DE2536272C2

DE2536272C2 - Supraleitende Strom-Meßschaltung

Info

Publication number: DE2536272C2
Application number: DE2536272A
Authority: DE
Inventors: Frank Fu Yorktown Heights N.Y. Fang
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1974-12-31
Filing date: 1975-08-14
Publication date: 1985-01-17
Also published as: DE2536272A1; IT1041943B; FR2296942B1; JPS5180133A; US3983419A; GB1475847A; FR2296942A1; CA1048113A; JPS5440426B2

Description

Electronics Letters, Mai 1967, Seite 178—179 erschienen ist, wird eine Modifikation des oben genannten Patents beschrieben, bei der die Cryotrone durch einen Josephson-Kontakt ersetzt sind.

Die US-Patentschrift 29 49 602 beschreibt einen cryogenen Konverter. Im einzelnen handelt es sich dort um einen Tieftemperatur-Schaltkreis, der eine Schleife mit sowohl harten als auch weichen Supraleitern umfaßt und in ein flüssiges Heliumbad eingetaucht ist. Der Karte Supraleiter ist induktiv mit einer Ansteuerspule gekoppelt, der weiche Supraleiter ist mit einer Abfühlwindung gekoppelt Wenn der Steuerstrom erhöht wird, treten Flußverbindungen auf, die in der Schleife einen Ringstrom induzieren. Es dringt jedoch in die Schleife so lange kein Strom ein, bis der Schleifenstrom den kritischen Strom des weichen Supraleiters erreicht und überschreitet und diesen dann in den widerstandsbehafteten Zustand umschaltet. Der Ringstrom wird dann über ohmsche Verluste dissipiert Wenn der weiche Spuraleiter umschaltet, so bricht sein Magnetfeld zusammen, was wiederum in der Äbfühlwindung festgestellt werden kann. Auf diese Weise wird jedesiral ein Ausgangsimpuls erzeugt wenn der Ringstrom den kritischen Strom des weichen Supraleiters oder ein Vielfaches davon überschreitet Die Anzahl der Impulse kann mit dem Betrag des Stromes in der Steuerspule in Beziehung gesetzt werden und so eine A/D-Wandlung durchgeführt werden.

Die in der Beschreibung des Standes der Technik erstgenannten beiden Literaturstelleiii beziehen sich auf digitale Speichervorrichtungen, d. h. Vorrichtungen, die dazu vorgesehen sind, das Vorhandensein oder die Abwesenheit eines Signals zu speichern. Da US-Patent 37 64 905 bezieht sich u. a. auch darauf, einen schnell veränderlichen Vorgang abzutasten und das Meßsignal zu speichern; diese Einrichtung ist jedoch besonders dafür ausgelegt diese Funktion an nicht wiederholt auftretenden Wellenformen, insbesondere solchen mit sehr kurzer Dauer durchzuführen. In diesem Sinn induzieren die Signale auf oer Signalleitung 14 (F i g. 1 der genannten Patentschrift) einen Strom in der benachbart liegenden Schleife 18. Wenn der mit Schleife 18 verbyndene Josephson-Kontakt /1 in seinem widerstandsbehafteten Zustand ist hängt der Strom in der Schleife nicht nur vom momentanen Wert auf der Signalleitung 14 ab, sondern auch von früher vorhandenen Werten dieses Stromes. Ist jedoch der Josephson-Kontakt /1 in seinem supraleitenden Zustand, so fängt die Schleife £8 einen Strom ein, dessen Stärke mit dem Strom in Beziehung steht der zu diesem Zeitpunkt auf der Signailcitung 14 vorhanden ist Die in Frage stehende Patentschrift sieht außerdem eine zweite Schleife zur Messung des in der ersten Schleife eingefangenen Stromwertes vor. Dem auf diesen Gebiet tätigen Fachmann ist es klar, daß zur Durchführung der Messung, für die eine endliche Zeit erforderlich ist, der Josephson-Kontakt J 1 supraleitend bleiben muß. Während dieser Zeit können jedoch irgendwelche Änderungen des Stroms auf der Signalleitung 14 entsprechende Änderungen des Stroms in der Schleife 18 hervorrufen. Um also eine wirksame Messung des Stroms in der Leitung 14 zu einem vorbestimmten Zeitpunkt durchzuführen, ist es notwendig, das Signal auf der Leitung als alleinigen Impuls zu verwenden, der von anderen Signalen durch einen zeitlichen Zwischenraum geirsnnt ist, der mindestens ebenso groß ist, wie die zur Durchführung der Messung erforderliche Zeit.

Der Gefienstand des US-Patents 33 62 018 ist einer

ausdrücklich erwähnten ähnlichen Beschränkung unterworfen, da der Strom im Leiter für den Arbeitsstrom abgeschaltet werden muß, um in der supraleitenden Schleife einen Ringstrom zu erzeugen, dessen Stärke s gleich der Stärke des ursprünglichen Stroms ist

