DE2448051C2

DE2448051C2 - Verfahren zum Betrieb eines logischen Verknüpfungsgliedes mit einem Josephson-Element und Anwendungen des Verfahrens

Info

Publication number: DE2448051C2
Application number: DE19742448051
Authority: DE
Inventors: Dennis James Somers N.Y. Herrell
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1973-10-30
Filing date: 1974-10-09
Publication date: 1982-05-27
Also published as: NL7414138A; CA1024608A; JPS5341060B2; GB1441509A; IT1020148B; DE2448051A1; FR2249502A1; JPS5075761A; FR2249502B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines logischen Verknüpfungsgliedes mit einem Josephson-Element nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und Anwendungen des Verfahrens.

Die physikalischen Grundlagen und Anwendungen von Josephson-Kontakten sind in einem Artikel von J. Matisoo beschrieben, der in der Zeitschrift IEEE Transactions on Magnetics, Band Mag.-5, Nr. 4, Dezember 1969, auf den Seiten 848 bis 874 erschienen ist

Ein Kontakt, der im wesentlichen aus einer zwischen zwei supraleitenden Elektroden angeordneten Tunnelgrenzschicht besteht, die genügend dünn ist, um einen Josephson-Tunneleffekt zu erlauben, befindet sich in einem supraleitenden Zustand, solange die durch ihn fließenden Ströme einen maximalen Strom I_n, nicht überschreiten. Die Tunnelgrenzschicht kann aus einem Oxid bestehen, das typischerweise 1,0 bis 1,5 nm dick ist. Für Josephson-Ströme, die über diesen Wert I_n, hinausgehen, schaltet der Kontakt in einen nicht-supraleitenden Zustand um, und es erscheint ein Spannungsabfall über den Kontakt von ν=2Δ, wobei 2Δ die Energielücke angibt Der Wert von I_n, hängt von den Magnetfeldern ab, die den Kontakt durchdringen. In den Fig. 13 und 18 des angegebenen Artikels sind zwei Diagramme der Abhängigkeit des Stromes I_n, vom Magnetfeld im Fall eines Josephsonkontakts angegeben.

Die Umschalteigenschaften von Josephson-Tunnel-Kontakten können zur Herstellung von logischen Verknüpfungsgliedern ausgenützt werden. Hierzu wird das den Kontakt durchdringende Magnetfeld mit Hilfe von Steuerströmen in supraleitenden Steuerleitungen verändert, die in unmittelbarer Nachbarschaft isoliert vom Tunnelkontakt angeordnet sind. Wird der Kontakt von einem Arbeitsstrom I_g durchflossen, so bleibt er so lange supraleitend, wie der Wert von I_g kleiner ist als der Maximalwert Im. In diesem Fall bleibt der Kontakt in seinem Zustand v=0, d.h. am Kontakt fällt keine Spannung ab. Durch Veränderung des Steuerstroms /_c und der daraus resultierenden Änderung des Magnetfeides im Kontakt läßt sich der Wert von I_n, auf einen Wert kleiner als I_g herabsetzen. Unter diesen Umständen schaltet der Kontakt in seinen Zustand ν=2Δ um. In einem zum Kontakt parallelliegenden Stromkreis mit einem Widerstand R fließt dann bei jedem Umschalten t>o des Kontakts Ausgangsstrom 2Δ/Κ Beaufschlagt man nun die Steuerleitungen entsprechend der gewünschten logischen Verknüpfung, so kann das Josephsonelement als logisches Verknüpfungsglied verwendet werden.

Bei einer aus der US-Patentschrift 37 58 795 bekannt gewordenen Schaltung mit Josephson-Kontakten werden Steuerströme an verschiedene Steuerleitungen in unterschiedlicher Stromrichtung angelegt. In diesem Fall wird das Umschaltverhalten des Kontakts durch das resultierende Magnetfeld bestimmt, das den Kontakt durchsetzt; dieses Gesamtfeld besteht im wesentlichen aus einer Feldkomponente in einer ersten Richtung, die von den Steuerströmen in der einen Stromrichtung erzeugt wird, abzüglich der Magnetfeldkcmponente in einer zweiten Richtung, die von den Steuerströmen mit einer zweiten Stromrichtung erzeugt wird. In der bekannten Einrichtung gibt es nur eine einzige Umschaltrichtung, d.h. um den Tunnelkontakt vom Zustand v=0 in den Zustand ν=2Δ umzuschalten, darf das resultierende Magnetfeld nur in einer bestimmten Richtung angelegt werden, um den Arbeitspunkt des Kontakts aus den Bereich unterhalb der Verstärkungskurve in der vorbestimmten Richtung herauszuführen.

