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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung von elektrischen
Impulsen kurzer Zeitdauer, hoher Flankensteilheit und hoher Folgefrequenz.
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Bekannte Einrichtungen zur Erzeugung von Impulsen kurzer Zeitdauer
und hoher Flankensteilheit sind so ausgebildet (deutsche Auslegeschrift 1065 458),
daß die Impulse einem Kettenverstärker zugeführt werden, an dessen Verstärkerstufen
Spannungen wirksam sind, welche für die Impulsbasis zugeführter Eingangsimpulse
eine Spannungsschwelle bilden. Eine Einrichtung dieser Art hat den Zweck, die Impulsbasis
eines zugeführten Impulses in aufeinanderfolgenden Stufen des Kettenverstärkers
mehrfach zu begrenzen, so daß am Ende des Kettenverstärkers nur diejenigen Anteile
der Impulsamplituden abgeleitet werden, die über den vorgegebenen Begrenzungsspannungen
liegen.
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In dieser Weise ergeben sich am Ausgang des Kettenverstärkers Impulse
kurzer Dauer und hoher Flankensteilheit. Durch eine Einrichtung dieser Art können
Impulse sehr kurzer Zeitdauer und hoher Flankensteilheit erzeugt werden, es besteht
jedoch der Nachteil, daß der Kettenverstärker nicht geeignet ist für den Betrieb
mit beliebig hoher Frequenz, da die einzelnen Verstärkerstufen bestimmte Verzögerungszeiten
aufweisen. Diese Verzögerungszeiten ergeben sich durch die Trägheit der elektronischen
Verstärkerelemente.
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Es ist ferner bekannt (Elektronische Rechenanlagen, November 1959,
S. 164 bis 171), die Zykluszeit eines binären Informationsspeichers durch die Verwendung
von bistabilen Magnetschichtelementen uniaxialer Anisotropie erheblich zu verkürzen.
Die Verkürzung ergibt sich durch die Eigenschaft der Magnetschichtelemente uniaxialer
Anisotropie, die eine remanente Magnetisierung aufweisen, die im sogenannten Drehschaltbereich
durch ein steuerndes Magnetfeld kohärent mit einer extrem hohen Geschwindigkeit
gedreht wird. Das steuernde Magnetfeld wird durch zwei verschiedene Feldkomponenten
gebildet, von denen die eine von dem X-Koordinatenimpuls und die andere von dem
Y-Koordinatenimpuls abgeleitet werden. Das steuernde Magnetfeld kann somit nur wirksam
werden, wenn beide Komponenten genau gleichzeitig auftreten. Da jedoch die X= und
Y-Koordinatenimpulse auf getrennten Zuleitungen zugeführt werden, besteht die Möglichkeit,
daß die beiden Signalkomponenten verschiedene Verzögerungszeiten aufweisen. Daraus
ergibt sich ein schädlicher Einfluß für die Impulserzeugung zu bestimmten Taktzeiten,
der besonders wirksam ist bei Impulsen hoher Frequenz und kurzer Dauer. Die Koinzidenz
der beiden Signalkomponenten kann bei dieser bekannten Einrichtung nur durch größeren
Aufwand erreicht werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die ; Eigenschaft eines
Magnetschichtelementes uniaxialer Anisotropie nutzbar zu machen für die Erzeugung
von Impulsen kurzer Zeitdauer, hoher Flankensteilheit und hoher Folgefrequenz. Die
Erfindung ist gekennzeichnet durch ein bistabiles Magnetschichtelement i uniaxialer
Anisotropie, dessen remanente Magnetisierung durch ein steuerndes, in einem spitzen
Winkel zur Vorzugsrichtung der remanenten Magnetisierung wirkendes Magnetfeld vorgegebener
Amplitude aus einem der stabilen Zustände in den anderen stabilen t Zustand umgeschaltet
wird, ferner dadurch, daß am Magnetschichtelement eine einzige Steuerwicklung und
eine Abfühlwicklung angeordnet sind und daß die Steuerwicklung im Stromkreis eines
Sinuswechselstromgenerators angeordnet ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand der Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigt F i g.1 die Kurve der »kritischen Feldstärke« eines Magnetschichtelementes,
F i g. 2 ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung, F i g. 3 a und 3 b den zeitlichen
Verlauf des steuernden Magnetfeldes H und der abgefühlten Impulse
F i g. 4 eine weitere Ausführungsform gemäß der Erfindung, F i g. 5 eine Anordnung
zur Erzeugung impulsförmiger Treibfelder für die Steuerung von magnetischen Schalt-
und Speicherelementen, F i g. 6 eine Schaltungsanordnung zur Verstärkung der abgefühlten
Impulse.