Wenn ein Benutzer den Gegenstand des US-Patents 37 64 905 zur Messung des Signalpegels eines isolierten Impulses verwenden will, oder es einrichten kann, daß seine Signalleitung das Signal sofort nach dem zu messenden Signalpegel zurücksetzt, kann die in dem genannten Patent beschriebene Einrichtung selbstverständlich auch zum Einfrieren eines Stromes in einer supraleitenden Schleife verwendet werden, der dann als Maß für den Strompegel auf der Signalleitung dient Im allgemeinen Fall eines Meßproblems Findet ein Benutzer jedoch diese glücklichen Umstände nur selten vor, d. h. einen einzigen isolierten Impuls, den er messen will oder alternativ die Möglichkeit das Signal unmittelbar nach dem zu messenden Signal abzuschalten. Im ailgemeinen wird es bei Meßproblemen eher --o sein, daß der Benutzer eine Signslleitung hat, auf der esn kontinuierliches Signal läuft und er dann den Signalpeger auf dieser Leitung mit einer vorbestimmten Wiederholungsrate messen will. Außerdem erfordern die Meßgeräte, die derzeit zur Verfügung stehen, eine endliche Zeitdauer, um die Messung durchzuführen. Dies kann am spezifischen Beispiel eines Analog/Digital-Wandlers als Meßprozeß erläutert werden: Obwohl Geräte zur Durchführung dieser Wandlung relativ schnell arbeiten, erfordern sie trotzdem eine endliche Zeit, um die Wandlung herbeizuführen. Der Benutzer steht also dem Problem gegenüber, einen Schaltkreis zu finden, der in der Lage ist, einen Strom auf einer Signalleitung zu irgendeinem vorbestimmten Zeitpunkt abzutasten und den abgetasteten Wert während eines Meßintervalls aufrechtzuerhalten, und zwar unabhängig von Änderungen des Stroms in der tatsächlichen Signalleitung.

In der US-Patentschrift 29 49 602 wird zwar ein supraleitender A/D-Wandler beschrieben, doch beruht die dort angegebene Lösung auf der gleichzeitigen Verwendung von harten und weichen Supraleitern und es ist nicht ersichtlich, wie die Lehre dieses Patents auf einen Schaltkreis übertragen werden könnte, der nur einen einzigen Josephson-Kontakt enthält.

Die vorliegende Erfindung hat sich nach alledem die Aufgabe gestellt, eine schnell arbeitende Schaltung der eingangs genannten Art anzugeben, die nur ein einziges Josephson-Elemeht umfaßt und die in der Lage ist einen abgetasteten Strom zu speichern. Die Schaltung soll dabei für kontinuierlich anstehende Signale verwendbar und zu messen sein.

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch gekennzeichnete Erfindung gelöst. Ausbildungen und Weitergestaltungen der Erfindung sind in den Unteran-

5s Sprüchen gekennzeichr·zi.

Im wesentlichen handelt es sich bei der Erfindung um einen Schaltkreis zur Abtastung und Messung von Analogsignalen, bei dem ?wei supraleitende Schaltkreise in Parallelschaltung an ein Paar von Endklemmen angeschlossen sind einer dieser Schaltkreise enthält einen Josephson-Kontakt, der andere eine induktivität {die auch verteilt angeordnet sein kann) und die größer ist als die Induktivität des |osephson-Kontakts. Ein analoges Signal wird an eine der Endklemmen angelegt. Es rind Umschaltvorrichtungen vorgesehen, mit denen der Josephson-Kontakt zwischen seinen normal- und supraleitenden Zuständen umgeschaltet werden kann: dadurch werden in der Schleife ein oder mehrere Fluß-

quanten eingefroren. Eine Ausgabevorrichtung ist an einen der beiden Schaltkreise angeschlossen.

In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Steuerstrom für den Josephson-Kontakt konstant (oder Null), so daß der Josephson-Kontakt nur in Abhängig- s keil des analogen Signalpegels umschaltet. Bei dieser Ausführungsform kann eine Anzahl von Impulsen erzeugt werden, die wiederum mit dem Signalpegel in Beziehung steht, so daß es sich hier um einen Analog/ Digital-Wandler handelt.

In einer weiteren Ausführungsform wird das Umschalten des Josephson-Kontakts durch einen äußeren Steuerstrom hervorgerufen. Im Normalfall befindet sich der Josephson-Kontakt in seinem spannungsbehafteten Zustand, so daß im wesentlichen das gesamte analoge Signal .in den zweiten Schaltkreis fließt. Wenn der Josephson-Kontakt daraufhin in den supraleitenden Zustand umgeschaltet wird, fließt durch den zweiten Schaltkreis der Teil des Anaiogsignais, der auch schon vor dem Umschalten des Josephson-Kontakts in dem zweiten Schaltkreis floß. Der andere Teil des analogen Signals, der Änderungen des Analogsignals nach dem Umschalten darstellt, fließt dann im ersten Schaltkreis. Diese Bedingung hält so lange vor, wie der Josephson-Kontakt in seinem supraleitenden Zustand verbleibt. 2s Wenn der Josephson-Kontakt darauf durch die Umschaltvorrichtung wieder in seinen normalleitenden Zustand zurückversetzt wird, fließt im wesenlichen das gesamte analoge Signal wiederum in den zweiten Schaltkreis. Diese Ausführungsform stellt ein Gerät zur Abtastung und zur Speicherung des abgetasteten Wertes dar, da der Pegel des Analogsignals zur Zeit des Umschaltens in dem zweiten Schaltkreis aufrechterhalten wird, und zwar unabhängig von Änderungen (innerhalb geeigneter Grenzen) des Pegels des Analogsignals. Der Strom, der im zweiten Schaltkreis fließt, kann dann mit Hilfe geeigneter fviiüci gemessen Werden, Uni den Pegel des Analogsignals zur Zeit des Umschaltern festzustellen.