Zum Aufbau von logischen Verknüpfungsnetzwerken werden im allgemeinen mehrere verschiedene Verknüpfungsglieder benötigt Die verschiedenen Typen von Verknüpfungsgliedern, beispielsweise ODER-Glieder, UND-Glieder sind dabei verschieden aufgebaut Die verschiedenen logischen Verknüpfungsfunktionen können mit Hilfe von Josephson-Schaltkreisen durch entsprechende Wahl der Steuerströme I_a der Arbeitsströme Ig, der Steuervorströme und er Geometrie des Kontakts erhalten werden.

Im bisher bekannt gewordenen Stand der Technik sind zwar Anordnungen enthalten, die auch komplexeren Funktionen als die elementaren logischen Verknüpfungen UND, ODER, NAND, NOR erfüllen (wobei normalerweise die einzelnen Komponenten des Magnetfelds alle in der gleichen Richtung angelegt werden); insgesamt sind aber zum Aufbau eines allgemeinen logischen Verknüpfungsnetzwerkes noch eine beträchtliche Anzahl von verschiedenen Baugruppen erforderlich, die alle verschiedene logische Funktionen erfüllen.

Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, ein Betriebsverfahren für logische Verknüpfungsglieder der oben genannten Art anzugeben, mit dem auf einfache Weise eine Vielzahl logischer Funktionen realisiert werden kann.

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

Die von der Erfindung erzielten Vorteile liegen auf technischem und auf wirtschaftlichem Gebiet. Die allgemeine Anwendbarkeit der logischen Baugruppe ermöglicht den Aufbau von komplexen Schaltungen mit nur einem Bauelement, was zu flexiblen und regelmäßig strukturierten Anordnungen führt. Die Verringerung der Zahl der Bauelemente führt außerdem zu erhöhten Stückzahlen und damit zu verbilligter Herstellung und einfacherer Lagerhaltung.

Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, daß zur Steuerung des Josephson-Kontakts sich überlagernde Magnetfelder verschiedener Richtung verwendet werden, die je nach Ansteuerung so auf den Kontakt einwirken, daß der Arbeitspunkt des Kontakts in zwei verschiedenen Richtungen aus dem Bereich unterhalb der Verstärkungskurve (d. h. aus dem supraleitenden Bereich) herauswandern kann. Besitzt der Kontakt eine asymmetrische Verstärkungskurve, so kann er durch Anlegen der Magnetfelder in zwei verschiedenen Richtungen verschiedene logische Funktionen ausführen.

Außerdem kann mit Hilfe der vorliegenden Erfindung

die logische Funktionsweise des Kontakts durch das Umdrehen der Stromrichtungen in den Steuerleitungen verändert werden. Hierzu wird ein Kontakt mit asymmetrischer Verstärkungskurve und einer Vielzahl von Steuerleitungen verwendet, in denen die Steuerströme entweder parallel oder antiparallel zum Arbeitsstrom durch den Kontakt fließen. In beiden Fällen führt der Kontakt dann verschiedene logische Funktionen aus.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Logikkreises mit einem Josephson-Kontakt,

Fig.2 ein Diagramm zur Erläuterung der Verwendung eines Josephson-Tunnelkontakts mit asymmetrischer Verstärkungskurve für Logikschaltungen mit mehreren Einstellmöglichkeiten,

Fig.3 ein Blockdiagramm eines logischen Netzwerkes, das aus verschiedenen Funktionaleinheiten (Baugruppen) besteht, die alle identische Struktur aufweisen,

Fig.4 eine schematische Darstellung des logischen Netzwerkes nach F i g. 3,

F i g. 5 ein Blockdiagramm einer logischen Einheit mit gemischten Eingängen und einem Josephson-Tunnelkontakt

Fig.6 ein Blockdiagramm eines Schaltkreises zur binären Addition mit einer Vielzahl von logischen Einheiten mit gemischten Eingängen,

F i g. 7 ein Blockdiagramm eines logischen Netzwerkes zur Erzeugung einer logischen Verknüpfung, welche an eine der Eingänge des in Fig.6 gezeigten Additionskreises angelegt wird,

Fig.8 ein Blockdiagramm eines Schaltkreises mit einer Vielzahl von Josephson-Tunnelelementen zur Erzeugung des Übertrags in einem Binäraddierwerk,

Fig.9 ein Blockdiagramm einer anderen Ausführungsform eines Addierwerkes,

Fig. 10 die schematische Darstellung eines Josephson-Tunnelkontakts, der als NOR- oder als NAND-Verknüpfungsglied verwendet wird,

