 auftreten würden, wenn sie nicht durch einen ange-passten Abschlusswiderstand abgeschlossen wären. Es ist hier zu beachten, dass alle Josephsonelemente 3, die zu einer gerade aktivierten Abfühleinrichtung gehören, sich in ihrem supraleitenden Zustand befinden und damit auch der Abschlusswiderstand 7 zur gewünschten Zeit direkt mit Masse verbunden ist. Die Doppelfunktion der Josephsonelemente 3, einmal im Über-tragungs- und zum andern im Empfangszustand, erlaubt den parallelen Anschluss aller Josephsonelemente 3, ohne dass es notwendig wäre, ein getrennt gesteuertes Element vorzusehen, dass im Betriebszustand des Empfangens den Abschlusswiderstand 7 auf Massepotential legt, im Betriebszustand des Übertragens jedoch diese Verbindung wieder unterbricht.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung mit zwei Leitungsebenen, die entweder beide oberhalb einer Grundplatte angeordnet oder bei der je eine Leitungsebene oberhalb und unterhalb der Grundplatte liegt. Diese Anordnung beruht auf dem gleichen Konzept wie die Schaltung nach Fig. 1. Einander entsprechende Elemente tragen in den Fig. 1 und 2 gleiche Bezugszeichen. Soweit sich ausserdem die Elemente beider Leitungsebenen identisch entsprechen, tragen sie dieselben Bezugszeichen, nur wurden die Zeichen der in der zweiten Ebene angeordneten Elemente mit einem Strich versehen. Die Abgabe eines Stromimpulses von irgendeinem der Anschlüsse unterscheidet sich vom vorherigen nur dadurch, dass gleichzeitig mit der Abgabe eines Impulses einer Polarität in die Übertragungsleitung 8 ein Stromimpuls entgegengesetzter Polarität in die Übertragungsleitung 8' gegeben wird. In der Anordnung mit

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zwei Leiterzügen oberhalb der Grundplatte können die Grundplatte und die Steuerleitungen alle aus supraleitenden

Stromimpulse mit entgegengesetzter Polarität dadurch ausge- Materialien, wie beispielsweise Niob, hergestellt werden. Die nutzt werden, dass empfangsseitig die Steuerleitung 6' des Isolierung zwischen den Leitern und der Grundplatte kann

Abfühlelements 11 entsprechend Fig. 2 schleifenförmig ausge- dabei aus einem Oxyd der verwendeten Metalle bestehen, beibildet ist, so dass sich die beiden Ströme addieren und bezüg- 5 spielsweise Nioboxyd. Es können aber auch Siliciumdioxyd lieh des Elements 11 ein Feld erzeugen, das doppelt so gross ist, oder andere geeignete Isoliermaterialien verwendet werden, als wenn nur eine Steuerleitung 6 vorhanden wäre. In Fig. 2 sind Die Abschlusswiderstände 7,7' sollten aus Materialien gefer-zwar keine explizit angegebenen Erdverbindungen enthalten, tigt werden, die mit den supraleitenden Materialien verträglich es sollte jedoch klar sein, dass infolge der Grundplatte ein virtù- sind und die bei der Temperatur flüssigen Heliums normallei-eller Erdpunkt gegeben ist, zu dem alle Gleich- und Wechsel- i o tend bleiben. Die Übertragungsleitungen, Steuerleitungen und ströme fliessen. Diese Tatsache ist bei symmetrischen Übertra- Kontrollstromleitungen können andererseits auch aus Metal-gungsleitungen wohlbekannt. Um dies anzudeuten, sind die äus- len hergestellt werden, die bei der Temperatur flüssigen Heli-seren Leiter der Übertragungsleitungen 8 und 8' mit einer Erd- ums normalleitend bleiben. Typische Josephsonelemente und Verbindung versehen. Die Josephsonelemente 3 in Fig. 2 wer- deren Verbindungsleitungen, die bei der Realisierung der Vörden somit bei Abgabe eines Stromimpulses in ihren spannungs- 15 liegenden Erfindung Verwendung finden können, sind im US-führenden Zustand umgeschaltet und stellen dann einen hohen Patent 3 758 795 angegeben. Ein typisches Herstellungsverfah-Widerstand über der symmetrischen Übertragungsleitung dar. ren für Josephsonelemente gibt das US-Patent 3 849 276 an. Im Beim Empfang bleiben die Elemente 3 jedoch in ihrem supralei- US-Patent 3 913 120 ist ein für die Abschlusswiderstände 7,7' tenden Zustand und verbinden somit die Abschlusswider- geeignetes Material sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung stände 7 und 7' mit dem virtuellen Erdpunkt. 20 beschrieben.

Für den Fall, dass das bevorzugte Ausführungsbeispiel Typische Werte für die Parameter der Übertragungsleitung

Josephsonelemente enthält, die bei tiefen Temperaturen betrie- sind folgende: Z0 = 10 Ohm, Leitungsbreite = 12,5 um, Dicke ben werden müssen, können die Übertragungsleitungen, die der Oxydschicht (SiO) = 7000 Â.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

620805 PATENTANSPRÜCHE

1. Verbindungsnetzwerk für Datenübertragungsleitungen mit sternförmigem Anschluss der Leitungen an eine oder mehrere Sammelleitungen, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenübertragungsleitungen (A, N) jeweils über ein supraleitendes, umschaltbares Koppelelement (3) sowie über eine Steuerleitung (6), einen Abschlusswiderstand (7) und eine Übertragungsleitung (8) mit der den Datenübertragungsleitungen gemeinsamen Sammelleitung (1) verbunden sind, und dass jede der genannten Steuerleitungen mit einem der Signalerkennung dienenden Abfühlelement (11) gekoppelt ist.

2. Netzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die supraleitenden, umschaltbaren Elemente (3) durch Josephsonelemente gebildet werden, deren Steuerleitungen mit den Datenübertragungsleitungen verbunden sind.

3. Netzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfühlelemente (11) durch Josephsonelemente gebildet werden, die eine Kontrollstromleitung (12) zur Regulierung der Empfindlichkeit aufweisen.

4. Netzwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Josephsonkoppelelement (3) eine eigene Stromquelle (Ig) mit konstanter Stromabgabe aufweist.

5. Netzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert des Abschlusswiderstandes (7) dem Wellenwiderstand der Übertragungsleitung (8) entspricht.