Die Vorteile dieser Erfindung bestehen in der Flexibilität ihrer Anwendung, da sie sowohl als Analog/Digital-Wandler als auch zur Speicherung des abgetasteten Signals verwendet werden kann. Der Zeitpunkt, an dem der Meßwert auf einer Signalleitung festgehalten werden soll, kann mit der erfindungsgemäßen Einrichtung sehr genau Fixiert werden: die Umschaltzeit für die Einrichtung ist dabei außerordentlich gering. Änderungen des Signals nach dem Meßprozeß verändern das Meßergebnis nicht

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun an- so hand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 die Einrichtung zur Analog/Digital*Konversion und zur Speicherung des Meßwerts in schematischer Darstellung;

F i g. 2a. 2b und 2c Wellenformen zur Erläuterung der Wirkungsweise der Abtast- und Speichereinrichtung;

F i g. 3 die perspektivische Darstellung einer Ausführungsform der Abtast- und Speichereinrichtung;

Fig.4 die schematische Darstellung zur Durchführung der A/D- Wandlung und m>

F i g. 5 typische Wellenformen während des Betriebs des Schaltkreises von F i g. 4.

F i g. 1 zeigt eine Einrichtung zur Analog/Digital-Wandlung eines Anaiogsignais. Das Analogsignal wird beispielsweise durch einen Generator 40 in Form eines tö Gleichstromsignals geliefert, dessen Amplitude in digitaler Form angezeigt werden solL Es ist natürlich selbstverständlich, daß im tatsächlichen Einsatz der Generator 40 nicht vorgesehen wird, sondern der übrige Teil der in F i g. I dargestellten Einrichtung wird in Wirklichkeit an einen Schaltkreis angeschlossen sein, bei dem der Stromwert an einem bestimmten Punkt gemessen werden soll. Außerdem ist die Funktion einer Analog-Digital-Wandlung nur ein Beispiel einer ganzen Anzahl von Meßvorgängen, bei denen Abtastungs- und Speicherungsschaltkreise notwendig sind; der Abtast- und Speicherungsschaltkreis der vorliegenden Erfindung ist also keineswegs auf den Betrieb im Zusammenhang mit Analog-Digital-Wandlern beschränkt; er kann mit beliebigen Meßeinrichtungen verwendet werden, bei denen ein abgetastetes Signal für eine vorbestimmte Zeitdauer gespeichert werden soll, damit der Meßvorgang weiter durchgeführt werden kann. Vor einer detaillierten Beschreibung der Einrichtung sollen kurz die allgemeinen Anforderungen an den Abtast- und Speicherschaltkreis dargestellt werden. Bei der Messung eines Analogsignais besieht eine Funktion des Abiast- und Speicherschaltkreises darin, den Signalpegcl innerhalb des gewünschten Intervalls auszuwählen-, es handelt sich also hier um die Abtastfunktion. Als zweite Funktion ist dieser abgetastete Pegel eine vorbestirnmte Zeitlang aufrechtzuerhalten und zu speichern, während der Meßprozeß weitergeht: hier handelt es sich also um die Speicherfunktion, in vielen Fällen wird die Speicherfunktion durch die Tatsache kompliziert, daß das gerade gemessene Analogsignal nach dem Abtastintervall Änderungen unterworfen ist, und deshalb der Abtast- und Speicherkreis die Fähigkeit besitzen muß nicht auf nachfolgende Änderungen des Anaiogsignais zu reagieren, da sonst der Meßprozeß verfälscht wird: Statt mit einem einzigen abgetasteten Signalpegcl würde man dann mit einem sich ändernden Abtastwert arbeiten.

In der Darstellung von Fi g. 1 wird das zu messende Signal I4t) an die Eingangsklemme 20 angeschlossen. Die Ausgangskicmme 2i wird zweckmäßigerweise geerdet. Zwischen der Eingangs- und der Ausgangsklemme 20 und 21 liegt ein supraleitender Schaltkreis, d. h. ein Schaltkreis, der aus Materialien aufgebaut ist, die bei der Betriebstemperatur supraleitend sind. Mit diesem Schaltkreis verbunden ist ein Josephson-Kontakt 25. Fig. 1 zeigt, daß der Josephson-Kontakt 25 von einem Nebenschlußwiderstand R überbrückt ist, da im allgemeinen ein Widerstand erforderlich ist, um sicherzustellen, daß der Josephson-Kontakt kritisch gedämpft ist. Obwohl dieser Widerstand R vorzugsweise eingebaut wird, ist er nicht unbedingt erforderlich: der notwendige Widerstand kann auch mit anderen Mitteln eingebaut werden als durch Parallelschaltung des Widerstands R zum Josephson-Kontakt.

Ein zweiter supraleitender Schaltkreis 26 ist ebenfalls mit den Eingangs- und Ausgangsklemmen 20 und 21 verbunden. Der zweite supraleitende Schaltkreis enthält eine Induktivität L Obwohl die Induktivität L in F i g. 1 als ein diskretes Element dargestellt ist, handelt es sich in Wirklichkeit in den meisten Fällen um eine verteilte Induktivität

Wie in F i g. 1 gezeigt, kann der zweite supraleitende Schaltkreis mit einem Analog-Digital-Konverter 15 gekoppelt sein, wobei die Kopplung am zweckmäßigsten auf magnetische Weise erfolgt In F i g. 1 ist zwar ausdrücklich ein Analog-Digital-Wandler angeschlossen, es ist jedoch selbstverständlich, daß an den zweiten supraleitenden Schaltkreis 26 irgendein beliebiges Meßinstrument angeschlossen werden kann. Vorzugsweise ist dieses Meßinstrument bei der Betriebstemperatur ebenfalls supraleitend

In unmittelbarer Nähe des loscphson-Kontakls 25 ist ein Stcucrleiter gelegt, der mit den Klemmen 30 und 31 verbunden ist. Ein Steuerstrom /, fließt in diesen Kreis und steuert den Zustand des Josephson-Kontakts 25.