F i g. 11 ein Blockdiagramm zur Darstellung der zeitlichen Reihenfolge der angelegten Eingangssignale und der Vorströme für die logischen Einheiten eines Verknüpfungsnetzwerkes, das aus Verknüpfungsgliedern der in F i g. 10 gezeigten Art besteht

In F i g. 1 ist ein Schaltkreis mit einem Josephson-Kontakt in schematischer Weise aufgezeichnet Der Kreis besteht aus einem Josephson-Tunnelelement 10, den Supraleitern 12 und 14 für die Zuführung eines Arbeitsstromes zum Tunnelelement aus einer Stromquelle 16, aus Steuerleitungen 17, 18 und 19 und aus einem Paralieizweig mit den Supraleitern 20 und 22 und dem Widerstand 24.

Der Josephson-Kontakt besitzt eine asymmetrische Verstärkungskurve; diese veranschaulicht die Abhängigkeit des maximalen Josephson-Stroms I_n, durch das Element vom angelegten Steuerstrom I_c (Fig.2). Vorzugsweise wird der Schaltkreis nach den bekannten Herstellungsmethoden für Josephson-Elemente mit mehreren Steuerleitern und einer asymmetrischen Verstärkungskurve aufgebaut Der in F i g. 1 enthaltene Parallelzweig IaBt sich mit den üblicherweise bekannten Herstellungsverfahren realisieren. Die Supraleiter 20 und 22 haben typischerweise die Eigenschaften von Übertragungsleitungen ; ihre charakteristische Impedanz'beträgt Zo. Der Wert des Widerstands 24 wird dann zu 2 - Zo gewählt Der an das Josephson-Element 10 angeschlossene Kreis wird üblicherweise mit einer Impedanz abgeschlossen, um Reflexionen beim Umschalten des Elements 16 zu verhindern.

Der wesentliche Vorteil eines Josephson-Kontakts mit einer Mehrzahl von Steuerleitungen besteht in seiner Fähigkeit, mehrere verschiedene logische Funktionen durchzuführen. In der Darstellung von F i g. 2 ist der gesamte Steuerstrom (Strom in 17, 18 und 19) auf der Abszisse aufgetragen und auf der Ordinate der maximale Josephson-Arbeitsstrom. Bekanntlich liegt ein

ίο Teil jeder Steuerleitung direkt über dem Kontakt 10. Ein Steuerstrom, der in diesem Teil in gleicher Richtung wie der Arbeitsstrom durch die Leiter 12 und 14 fließt, wird als positiv oder parallel zum Arbeitsstrom bezeichnet. Ein entgegengesetzt fließender Steuerstrom ist negativ oder antiparallel. Der Ausdruck parallel wird hier also in dem Sinn gebraucht, daß die Steuerströme sowohl parallel als auch in der gleichen Richtung wie der Arbeitsstrom fließen. Unter antiparallel versteht man einen Steuerstrom, der parallel zum Arbeitsstrom, aber in entgegengesetzter Richtung fließt

Der maximal zulässige Josephson-Strom I_n, wird durch das den Kontakt durchdringende Magnetfeld bestimmt, welches seinerseits in der speziellen Anordnung von F i g. 2 durch den Strom in den Steuerleitungen 17, 18 und 19 bestimmt wird. Ein Strom, der in paralleler Richtung angelegt wird, ruft ein Magnetfeld hervor, welches den Kontakt in einer ersten Richtung du.'chsetzt, während ein Strom in antiparalleler Richtung ein Magnetfeld erzeugt, welches den Kontakt in einer zweiten Richtung durchdringt Die einzelnen Feldkomponenten, die von den Strömen in den entsprechenden Kontroileitungen erzeugt werden, bilden ein resultierendes Magnetfeld. Der Betrag und die Richtung des resultierenden Feldes bestimmen den Arbeitspunkt des Josephson-Kontakts.