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Die in F i g. 1 dargestellte kritische Kurve begrenzt denjenigen Bereich
des steuernden Magnetfeldes H, in dem Drehschalten erfolgt gegenüber dem Bereich,
in dem kein Drehschalten der Magnetisierung, sondern ein wesentlich langsamer verlaufendes
Umschalten, das sogenannte »Wandschalten« auftritt. Die durch die kritische Kurve
definierte Feldstärke H heißt die »kritische Feldstärke« für das Drehschalten. Bekanntlich
kann man mit Hilfe der aus der Literatur bekannten kritischen Kurve die Auslenkungsrichtung
ermitteln, in die sich die Magnetisierung oder der Magnetisierungsvektor M der dünnen
Magnetschicht bei Anlegen eines steuernden Magnetfeldes H einstellt. Wie bereits
erwähnt, wird diejenige Richtung, in welche sich der Magnetisierungsvektor M der
dünnen Magnetschicht bei Nichtvorhandensein eines steuernden MagnetfeldesH einstellt,
als »Vorzugsrichtung« 12 und die dazu senkrechte Richtung als »harte Richtung« 13
bezeichnet. Die Achsen der kritischen Kurve, die eine Astroide darstellt, fallen
mit der Vorzugsrichtung bzw. der harten Richtung (Hz- bzw. Hy-Achse) zusammen. Aus
Gründen der Eindeutigkeit der Darstellung soll eine Winkelzählung eingeführt werden,
wonach die 0°-Lage der Magnetisierung der +Hz-und die 180°-Lage der Magnetisierung
der -Hz-Achse entsprechen. Ohne äußeres Magnetfeld gibt es somit für den Magnetisierungsvektor
M die beiden stabilen Gleichgewichts- oder Ausgangslagen von 0 und 180°.
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Wenn jedoch in der Schichtebene ein äußeres Magnetfeld H vorhanden
ist, das um einen Winkel 0 von der Vorzugsrichtung abweicht, so wird der Magnetisierungsvektor
M aus der Vorzugsrichtung ausgelenkt. Die Auslenkungsrichtung des Magnetisierungsvektors
M für ein beliebiges äußeres Magnetfeld H kann - wie dem Fachmann bekannt ist und
wie sich durch mathematisch-physikalische Überlegungen zeigen läßt - aus der kritischen
Kurve allgemein ermittelt werden, indem man den H-Vektor vom Koordinatenursprung
aus aufträgt und von der Spitze des H-Vektors die Tangente bzw. Tangenten an diejenigen
Teile der kritischen Kurve zeichnet, die in derselben Halbebene (obere bzw. untere)
liegen wie die Spitze des H-Vektors. Durch Betrachten der in F i g.1 dargestellten
kritischen Kurve 11 erkennt man, daß in Abhängigkeit von der Lage der Spitze
eines H-Vektors in bezug auf die kritische Kurve eine oder zwei energetisch stabile
Auslenkungs- oder Gleichgewichtslagen für M vorhanden sind. Liegt die Spitze 14
eines H-Vektors innerhalb der kritischen
Kurve, z. B. in der oberen
Halbebene, so lassen sich die zwei Tangenten 15 und 16 an die in der oberen Halbebene
verlaufende kritische Kurve zeichnen, und es gibt also für den Magnetisierungsvektor
M zwei durch die Tangentenrichtungen angezeigte, stabile Gleichgewichtslagen M15
und M16. Liegt die Spitze 17 eines H-Vektors außerhalb der kritischen Kurve
(in der oberen Halbebene), so läßt sich nur eine ein energetisch stabiles Gleichgewicht
für M kennzeichnende Tangente 18 an die kritische Kurve in der oberen Halbebene
zeichnen, und es gibt für M nur eine einzige, durch die entsprechende Tangentenrichtung
angezeigte, stabile Gleichgewichtslage M18. Überschreitet die Spitze eines H-Vektors
bei entsprechender Vergrößerung des äußeren Magnetfeldes H die kritische Kurve in
einem kritischen Punkt 19, d. h. wird das äußere Feld größer als die zu dem betreffenden
Winkel U gehörende kritische Feldstärke Hkrtt. für Drehschalten, so verschwindet
eine der vorher bestehenden zwei Gleichgewichtslagen für den Magnetisierungsvektor
M, was gegebenenfalls verbunden ist mit einer sprunghaften Umschaltung von M in
die neue Lage, in dem gezeigten Beispiel nämlich dann, wenn die Ausgangslage für
M die 180°-Lage war und somit ein Übergang von M15 nach M18 erfolgen muß.