F i g. 3 zeigt den physikalischen Aufbau des Abtast- ■> und Speicherschaltkreises entsprechend der vorliegenden Rrfindung. In Fig. J sind für entsprechende Teile dicsclbcif 3czugszcichen verwendet wie in Fig. 1. Auf einer Grundplatte 40 ist eine Isolierschicht 50 niedergeschlagen. Auf dieser Isolierschicht 50 sind weiterhin die Leiierzüge 20', IY und 26 aufgebracht. Ein Joscphson-Kontakt 25 liegt zwischen den Leitern 20' und 21'. Ein Steuerleiter liegt zwischen den Klemmen 30' und 31'. Da nur ein Teil der Schaltkreise in Fig.3 dargestellt ist, können die mit einem Strich versehenen Elemente mit \s den ohne Strich bezeichneten Klemmen entsprechend Fig. 1 verbunden werden. Die Lage des Steuerleiters kann entsprechend der Topographie der Schaltkreise verändert werden; er ist vom joseprmjn-Kümäki normalerweise durch eine Isolierschicht getrennt.

Während des Betriebs führt der Steuerleiter normalerweise einen Strom, der so eingestellt ist, daß der Joscphson-Kontakt 25 in seinem spannungsbehafteten Zustand ist. Als Folge davon fließt im wesentlichen der gesamte /u messende Strom I₁(I) durch den zweiten supraleitenden Schaltkreis 26. Zu dem Zeitpunkt, an dem der Strom I₁(I) abgefühlt werden soll, wird der Strom im Steuerleiter auf »0« gesetzt und somit der Josephson-Kontakt in seinen supraleitenden Zustand umgeschaltet. Da die Induktivität des josephson-Kontakts kleiner ist als die Induktivität im zweiten supraleitenden Schaltkreis 26, wird der Strom, der durch den zweiten supraleitenden Schaltkreis 26 floß, auf dem Wert gehalten, den er zu der Zeit hatte, als der Josephson-Kontakt in seinen supraleitenden Zustand um- J5 geschaltet wurde. In dem Analogsignal IJt) treten jedoch Stromändcrungcn suf. die durch die supraleitende Einrichtung 25 fließen. Solange also der Josephson-Kontakt 25 in seinem supraleitenden Zustand gehalten wird, fließt ein Strom in den zweiten supraleitenden Schaltkreis 26, der gleich dem Strom ist, der dort floß, als der Josephson-Kontakt 25 in seinen supraleitenden Zustand umgeschaltet wurde. Auf diese Weise wird der abgetastete Strompegcl während der Messung auf gleicher Höhe gehalten. Zum Abschluß des Meßprozesses wird der Josephson-Kontakt 25 wieder in seinen normalleitenden Zustand umgeschaltet, und zwar mit Hilfe eines angelegten Steuerstroms. Der Strom im zweiten supraleitenden Schaltkreis 26 erreicht auf diese Weise schnell den Pegel des Analogsignalstroms IJ(Il, der ge- so messen werden soll. Sobald im wesentlichen der gesamte Signalstrom I₁(I) wieder durch den supraleitenden Schaltkreis 26 fließt, ist die Abtast- und Speichereinrichtung 10 wieder in Lage, eine weitere Abtastung durchzuführen.

Die für diese Betriebsweise typischen Wellenformen sind in den F i g. 2A bis 2C dargestellt F i g. 2A zeigt eine typische Wellenform für den Steuerstrom. F i g. 2B soll einen typischen Analogsignalstrom l/t) darstellen, der gemessen werden solL F i g. 2C stellt den Strom dar, der im zweiten supraleitenden Schaltkreis fließt. Zur Zeit to stellt die Anwesenheit des Steuerstroms sicher, daß der Josephson-Kontakt sich in seinem normalleitendem Zustand befindet und daß damit zu dieser Zeit der Strom im zweiten supraleitenden Schaltkreis !-,(t) gleich ist mit //fjt dem zu messenden Strom. Zur Zeit /1 wird der Steuerstrom auf »0« zurückgesetzt und damit der Josephson-Kontakt 25 in seinen supraleitenden Zustand umgeschaltet. Zur Zeit /1 wird also der Strom im zweiten supraleitenden Schaltkreis l\(i) abgefühlt. Da der Steuerstrom bis zur Zeit t₂ auf »0« gehalten wird, bleibt der Strom im zweiten supraleitenden Schaltkreis von der Zeil fi bis zur Zeit 0 konstant. Der Strom l\(t) wird beibehalten, und zwar unabhängig von allen Änderungen des Analog-Signalstroms I4O'· diese Änderungen fließen durch den Josephson-Kontakt 25. Beim Abschluß des Meßintervalls zur Zeit /2 schaltet der Steuerstrom den Josephson-Kontakt in seinem normalleitenden Zustand zurück, wodurch der Strom im zweiten supraleitenden Schaltkreis 26 nun dem zu messenden Strom folgt. Die Öffnungszeit t₄ ist also die Zeit definiert, die für den zweiten supraleitenden Schaltkreis erforderlich ist um sich auf den Stromwert des zu messenden Stroms einzustellen. Die Öffnungszeit wird durch die Zeitkonstante L/R des Schaltkreises bestimmt. Typischerweise kann man einen Induktivitätswert L von iO-'- hi und einen Widerstand R in der Größenordnung von 10-' Ohm erwarten. Damit ist eine Öffnungszeit t, der Größenordnung von 10 Pico-Sekunden möglich.