Ein durch die Linie 28 in Fig.2 dargestellter Arbeitsstrom I_g soll an den Kreis von F i g. 1 mit Hilfe der Stromquelle 16 angelegt werden; in Abwesenheit von Steuerströmen in den Steuerleitungen 17,18 und 19

4i) befindet sich dann der Kontakt 10 in seinem Zustand mit v= 0. Aus F i g. 2 ist ersichtlich, daß der Wert von I_n, bei I_c=0 deutlich über l_g liegt In dem Parallelkreis mit den Leitern 20 und 22 wird also kein Ausgangsstrom erscheinen. Wird nun der Steuerstrom auf die Werte i, 2i, und 3/ erhöht schaltet der Kontakt in den Zustand ν= 2Δ um und es ergibt sich im Ausgangskreis ein Strom /o=24/220. Nimmt man die drei Steuerleitungen als Eingangssignale A, B und C und wird ein paralleler Steuerstrom der Stärke / als binäre 1 aufgefaßt, so verhält sich der Schaltkreis in F i g. 1 wie ein ODER-Glied, dessen Wahrheitstabelle folgendermaßen aussieht:

A	B	C	Ausgang
0	0	0	0
0	0	1	1
0	1	0	1
0	1	1	1
1	0	0	1
1	0	1	1
1	1	0	1
1	1 -	1	1

Wird an irgendeinen der Eingänge ein paralleler Steuerstrom / angelegt, so erscheint am Aasgang das

Signal für eine binäre 1 (entsprechend einem Strom der Stärke Δ/Ζο).

Derselbe Schaltkreis verhält sich ohne irgendwelche Änderungen im Wert des Arbeitsstromes, der Steuerströme oder der Schaltkreisparameter als UND-Glied, wenn als Eingangssignale die antiparallelen Steuerströme verwendet werden. Anhand von Fig.2 wird deutlich, daß ein antiparalleler Steuerstrom vom Wert / oder 2/ den Josephson-Kontakt nicht umschaltet und somit auch kein Ausgangssignal erzeugt, daß aber andererseits ein antiparalleler Steuerstrom des Werts 3/ den Kontakt umschaltet und ein Ausgangssignal erzeugt. Die Wahrheitstabelle für die UND-Funktion im Fall von antiparallelen Steuerströmen mit den Eingangssignalen A, Bund Chat folgendes Aussehen:

A	B	C	Ausgang
0	0	0	0
0	0	1	0
0	1	0	0
0	1	1	0
1	0	0	0
1	0	1	0
1	1	0	0
1	1	1	1

10

15

20

25

30

35

40

45

Der Schaltkreis kann so ausgelegt werden, daß i—Δ/Ζο; der Ausgangsstrom läßt sich als Eingangssteuerstrom für andere Josephson-Elemente heranziehen. Im bisherigen Stand der Technik war es jedoch nicht möglich, Elemente derselben Struktur für zwei verschiedene logische Verknüpfungen zu verwenden.

Mit Hilfe von Josephson-Tunnelkontakten mit parallelen und antiparallelen Eingängen können verschiedene logische Kreise aufgebaut werden. Beispielsweise läßt sich der im Blockdiagramm von F i g. 3 dargestellte logische Kreis mit drei identischen Josephson-Schaltkreisen der in F i g. 1 gezeigten Art herstellen. Der Kreis umfaßt zwei ODER-Glieder, 30 und 32 und außerdem ein UND-Glied 34. Die logische Funktion ist dabei folgende:

G-(A +B+Q- (D+ E+ F)

Der einzige Unterschied zwischen den ODER-Gliedern 30 und 32 und dem UND-Glied 34 besteht darin, daß die Eingangssignale parallel an die Glieder 30 und 32, jedoch antiparallel an das Glied 34 angelegt werden. Die Buchstaben P und A innerhalb der Blöcke bedeuten parallel bzw. antiparallel. An das Glied 34 wird in der angedeuteten Weise ein antiparalleler Vorstrom / angelegt. Eine schemaiische Darstellung des Schaltkreises von Fig.3 zeigt Fig.4. Danach werden die Ausgangssignale der Glieder 30 und 32 zusammen mit einem Vorstrom als antiparallele Steuerströme an den Tunnelkontakt des Gliedes 34 angelegt

Der bisher betrachtete Logikkreis mit einem einzigen Tunnelkontakt kann auch noch für andere logische Verknüpfungen verwendet werden. Werden beispielsweise zwei Eingangssignale antiparallel und eines parallel zugeführt, so lautet die logische Verknüpfung:

Ausgangssigna] = C ■ (A+B)

Wenn gemischte Eingangssignale angelegt werden, ist darauf zu achten, daß die parallelen Eingangssignale erst nach dem Einsetzen der antiparallelen Eingangssignale angelegt werden. Dies kann leicht mit Hilfe einer Verzögerung der parallelen Eingangssignale erreicht werden. Eine Möglichkeit der Verzögerung besteht darin, in die Leitung für den parallelen Eingang ein ODER-Glied zu legen. Dies ist in F i g. 5 dargestellt.