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Dieser außerordentlich rasch erfolgende Drehschaltprozeß wird erfindungsgemäß
zur Erzeugung kurzzeitiger Impulse ausgenutzt.
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Zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Einrichtung wird auf F i g.
2 verwiesen. Die Einrichtung enthält eine dünne magnetische Schicht 21 mit uniaxialer
magnetischer Anisotropie, deren leichte Richtung durch einen Doppelpfeil angegeben
ist. Die Windungen einer Spule 22 symbolisieren die Mittel zur Erzeugung eines parallel
zur Ebene der Schicht 21
verlaufenden Steuermagnetfeldes H, dessen Kraftlinien
23 unter einem Winkel 0 bezüglich der Vorzugsrichtung der Magnetisierung ausgerichtet
sind, und zwar möge der Winkel 0 spitzwinklig sein bezüglich der 0°-Lage der Vorzugsrichtung
(vgl. F i g. 1). Der Winkel 0 ist nicht kritisch, man wird ihn vorteilhafterweisejedoch
so wählen, daß eine möglichst große Änderung des magnetischen Flusses beim sprunghaften
Umschalten des Magnetisierungsvektors in die neue Lage auftritt. Es ist günstig,
wenn man den Winkel 0 zwischen 10 und 45° wählt. Die durch das Umschalten der Magnetisierung
bedingte Änderung des magnetischen Flusses wird durch die Windungen einer Spule
24 abgefühlt. Die Achsen der beiden Spulen 22 und 24 können
miteinander einen beliebigen Winkel bilden. Falls ihre Achsen senkrecht zueinander
verlaufen, besteht zwischen den beiden Spulen eine optimale magnetische Entkopplung.
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Die Spule 22 ist über einen Schalter 25 an einen Wechselstromgenerator
26 angeschlossen, während die Spule 24 über die Klemmen 61, 62 mit
einem Spannungsanzeiger, einem Verbraucher oder einem Verstärker 27 verbunden ist.
Es sei angenommen, daß sich der Magnetisierungsvektor des Magnetschichtelements
ursprünglich in der 180°-Ausgangslage befindet, dargestellt durch den Vektor M28.
Wenn beim Schließen des Schalters 25 der Wechselstromgenerator 26 beispielsweise
eine positive Halbwelle erzeugt, so entsteht infolge des Stromflusses durch die
Spule 22 in bezug auf das Magnetschichtelement 21 ein äußeres Magnetfeld H, welches
den Magnetisierungsvektor aus seiner 180°-Ausgangslage M28 im Uhrzeigersinn auslenkt,
so daß er durch die durch die Richtung von M15 (vgl. F i g. 1) gekennzeichnete Lage
geht. Mit zunehmendem Strom nimmt natürlich auch die Feldstärke des Steuermagnetfeldes
zu, bis schließlich die kritische Feldstärke für das Drehschalten, d. h. der in
F i g. 1 gezeichnete kritische Punkt 19 überschritten wird. In diesem Augenblick
schaltet der MagnetisierungsvektorM sprungartig in die neue, angenähert durch die
Richtung von M18 (vgl. F i g. 1) gekennzeichnete Gleichgewichtslage um, was mit
einer rasch erfolgenden, beträchtlichen, zeitlichen Änderung des magnetischen Flusses
d0 verbunden ist, der in der Abfühlwicklung 24 einen Spannungsimpuls induziert.
Dieser wird durch den Spannungsmesser 27 angezeigt oder dem Verbraucher zugeführt.