Die Haltezeit r« ist als die Zeit definiert, während der der abgetastete Wert konstant gehalten werden kann. Im Prinzip ist diese Zeit unendlich. Die Stabilität des gespeicherten Signals ist gleich dem Verhältnis der Schleifeninduktivität L, d. h. der Induktivität im zweiten supraleitenden Schaltkreis und der Induktivität des Josephson-Kontakts.

Der Josephson-Kontakt schaltet zwar zwischen einem normalleitenden und einem supraleitenden Zustand um, es ist dabei aber klar, daß durch den Kontakt auch im normalleitenden Zustand ein gewisser Strom fließt. In dem Maße, in dem ein Strom durch den normalleitenden Josephson-Kontakt fließt, ergibt sich ein Unterschied zwischen dem zu messenden Strom /_a(t) und dem Strom, der im zweiten supraleitenden Schaltkreis fließt Damit nun Meßfehler aufgrund dieses Stromes vermieden werden, sollte der Josephson-Kontakt so aufgebaut sein, daß dieser Strom geringer ist als die Hälfte des niedrigstelligsten Bits, das sich als Ergebnis des Meßprozesses erwarten läßt. In ähnlicher Weise muß die Einrichtung so aufgebaut sein, daß beim Umschalten des Josephson-Kontakts in seinen supraleitenden Zustand das zu messende Gleichstromsignal I/t) nicht den maximalen Josephson-Strom des Kontakts überschreitet.

Mit der beschriebenen Einrichtung kann also ein kontinuierliches Analog-Stromstgnal zu beliebigen vorbestimmten Zeitpunkten abgefühlt werden und außerdem das abgefühlte Signal gespeichert werden, und zwar unabhängig von Änderungen des kontinuierlichen Analog-Stromsignals, so daß der Meßprozeß während eines Meßintervalls an einem konstanten abgetasteten Pegelwert durchgeführt werden kann. Bei dem Betrieb muß dabei das kontinuierliche Analog-Signal nicht auf »0« zurückgesetzt werden und es ist auch nicht notwendig, daß das abgetastete Signal impulsförmig auftritt

Fig.4 zeigt im wesentlichen denselben Schaltkreis für F i g. 1 zur Durchführung von Analog-Digital-Wandlungen. Wie in F i g. 1 wird das umzuwandelnde Signal durch einen Signalgenerator 40 zugeführt Dieses Signal, l/t), gelangt zu einer Eingangsklemme 20. Zwei supraleitende Schaltkreise sind mit der Eingangsklemme 20 verbunden. Ein erster supraleitender Schaltkreis enthält einen Josephson-Kontakt 25, der zwischen den Klemmen 20 und 21 Hegt Ein zweiter supraleitender Schaltkreis liegt ebenfalls zwischen denselben beiden Klemmen. Eine Steuervorrichtung mit einem Leiterzug

ist an die Klemmen 30 und 31 angeschlossen, um den Zustand des Josephson-Kontakts 25 mit Hilfe eines darin fließenden Steuerstroms I₁- einzustellen. Bei dieser Anwendung wird jedoch der Steuerstrom /,■ festgehalten, er kann sogar »0« sein; Einzelheiten hierzu werden im folgenden erklärt. Die Induktivität des ersten supraleitenden Schaltkreises wird als L_g bezeichnet, da der größere Teil dieser Induktivität auf den Josephson-Kontakt 25 selbst entfällt. Die Induktivität des zweiten supraleitenden Schaltkreises 26, des Verzweigungsschaltkreises, wird im folgenden als Lb bezeichnet; diese Induktivität ist in Fig. 4 zwar als diskretes Element dargestellt, in Wirklichkeit kann sie aber auch in dem Verzweigungskreis verteilt angeordnet sein. Vorzugsweise ist Lb größer als L_t und das Verhältnis L₁JLh soll nach Möglichkeit ungefähr 0,02 betragen. Das Analog-Signal, das in Digitalform umzusetzen ist, umfaßt den Analog-Strom I/O' der in die Klemme 20 fließt und entsprechend der Darstellung in F i g. 2 dem Signaigenerator 40 entnommen wird. Der Schwellwertstrom des Josephson-Kontakts 25 /_mal wird so eingestellt, daß er = I_nIn beträgt, wobei /„ den Maximalwert des Analog-Signals bezeichnet und η die gewünschte Auflösung des Wandlers darstellt: die Einstellung des Schwellwertstroms erfolgt durch einen geeigneten Steuer-Vorstrom, durch eine geeignete Konstruktion des Kontakts oder durch eine Kombination dieser beiden Faktoren. Zur Erzielung einer größeren Genauigkeit erlaubt der Konverter Änderungen des Magnetflusses in der Schleife, die aus den beiden supraleitenden Schaltkreisen besteht nur in Beträgen eines einzelnen Flußquants Φο, dessen Wert gleich 2 · 10-^IS Voltsekunden ist. Um sicherzustellen, daß der magnetische Fluß sich nur in Beträgen eines einzelnen Flußquants ändert, ist die gesamte Induktivität der Schleife L_f + L₆ ungefähr gleich <rV/_m„.