Der Schaltkreis in Fig.5 realisiert die oben angegebene logische Verknüpfung. Dies läßt sich anhand des Diagramms in Fig.2 und unter Beachtung der Eingangsströme leicht nachweisen. Am Verknüpfungsglied 50 erscheint dann und nur dann ein Ausgangssignal, wenn ein Strom / dem Eingang C zugeführt wird und die Eingänge A und B ohne Strom bleiben. Das UND-Glied 52, welches vorzugsweise mit den ODER-Gliedern 30 und 32 in F i g. 3 identisch ist, (abgesehen davon, daß nur eine Eingangsleitung benutzt ist) verursacht infolge der Umschaltzeit des Kontakts in Glied 52 eine geringe Verzögerung, Die Verzögerung ist infolge des Hystereseverhaltens der Kontakte notwendig. Würde das Eingangssignal C das Glied 50 zeitlich vor den Eingangssignalen A und B erreichen, wäre das Ausgangssignal von Glied 50 fehlerhaft.

Legt man die Eingangssignale A und B parallel, das Signal C aber antiparallel an das Glied an, so ergibt sich folgende logische Verknüpfung:

Ausgangssignal = (A + B) ■ C+ A · B

Die bisher beschriebenen Verknüpfungsglieder können zum Aufbau einer Addierschaltung verwendet werden. In der folgenden Betrachtung wird das zuletzt beschriebene Verknüpfungsglied der Kürze halber als PPA-Glied bezeichnet , das Glied nach Fig.5 als AAP-Glied.

Vergleicht man die Wahrheitstabelle eines PPA-Gliedes mit der eines Volladdierers (SUM), so stellt man fest, daß sich diese nur bei zwei Eingangskombinationen unterscheiden:

A	B	C	SUM	PPA
0	0	0	0	0
0	0	1	1	0
0	1	0	1	1
0	1	1	0	0
1	0	0	1	1
1	0	1	0	0
1	1	0	0	1
1	1	1	1	1

Diese_beiden Kombinationen von Eingangssignalen sind A B C und ABC Das unterschiedliche Verhalten läßt sich im Fall der Eingangskombination ABC beheben, wenn das PPA-Glied mit einem ΑΑΡ-Glied in einer ODER-Schaltung verknüpft wird. Ein AAP-Glied, an dessen Eingang P das Eingangssignal C angelegt wird, liefert nur dann ein Ausgangssigna] 1, wenn die Eingangssignale in der Kombination Ä B Cvorliegen.

Im Fall der Eingangskombination ABC kann ein gleiches Verhalten der beiden Schaltkreise erzielt werden, wenn ein zweites PPA-Glied als blockiertes ODER-Glied hinzugeschaltet wird. Von dem bisher beschriebenen logischen Addierwerk mit Josephson-Verknüpfungsgliedern ist in Fig.6 ein Blockdiagramm wiedergegeben. Entsprechend der obigen Wahrheitstabelle stimmt das Ausgangssignal des Verknüpfungsgliedes 60 mit der Summenfunktion überein, mit der Ausnahme zweier Fälle. Abgesehen von diesen beiden Fallen steuert das Ausgangssignal von Glied 60 das

Ausgangssignal von Glied 64. Wenn also keine anderen Eingangssignale an Glied 64 angelegt werden, stimmt sein Ausgangssignal mit dem Ausgangssignal vonGlied 60 überein. Im Fall der Eingangskombination A B C ist das Ausgangssignal von Glied 60 Null, die Summenfunktion erfordert aber ein Ausgangssignal Eins. Ein derartiges Ausgangssignal Eins wird jedoch vom Glied 62 an einen zweiten parallelliegenden Eingang von Glied 64 geliefert und erzeugt damit ein Ausgangssignal Eins entsprechend der Summenfunktion.

Liegt die Kombination ABC der Eingangssignale vor, so liefert Glied 60 ein Ausgangssignal Eins, während die Summenfunktion einen Ausgang Null erfordert. Dies läßt sich erreichen, indem die logische Verknüpfung A B C an den antiparallelen Eingang von Glied 64 gelegt wird.