Beim Abklingen der positiven Halbwelle des Wechselstromes geht der Magnetisierungsvektor
M schließlich in die 0°-Lage M29 der Vorzugsrichtung über. Beim Auftreten der negativen
Halbwelle wird der Magnetisierungsvektor aus der 0°-Lage M29 im Uhrzeigersinn ausgelenkt,
so daß er durch die durch die Richtung von M35 (vgl. F i g. 1) gekennzeichnete Lage
geht. Mit einem zunehmenden negativen Strom wird schließlich ebenfalls wieder die
kritische Feldstärke Hkrtt. überschritten (jetzt natürlich mit entgegengesetzter
Polarität als vorhin), wobei ein sprungartiges Umschalten des Magnetisierungsvektors
M in die neue, etwa durch die Richtung von M38 (vgl. F i g.1) gekennzeichnete Gleichgewichtslage
erfolgt. Dies ist wieder mit einer rasch erfolgenden, beträchtlichen zeitlichen
Änderung des magnetischen Flusses verbunden, wodurch in der Spule 24 erneut
ein Impuls induziert wird. Beim Abklingen der negativen Halbwelle des Wechselstromes
geht der Magnetisierungsvektor schließlich in die 180°-Gleichgewichtslage M28 über,
von der in der obigen Betrachtung ausgegangen wurde, und es wiederholt sich die
bereits beschriebene Wirkungsweise.
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Der zeitliche Verlauf des äußeren steuernden magnetischen Wechselfeldes
ist in F i g. 3a dargestellt. Der Wert der kritischen Feldstärke Hkrst, sei hier
wenigstens größenordnungsmäßig angegeben; er beträgt bei heute gebräuchlichen Magnetschichten
einige, etwa 2 bis 8 Oerstedt. Hkrat. ist in das Diagramm eingezeichnet. Die F i
g. 3 b zeigt die Impulse, die in der Abfühlwicklung 24 jeweils beim Überschreiten
der kritischen Feldstärke Hkrtt. durch das Steuermagnetfeld induziert werden. Die
auf diese Weise erhaltenen Impulse steiler Flanke haben eine Dauer in der Größenordnung
von Nanosekunden. Ihre Impulsfrequenz entspricht der Frequenz des äußeren Wechselfeldes.
Es ist durch diese Einrichtung möglich, Impulsfrequenzen bis hinauf zu 100 MHz und
darüber zu erhalten.
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Ein Vorteil der Einrichtung besteht darin, daß es bei Beginn des Impulserzeugungsprozesses
nicht unbedingt notwendig ist, daß sich der Magnetisierungsvektor M in einer bestimmten
Ausgangslage befindet, z. B., wie oben angenommen, in der 180°-Lage M28. Wenn sich
der Magnetisierungsvektor zu Beginn der positiven Halbwelle in der 0°-Ausgangslage
M29 befindet, so ergibt sich zunächst nur ein Übergang von M16 nach M18 (vgl. F
i g. 1), wobei keine wesentliche Änderung des magnetischen Flusses zustande kommt.
Beim Abklingen der positiven Halbwelle kehrt der Magnetisierungsvektor jedoch wieder
in die 0°-Lage M29 zurück, welche - wie aus obiger Beschreibung hervorgeht - die
erwünschte Ausgangslage für den Beginn
der negativen Halbwelle darstellt,
Anschließend werden Impulse erzeugt, wie dies bereits erläutert wurde, F i g. 4
zeigt eine weitere Einrichtung zur Erzeugung von Impulsen. Das als Impulsgenerator
wirkende Element besteht, wie bekannt ist, aus einer dünnen magnetischen Schicht
41, die durch einen Aufdampfprozeß oder ein Elektroplattierungsverfahren auf einen
Träger 43 aufgebracht ist. Die Dicke der Magnetschicht 41 kann einige 100
oder 1000 A betragen; sie wird im allgemeinen jedoch nicht größer sein als 30 000
A. Die Schicht hat eine uniaxiale Anisotropie. Die Vorzugsrichtung ist durch einen
Pfeil 45 bezeichnet. Der Träger 43 besteht aus einem dünnen Glasplättchen von einigen
zehntel Millimeter Dicke. Man kann jedoch auch ein anderes Trägermaterial verwenden,
z. B. Kunststoff oder Tantal.
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In dem Beispiel von F i g. 4 wurde für das Schichtelement eine annähernd
quadratische Form gewählt; die Kantenlänge kann einige Millimeter bis etwa 1 cm
oder auch darüber betragen. Selbstverständlich sind auch andere Formen für das Schichtelement
möglich. Das Schichtelement ist, wie ebenfalls bekannt ist, von zwei parallel zur
Schichtebene angebrachten, schleifenförmigen und bandartigen Windungen, sogenannten
Bandleitungen umgeben. Die Bandleitung 42 dient zur Erzeugung des Steuermagnetfeldes;
in ihrer Funktion entspricht sie somit der Spule 22 in F i g. 2. Die Bandleitung
44 wirkt als Abfühlwicklung, in welcher die kurzzeitigen Impulse induziert werden;
in ihrer Funktion entspricht sie somit der Spule 24 in F i g. 2. Die Achse der Bandleitung
42 bildet mit der Vorzugsrichtung 45 der Magnetschicht einen Winkel C?. Dieser.