Beim Betrieb wird der Josephson-Kontakt auf den maximalen Josephson-Kontakt ZsS₁ eingestellt Wie oben erwähnt, kann diese Voreinstellung des Arbeitspunktes entweder durch einen konstanten Steuerstrom /,· erfolgen, durch eine geeignete Wahl der physikalischen Parameter und Materialien des Josephson-Kontakts oder durch eine Kombination des Steuerstroms und des Aufbaus des Kontakts. Wenn der analoge Signalstrom HO betragsmäßig zunimmt, wird er in jedem Fall zuerst im wesentlichen nur im ersten supraleitenden Schaltkreis fließen, d.h. durch den Josephson-Kontakt 25. Genauer werden ungefähr 98% des analogen Eingangsstroms im ersten supraleitenden Schaltkreis fließen. Wenn I/t) jedoch den Wert I_n., erreicht, schaltet der Josephson-Kontakt in seinen normalleitenden Zustand um und dadurch wird im wesentlichen der gesamte analoge Signalstrom in den zweiten supraleitenden Schaltkreis verlagert Sobald der analoge Signalstrom nicht mehr durch den ersten supraleitenden Schaltkreis fließt schaltet der Josephson-Kontakt jedoch in seinen supraleitenden Zustand zurück. Zu diesem Zeitpunkt wird Iy(O im wesentlichen gleich !„*, und Ig(O ^wu"d im wesentlichen zu »0«. Steigt dann der analoge Signalstrom weiterhin an, so fließt der den Wert Im_x, übersteigende Strom wieder im ersten supraleitenden Schaltkreis. Wenn der Wert von Ig(O wiederum den Wert In», des Josephson-Kontakts 25 erreicht, schaltet dieser wiederum in den normalleitenden Zustand um, so daß nun Ιφ) den Wert 2/™, erreicht Wenn das analoge Stromsigna! weiterhin ansteigt, ergeben sich wiederum die gleichen Vorgänge, d. h. der Josephson-K-ontakt 25 schaltet vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand um, und zwar jedesmal, wenn der ihn durchfließende Strom /,„„■ erreicht, um dann unmittelbar danach wieder in den supraleitenden Zustand zurückzuschalten. Jedesmal wenn der Josephson-Kontakt 25 einen Umschaltzyklus zum normalleitenden und zurück zum supraleitcnden durchläuft, wird ein einzelnes Flußquanl in der Schleife eingefangen.

Wenn das analoge Signal anfängt abzunehmen, bewirkt der eingefangene Magnetfluß, daß ein Strom im Josephson-Kontakt in umgekehrter Richtung fließt.

ίο Nimmt das analoge Signal weiterhin ab. so steigt der Strom durch den losephson-Kontakt 25 in umgekehrter Richtung an, bis schließlich I₁, den Wert —/„„, erreicht. An diesem Punkt schaltet der Josephson-Kontakt 25 wiederum in seinen normalleitenden Zustand um. In diescm Fall weist jedoch die an dem Kontakt abfallende Spannung die umgekehrte Polarität auf und es wird ein einzelnes Flußquant von der Schleife abgegeben. An dieser Stelle schaltet der losephson-Kontakt dann wieucT ZüTüCK in uCn SüproiCIiCnuCn f.üj!2"u. K^'CSCr . ΟΓ-gang wiederholt sich, solange das Analog-Signal abnimmt.

Die in Einzelschritten erfolgende Zugabe oder Freigabe eines Flußquants wird durch die L//?-Zeitkonstantc der Schleife bestimmt. Im allgemeinen kann dieser Vorgang sehr viel schneller durchgeführt werden als die Änderungen des Pegels des Analog-Signals erfolgen. Durch Differenzierung des im zweiten supraleitenden Schaltkreises fließenden Strom /j/y kann damit das Auftreten von Flußerhöhungen oder Flußherabsetzungen festgestellt werden.

Eine Einrichtung zur Durchführung dieser Funktion ist in F i g. 4 schematisch durch einen Transformator T dargestellt. Der Transformator T besitzt eine Primärwindung, die Bestandteil des zweiten supraleitenden

J5 Schaltkreises ist und eine Sekundärwindung, die magnetisch mit der Primärwindung gekoppelt ist. Die Sekundärwindung gibt kürze Impulse einer Polarität bei der schrittweisen Zunahme des Analog-Signals ab, die ihrerseits Folge der Aufnahme eines weiteren Hußquanis in

die Schleife ist. In entsprechender Weise führt die Abnahme des Analog-Signals zur Erzeugung ve-. Impulsen der entgegengesetzten Polarität als Folge des Vertreibcns eines Flußquants aus der Schleife. Diese Impulse können verstärkt werden, um einen 2"-Binärzähler zu betreiben oder den Inhalt eines N-Bit-Schieberegisters nach rechts bzw. nach links zu verschieben. Damit ergeben sich zu allen Zeiten im Zähler oder in dem Schieberegister diskrete Digitalwerte entsprechend dem analogen Signalpegel.

Die Wirkungsweise des in F i g. 4 schematisch dargestellten Schaltkreises kann genau anhand der in Fig.5 beispielhaft dargestellten Wellenformen erläutert werden. Zu diesem Zweck zeigt Fig.5 die Wellenform eines charakteristischen Analog-Stromsignais Ht), das über der Zeit aufgetragen einen dreieckförmigen Verlauf aufweist Die Abszisse ist im Einhalten von /_Μ, geeicht In F i g. 5 sind weiterhin charakteristische Wellenformen für HO· MO ^{sowie die} zeitliche Ableitung von !φ) enthalten. Wenn der Analog-Pegel des Signal-

Stroms zunimmt, wächst auch der Strom durch den Josephson-Kontakt Ig(O entsprechend bis zur Zeit /,, wenn 1/0 = I**" ^wird- An dieser Stelle schaltet der Josephson-Kontakt 25 in seinen normalleitenden Zustand um und zwingt dadurch den analogen Signalst-rom in den zweiten supraleitenden Schaltkreis. Zur Zeit u nimmt also Ιφ) in stufenförmiger Weise bis zum Wert An« zu und I/O fällt im wesentlichen auf den Wert »0«. Da jedoch der analoge Signalstrom HO weiterhin an-

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steigt, nimmt auch l/t) zu, während Ib(O konstant bei /„:.„ bleibt. Wenn der Analog-Pegel des Signals den Wert 2/„„, ».rreicht hat, fließt ein Strom /„„, im Jouephson-Kontakt. Dies führt wiederum zu dessen Umschalten in den normallcitcndcn Zustand und erzwingt damit einen Stromfluß von 2/_mil) im zweiten supraleitenden Schaltkreis. Der Strom im zweiten supraleitenden Schaltkreis wird dadurch in Stufen von /„_u, erhöht, während der Strom durch den Josephson-Kontakt kontinuierlich von O bis In,., zunimmt und dann auf den Wert O zurückfällt.