Die logische Verknüpfung A B Q die dem antiparallelen Eingang von Glied 64 zuzuführen ist, wird von den Gliedern 70 und 72 in F i g. 7 erzeugt; der Übertrag wird mit Hilfe einer einfachen Kombination von UND- und ODER-Gliedern entsprechend der Schaltung in F i g. 8 erzeugt

Eine Addierstufe braucht nicht unbedingt entsprechend der Fig.6, 7 und 8 aufgebaut zu sein. Eine Realisierung, in der nur vier Verknüpfungsglieder benötigt werden, zeigt F i g. 9. Die Glieder 90,92 und 94 sind identisch mit den oben beschriebenen. Glied 96 weicht von diesen ab, sein Aufbau entspricht aber dem anhand von F i g. 1 und 2 beschriebenen. Das Verknüpfungsglied 96 ist ein Schwellwertglied und gibt nur dann ein logisches Ausgangssignal Eins, wenn zwei oder mehrere Eingangssignale den logischen Wert Eins besitzen. Eine Möglichkeit zur Realisierung dieses Gliedes bestünde darin, den Wert der Steuerströme zu ändern, welche einem Eingangssignal mit dem logischen Wert Eins entsprechen. Beispielsweise ergibt sich aus F i g. 2, daß sich der Schaltkreis von F i g. 1 als Schwellwertglied verhält, wenn jedes logische Eingangssignal einem antiparallelen Strom vom Wert 2/ entspricht und ein Ausgangssignal mit dem logischen Wert Eins erzeugt, wenn irgend zwei oder mehrere Eingangssignale den logischen Wert Eins besitzen. Dieselbe Funktion läßt sich auch erreichen, wenn parallele Ströme als Signale mit dem logischen Wert Eins verwendet werden, vorausgesetzt der Wert der Steuerströme ist so gewählt, daß ein einziges Eingangssignal mit dem Wert Eins den Kontakt nicht umschaltet die gleichzeitige Anwesenheit von mehr als einem Eingangssignal Eins jedoch zum Umschalten führt

Der auf diesem Gebiet tätige Fachmann wird außerdem leicht erkennen, daß diese gewünschten Funktionen auch auf anderen Wegen erreicht werden können, beispielsweise durch Verwendung von verschiedenen Arbritsströmen oder durch eine Abänderung der Struktur und des Aufbaus der Kontakte, um damit die Größe der asymmetrischen Verstärkungskurve zu variieren.

Das Ausgangssignal von Glied 96 stellt den Obertrag einer Addierstufe dar. Die Summenfunktion wird von der Kombination der Glieder 90, 92, 94 und 96 ausgeführt Wenn alle drei Eingangssignale den logischen Wert Ens haben, liefern die Glieder 90,94 und 96 Ausgangssignale mit dem Wert Eins an Glied 92. Das Summensignal ist dann eine logische Eins. Haben nur zwei der Eingangssignale A, B und Cden Wert Hns, so liefern die Glieder 94 und 96 den Wert Eins an Glied 92. Das Ausgangssignal von Glied 92 ist damit eine logische NuD. Ein einziges Eingangssignal mit Wert Eins erzeugt nur in den Gliedern 94 und 92 ein Ausgangssignal Eins. Das Glied 96 kann auch durch die Zusammenschaltung von Verknüpfungsgliedern entsprechend F i g. 8 ersetzt werden. In diesem Fall besteht die Addierstufe aus lauter identischen Verknüpfungsgliedern; außerdem ergeben sich identische Stromstärken für die Signale mit dem logischen Wert Eins.

Der Schaltkreis in F i g. 1 kann auch die logischen Funktionen NAND (NICHT UND) und NOR (NICHT

ίο ODER) durchführen, wenn die Eingangssignale und Ausgangssignale entsprechend Fig. 10 angelegt werden. Die Eingangssignale A und B sind danach antiparallel, während ein Vorstrom parallel verläuft. Wenn die antiparallelen Signale A und B einen Wert / besitzen (siehe hierzu Fig. 2) und außerdem der Vorstrom auf einen Wert 2/eingestellt wird, verhält sich das Glied als NAND-Glied Die Wahrheitstabeüe hierfür lautet wie folgt:

Ausgang

Wählt man als Vorstrom einen Strom der Stärke i, so verhält sich der Schaltkreis in Fig. 10 als NOR-Glied mit folgender Wahrheitstabelle:

Ausgang

Es ist bekannt, daß viele Verknüpfungsnetzwerke mit Hilfe von NAND- und NOR-Gliedern aufgebaut werden. Die in F i g. 10 gezeigten NAND/NOR-Glieder sind für derartige Verknüpfungsnetzwerke gleichermaßen geeignet Bei der Zusammenschaltung mehrerer solcher Glieder sind jedoch Vorkehrungen zu treffen, um sicherzustellen, daß der Vorstrom erst nach dem Anlegen der anderen Steuerströme angelegt wird. Eine Möglichkeit hierfür besteht im Einbau eines ODER-Gliedes der oben beschriebenen Art in die Leitung des

so Vorstroms zwischen die verschiedenen Stufen eines Logikkreises mit NOR/N AN D-Gliedern.