Winkel ist nicht kritisch. Er beträgt im Ausführungsbeispiel unter Zugrundelegung
des weiter oben als günstig bezeichneten Winkels U zwischen 10 und 45°. Es ist zur
Erzielung eines guten Wirkungsgrades vorteilhaft, wenn die Bandleitungen das Schichtelement
in seiner ganzen Kantenlänge umfassen und vollständig überdecken. Die Bandleitungen
können auf dem Schichtelement durch ein Aufdampfungs- oder Elektroplattierungsverfahren
angebracht werden, um die Abstände zwischen diesen Teilen auf ein Minimum zu beschränken
und somit den Leistungsgrad auf ein Maximum zu bringen. Geeignete elektrische Isolierungen,
z. B. Siliziumoxydschichten, müssen selbstverständlich -zwischen den Bandleitern
42, 44 und der Magnetschicht 41 vorgesehen werden, Für die Impulse, die in
der beschriebenen Weise erzeugt werden, bestehen zahlreicheMöglichkeiten der Anwendung.
Von besonderem Interesse ist hierbei die Impulssteuerung von Schalt- und Speicherelementen,
die von ähnlicher Beschaffenheit sein können wie das zur Impulserzeugung verwendete
Magnetschichtelement. Eine entsprechende Anordnung ist in F i g. 5 schematisch dargestellt.
Der Generator 51 erzeugt ein Steuermagnetfeld, das durch eineBandleitung52 einem
Magnetschichtelement 53 überlagert wird. Die Kraftlinien des Steuermagnetfeldes
bilden in der Ebene des Schichtelements einen spitzen Winkel von z. B. 10 bis 45°
zur Vorzugsrichtung 55 des Schichtelements. Die Amplitude des äußeren Magnetfeldes
übersteigt dabei den durch die kritische Kurve festgelegten Wert Hxr@t,, so daß
jeder Stromstoß des Generators 51 im Schichtelement ein Drehschalten der Magnetisierung
hervorruft, wodurch in der Bandleitung 54 ein extrem kurzer i Spannungsimpuls hoher
Amplitude erzeugt wird. Die zu steuernden Schalt- oder Speicherelemente 56 sind
kleine, .dünne, magnetische Schichtelemente. Die Achse der Bandleitung
54 verläuft parallel zur leichten Richtung der Schichtelemente 56, so daß
ein Impuls in der Leitung54 die Magnetisierung der Elemente56 in die »harfe Richtung«
Hs (F i g.1) auslenkt. Die Impulse in der Leitung 54 dienen somit zur Erzeugung
kurzzeitig wirksamer, magnetischer Treibfelder in bezug auf die zu steuernden Schalt-
bzw. Speicherelemente 56.
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Im allgemeinen ist es notwendig, ein Auslesesignal zur Weiterverarbeitung
z. B. in einem Rechenautomaten zu verstärken; anstatt an die Abfühlwicklung einen
Verstärker direkt anzuschließen, der den scharfen Impuls nur verflachen und somit
in seiner Wirksamkeit beeinträchtigen würde, ist es zweckmäßig, eine besondere Schaltung
zu verwenden. Eine Schaltung solcher Art, die in F i g. 6 dargestellt ist, wird
an die beiden Anschlüsse 61, 62 am Ausgang der Abfühlwicklung 24 (F i g. 2) angeschlossen.
Mittels einer Hochfrequenzdiode 63 wird eine Spitzengleichrichtung durchgeführt
und eine Kapazität 64 aufgeladen. Man erhält auf diese Weise an der Kapazität eine
Potentialerhöhung steiler Flanke, und eine unerwünschte Verflachung des an der Abfühlwicklung
erhaltenen scharfen Impulses wird vermieden. Die an der Kapazität 64 erhaltene Spannung
kann dann ohne weitere Schwierigkeiten durch eine gewöhnliche elektronische Verstärkereinrichtung
65 weiter verstärkt und an den Ausgangsklemmen 66, 67 des Verstärkers abgenommen
werden. Die Kapazität 64 hat im allgemeinen einen kleinen Wert und ist praktisch
gegeben durch die Eingangskapazität eines hochohmigen Verstärkers.