Nach der Zeit fe und vor der Zeit /7 erreicht das Analog-Signal //f^den Maximalwert und fängt dann an abzunehmen. Der Strom durch den Josephson-Kontakt /^spiegelt diese Änderung dadurch wieder, daß der zu dieser Zeit ein Maximum erreicht und dann so lange abnimmt, bis vor der Zeit h, lf(t) in umgekehrter Richtung 7.U fließen beginnt und an Stärke zunimmt. Zur Zeit -■ .·; wird i/t) —■ — !„,,. Dadurch wird natürlich wieder ein

Umschalten des josephson-Kontakts in seinen normalleitenden Zus-.and hervorgerufen. Die Spannung, die am Josephson-Kontakt abfällt, besitzt dann aber die umge- ! kehrte Polarität und es wird entsprechend ein Fiuß-

quant aus der Schleife herausgedrängt. Dies zeigt sich in !.* der stufenweisen Änderung von/t/i^zur Zeit/;.

,; Durch magnetisches Ankoppeln an entweder den er-

A sten oder den zweiten der supraleitenden Schaltkreise :'i kann ein Ausgangssignal, beispielsweise zum Betrieb ■y- eines Zählers entnommen werden. F i g. 4 zeigt eine ma- ;i gretische Ankopplung an den zweiten supraleitenden j Schaltkreis mit Hilfe einer Sekundärwindung, die ma- \$ gnetisch mit dem zweiten supraleitenden Schaltkreis ί verbunden ist. durch den I^t) fließt Die in der Sekun-

l·' därwindung induzierte Spannung stellt natürlich die ψ zeitliche Ableitung des Flusses dar, der die zweite Win- ^ dung durchsetzt. Außerdem ist der Fluß, der die zweite _ Windung durchsetzt proportional zum Strom, der

g durch den zweiten supraleitenden Schaltkreis fließt, d. h. % lt(t). Die in der Sekundärwindung induzierte Spannung Is ist damit proportional zur Größe d/tftj/df. Die Wellenform dieser Funktion ist ebenfalls in F i g. 5 dargestellt. Jj Es kann aber auch der Strom in der ersten supralei-

tenden Schaltung, l/t) zur Erzeugung eines Ausgangssi- :5j gnals herangezogen werden, und damit der Digitalwert g des analogen Eingangssignals bestimmt werden. Eine ähnliche Art der magnetischen Kopplung kann für dieses Ausgangssignal verwendet werden. Anhand von Fig.5 und insbesondere anhand der Wellenform von l^O^gibx sich aber, daß die zeitliche Ableitung von l^t) einen zusätzlichen, bzw. anormalen Impuls enthält, der so die Änderung der Steigung des Analog-Signals zwischen den Zeitpunkten t_b und /7 darstellt. Diese Anomalie tritt bei allen Eingangssignalen auf. die zuerst ansteigen und dann abfallen. Da es sich hierbei um einen systematischen Fehler handelt, kann ein logischer Schaltkreis vorgesehen werden, der das Ausgangssignal so modifiziert, daß sich ein korrektes Resultat ergibt Beispielsweise kann der erste Impuls, der ein Herunterzählen bewirkt, nachdem ein oder mehrere Impulse für das Heraufzählen empfangen wurden, so verarbeitet werden, daß er ein zweimaliges Herunterzählen bewirkt und dadurch den anormalen Impuls für das Heraufzählen kompensiert

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Supraleitende Schaltung mit Josephson-Kontakten zur Abtastung und Messung eines Analogstroms, dadurch gekennzeichnet, daß eine an sich bekannte supraleitende Speicherzelle (10) vorgesehen ist, die einen ersten Stromzweig (20,21) mit einem Josephson-Kontakt (25) aufweist, dem Einrichtungen (30,31) zur Steuerung seines Umschaltschwellwerts zugeordnet sind und dem ein zweiter Stromzweig (26) parallel geschaltet ist, dessen Induktivität groß gegen-Oberderdes ersten Stromzweiges ist daßder Analogstrom /^ dem ersten Stromzweig (20,21) zugeführt und während des Abtastvorgangs in den zweiten Stromzweig (26) verlagert wird, und daß eine mit dem zweiten Stromzweig gekoppelte Einrichtung (15) zur Messung des verlagerten Stroms vorgesehen ist

2. Schaltung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet da£ das Verhältnis der Induktivität des ersten zu der ds* zweiten Stromzweiees ungefähr 0.02 beträgt

3. Schaltung nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet daß der Josephson-Kontakt (25) kritisch gedämpft ist

4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß der Josephson-Kontakt (25) des ersten Zweiges zu Beginn des Meßvorgangs durch eine Änderung des Steuerstroms (I_c) von seinem normalleitenden in den supraleitenden Zustand umscheltet und daß nach Beendigung der Messung des im zweiten Zweig gespeicherten Stromes der Josephson-Kontakt widder in seinen supraleitenden Zustand zurückgeschaltet wird.