Ein einfaches Beispiel hierfür ist in F i g. 11 angegeben. Die dort mit Nbezeichneten Blöcke stellen NAND- oder NOR-Verknüpfungsglieder dar. Die Glieder 120 und 122 befinden sich auf der ersten Stufe der logischen Schaltung, da sie alle ihre Eingangssignale von äußeren Quellen erhalten. Das Glied 124 befindet sich auf der zweiten Stufe, da es seine Eingangssignale nur von Gliedern der ersten Stufe erhält die ihrerseits Eingangssignal erhalten haben. Das Glied 126 liegt auf der dritten Stufe der logischen Schaltung, da es nur dann ein Eingangssignal erhält, wenn Glied 124 auf der zweiten Stufe auf Eingangssignale reagiert hat

Die ODER-Glieder 128, 130 und 132 sind in die Leitung für den Vorstrom zwischen die verschiedenen logischen Stufen eingebaut Jedes ODER-Glied hat denselben Aufbau wie jedes TV-Glied und besitzt dementsprechend auch dieselbe Antwortzeit wie die

iV-Glieder. Werden also alle Signale A, B, C und D und die Vorströme gleichzeitig von den äußeren Quellen an die Logikschaltung angelegt, so erscheint der Vorstrom bei einem beliebigen N-Glied erst, nachdem alle anderen Eingangssignale für dieses N-Glied schon angekommen sind.
Aus der obigen Beschreibung geht hervor, daß

Josephson-Glieder mi', asymmetrischer Verstärkungskurve einen universell verwendbaren logischen Baustein darstellen. Durch einfaches Umkehren der Stromrichtung der logischen Eingangssignale auf einer oder mehreren Leitungen lassen sich nützliche und völlig andere logische Funktionen erzielen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betrieb eines logischen Verknüpfungsgliedes mit einem Josephson-Element, das ein Josephson-Tunnel-Kontakt, der von einem Arbeitsstrom durchflossen wird, mit asymmetrischer Verstärkungskurve, mehrere induktiv mit dem Kontakt gekoppelte Steuerleitungen und einen zum Josephson-Tunnel-Kontakt parallel geschalteten Ausgangskreis aufweist und an dessen Steuerleitungen Eingangssignalströme oder Steuervorströme parallel (d.h. in Richtung des durch den Kontakt fließenden Arbeitsstroms) oder antiparallel (entgegengesetzt zum Arbeitsstrom) angelegt werden, dadurch gekennzeichnet, daß abhängig von der zu realisierenden logischen Funktion die Richtung der Eingangssignalströme alleine oder in Verbindung mit Richtung und Stärke der Steuervorströme so gewählt wird, daß der Tunnel-Kontakt bei einem von zwei voneinander verschiedenen Schwellwertströmen von seinem supraleitenden in den normalleitenden Zustand umschaltet, wobei die erste Schwelle durch einen bestimmten Wert des resultierenden Gesamtsteuerstroms in paralleler Richtung und die zweite Schwelle durch einen weiteren Wert des resultierenden Gesamtsteuerstroms in antiparalleler Richtung gegeben ist

2. Verfahren nach Anspruch 1, zur Verarbeitung einer Anzahl η logischer Eingangssignale, dadurch gekennzeichnet, daß den Eingangssignalen π Steuerleitungen zugeordnet sind, die jeweils beim Vorliegen des logischen Werts Eins mit einem Eingangsstrom (ic) in antiparalleler Richtung beaufschlagt werden und daß die Verstärkungskurve des Josephson-Kontakts so gewählt ist, daß er dann und nur dann umschaltet, wenn alle π Eingangssignale den logischen Wert Eins besitzen (UND-Funktion).

3. Verfahren nach Anspruch 1, zur Verarbeitung einer Anzahl π von logischen Eingangssignalen, dadurch gekennzeichnet, daß den Eingangssignalen π Steuerleitungen zugeordnet sind, die jeweils bei Vorliegen des logischen Wertes Eins mit einem Eingangsstrom (i_c) in paralleler Richtung beaufschlagt werden und daß die Verstärkungskurve des Josephson-Kontakts so gewählt ist, daß er dann und nur dann umschaltet, wenn mindestens eines der Eingangssignale den logischen Wert Eins besitzt (ODER-Funktion).

4. Verfahren nach Anspruch 1 zur Verarbeitung einer Anzahl η von logischen Eingangssignalen, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Eingangssignal eine Steuerleitung zugeordnet, daß insgesamt m Steuerleitungen mit einem Eingangsstrom (i_c) in paralleler Richtung beaufschlagt werden, sofern die zugeordneten Eingangssignale den logischen Wert Eins haben und daß die restlichen (n—m) Steuerleitungen mit Strömen in antiparalleler Richtung beaufschlagt werden, wenn die zugeordneten Eingangssignale den logischen Wert Eins haben.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Josephson-Tunnel-Kontakt mehr Steuerleitungen enthält als Eingangssignale vorhanden sind und daß die überschüssigen Steuerleitungen mit Vorströmen in paralleler oder antiparalleler Richtung beaufschlagt werden.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß drei Steuerleitungen und zwei Eingangssignale vorgesehen sind, daß die beiden den Eingangssignalen zugeordneten Steuerleitungen beim Vorliegen des logischen Wertes Eins mit Strömen (i_c) in antiparalleler Richtung beaufschlagt werden, daß die dritte Steuerleitung mit einem parallelen Vorstrom gleicher Stärke (i_c) beaufschlagt wird und daß der Josephson-Koatakt beim Oberschreiten des Gesamtsteuer-Stromes i_c in paralleler Richtung und beim Überschreiten des Gesamtsteuer-Stromes 2/_c in antiparalleler Richtung umschaltet (NOR-Funktion).

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß drei Steuerleitungen und zwei Eingangssignale vorgesehen sind, daß die beiden den Eingangssignalen zugeordneten Steuerleitungen beim Vorliegen des logischen Wertes Eins mit einem Strom (i_c) in antiparalleler Richtung beaufschlagt werden, daß die dritte Steuerleitung mit einem parallelen Vorstrom doppelter Stärke 2i_c beaufschlagt wird, und daß der Josephson-Kontakt beim Überschreiten des Gesamtsteuer-Stromes i_c in paralleler Richtung und beim Überschreiten des Gesamtsteuer-Stroms 2i_c in antiparalleler Richtung umschaltet (NAND-Funktion).

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 zum Betrieb einer Mehrzahl von logischen Verknüpfungsgliedern, die ein Verknüpfungsnetzwerk bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die strukturell gleich aufgebauten Verknüpfungsglieder, deren Josephson-Kontakte im wesentlichen dieselbe asymmetrische Verstärkungskurve aufweisen, so in verschiedenen logischen Stufen angeordnet sind, daß die Ausgangssignale einer Stufe den Eingängen nächstfolgender Stufen zugeführt werden und daß über eine gemeinsame Leitung derselbe Arbeitsstrom durch alle Josephson-Kontakte geführt wird (F i g. 4).

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorströme über Verzögerungseinrichtungen (128, 130_s 132, Fig. 11) geführt werden, so daß sie erst nach Eintreffen der Eingangssignalströme, denen der logische Wert Eins entspricht, an den zugehörigen logischen Verknüpfungsgliedern eintreffen.

10. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 9 bei einem Verknüpfungsnetzwerk, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungseinrichtungen (128, 130,132) also logische Verknüpfungsglieder, die eine ODER-Funktion ausführen, ausgebildet sind.

11. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 8 bei einer Binär-Addierstufe, dadurch gekennzeichnet, daß in einer ersten logischen Stufe ein erstes und ein zweites logisches Verknüpfungsglied (60, 62; Fig. 6) mit je drei Eingängen vorgesehen ist, wobei im ersten die Summandensignale (A, B) parallel und das Übertragsignal (C) antiparallel angelegt werden, im zweiten logischen Verknüpfungsglied jedoch umgekehrt, und daß in einer zweiten logischen Stufe ein drittes logisches Verknüpfungsglied (64) vorgesehen ist, an das die Ausgangssignale des ersten und zweiten logischen Verknüpfungsgliedes parallel, ein drittes Signal der Form (ABC) antiparallel angelegt werden, und daß das dritte Signal der Form (ABC) ebenso wie das Übertragsignal (C) durch Verknüpfungsnetzwerke mit logischen Verknüpfungsgliedern erzeugt werden (F i g. 7,8).

12. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 8 bei einer Binär-Addierstufe, dadurch gekennzeich-

net, daß in einer ersten logischen Stufe ein erstes (94) und ein zweites (90) logisches Verknüpfungsglied mit rein parallelen bzw. mit rein antiparallelen Eingangssignalen für Summanden und Übertrag sowie eine Übertragsägiialerzeugerschaltung (96) vorgesehen sind, und daß ein drittes logisches Verknüpfungsglied (92) in einer zweiten logischen Stufe das Ausgangssignal der Übertragvgnalerzeugerschaltung als antiparallelen Eingang, die Ausgangssignale der beiden ersten logischen Verknüpfungsglieder >o jedoch als parallelen Eingang empfängt