5. Schaltung nach Anspruch ν dadurch gekennzeichnet daß der zweite Stromzweig induktiv mit einem vorzugsweise ebenfalls in Form einer supraleitenden Schaltung realisierten Analog/Digital-Wandler (15) gekoppelt ist.

6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerstrom (l_c) in periodischen Impulsen (F i g. 2A) angelegt wird.

7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwert (l_max) des Josephson-Kontakts (25) auf einen konstanten vorbestimmten Wert ensprechend der gewünschten Meßauflösung eingestellt wird und daß die im zweiten Stromzweig auftretenden Stromimpulse registriert werden, die jeweils bei einer Änderung des Analogstroms um den Schwellwert entstehen.

8. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß die Einstellung des Schwellwerts (l_m„) durch einen konstanten Steuerstrom (l_c) oder durch den Aufbau des Josephson-Kontakts (25) oder durch beide Faktoren zusammen erfolgt.

9. Schaltung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet daß die Gesamtinduktivität der aus den beiden Zweigen bestehenden Schleife ungefähr Φα/Imix beträgt, wobei Φ_α der Wert eines elementaren Flußquants ist, und daß somit beim Umschalten des Josephson-Kontakts (25) jeweils gerade ein Flußquant eingefangen bzw. freigesetzt wird.

10. Schaltung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststellung der Stromimpulse durch einen in den zweiten Zweig eingebauten Transformator (T; Fig.4) erfolgt, dessen Ausgang einem Binärzähler zugeführt wird.

Die Erfindung betrifft eine supraleitende Schaltung mit Josephson-Kontakten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Wesentliche Funktionen dieser Schaltung sind beispielsweise die Analog/Digital-Umsetzung oder die Abtastung von schnell veränderlichen Signalen mit nachfolgender Speicherung des Meßwartes.

Die vorliegende Erfindung macht von Schalteinrichtungen Gebrauch, in denen Josephson-Tunnelströme fließen können. Die grundlegende theoretische jjrklärung des Josephson-Effekt ist in dem Artikel »Possible New Effect in Superconductive Tunnelling von B. B. Josephson, in »Physics Letters«, Seiten 251 bis 253 vom Juli 1962 enthalten. Seit dieser Zeit gehören zahlreiche weitere Josephson-Kontakte und deren Anwendung z'im Stand der Technik. Im folgenden werden hiervon nur die wichtigsten betrachtet

Die Anwendung eines Josephson-Kontakt für Speicherzwecke ist in dem Artikel »NDRO Memory Cell Employing a Single Josephson Tunnelling Gate« im IBM Technical Disclosure Bulletin, VoL 15, Nr. 9, vom Februar 1973. Seiten 2904—05 sowie in der deutschen Offenlegungsschrift 23 43 441 beschrieben. Beide Literaturstellen offenbaren supraleitende Speicherzellen, die als ein Paar von supraleitenden Schaltkreisen aufgefaßt werden können, von denen einer Josephson-Kontakt enthält In der erstgenannten Schrift enthält der andere supraleitende Schaltkreis eine Induktivität, die gleich der Induktivität des Josephson-Kontaktes ist In der zweiten Literaturstelle wird eine Speicherzelle beschrieben, bei der die Induktivität des Josephson-Kontaktes geringer ist als die Induktivität des restlichen Schaltkreises, der die Speicherzelle darstellt.

In der US-Patentschrift 37 64 905 wird ein »Apparat zur Messung von iropulsförmigen Signalen mit Hilfe von Josephson-Tunnelkontakten« beschrieben. Dort handelt es sich um eine supraleitende Schleife mit einem Josephson-Kontakt. der in unmittelbarer Nähe einer Signalleitung angeordnet ist, auf der die zu messende Wellenform läuft. Der magnetische Flufc von der Wellenform durchsetzt die Schleife mit einem Betrag, der zu einem gegebenen Zeitpunkt von ckr Amplitude der Wellenform abhängt. Eine Steuereinrichtung ist so angeordnet, daß der Josephson-Kontakt in seinen supraleitenden Zustand umgeschaltet wird, wenn die Wellenform abzutasten ist. Ein weiterer Josephson-Kontakt zur Prüfung kann in unmittelbarer Nähe der supraleitenden Schleife vorgesehen werden, um den Flußbetrag festzustellen, der in der Schleife eingefroren ist.
Die US-Patcntschnft 33 62 018 betrifft einen »elektrisehen Schaltkreis mit supraleitenden Speicherelementen«. Es sind dort keine Josephson-Kontakte verwendet, sondern Cryotrons. Insbesondere wird dort beschrieben, daß ein Strom in einem Leiter, der Teil einer Schleife ist, innerhalb dieser Schleife eingefroren werden kann, wenn der Leiter ein Element enthält, das normalleitend gemacht werden kann, während der übrige Teil der Schleife im supraleitenden Zustand verbleibt. In dem genannten Patent wird der Strom in den supraleitenden Teil der Schleife umgelagert, wenn das Element im Leiter in seinen widerstandsbehafteten Zustand umschaltet. Wird daraufhin das Element in dem Leiter wieder in den supraleitenden Zustand zurückgeschaltet, und der Strom durch den Leiter abgeschaltet, so bildet sich in der Schleife ein Ringstrom aus, dessen Slärkc gleich der Stärke des ursprünglichen Stroms in dem Leiter ist.

In dem Artikel von Clarke et al »Super Conducting Memory Device Using josephson Junctions«, der in