Універсальний оптичний логічний елемент n або-ні типу “prostd”

Універсальний оптичний логічний елемент (УОЛЕ) N АБО-НІ, до складу якого входять фотодюд, узгоджувальний резистор, джерело живлення, вхідний та вихідний світловоди, світломодулювальний елемент, при цьому логічним входом УОЛЕ є світловод, з'єднаний з фотодюдом, перший вивід світломодулювального елемента підключений до першого виводу резистора і до като Винахід належить до області оптоелектроніки та може бути використаний для реалізації швидкодіючих ууніверсальних оптичних логічних елементів (УОЛЕ) N АБО-НІ у складі оптичних інтегральних схем (ОІС) Застосування швидкодіючих етичних логічних елементів, в тому числі УОЛЕ може призвести до підвищення швидкодії обчислювальних пристроїв, збільшенню перешкодостійкості, надійності, спрощення конструкції, зниження потужності, що споживається одним вентилем, а після цього - до утворення й розвитку "оптико-електронної" елементної бази для цифрових логічних пристроїв Відомий оптико-електронний логічний елемент (ОЛЕ), що реалізує логічну функцію 2 АБО-НІ [Функциональные елементы и устройства оптоэлектроники В П Кожемяко, Л И Тимченко, ГЛ Лисенко и др , Киев УМК ВО, 1990] і містить два вхідних світловоди, два фотоприймача (ФП), джерело струму, підсилювач-формувач (ПФ), джерело двополярної напруги, причому перші виводи обох фотоприймачів електрично з'єднані з негати да фотодюда, другий вивід резистора підключений до позитивного полюса джерела живлення, анод фотодюда підключений до другого виводу світломодулювального елемента і до негативного полюса джерела живлення, логічним виходом УОЛЕ є оптичний вихід світломодулювального елемента, який відрізняється тим, що додатково введені N1 фотодюдів зі світловодами, які є логічними входами УОЛЕ, усі фотодюди з'єднані паралельно між собою так, що їхні катоди з'єднані із першим виводом світломодулювального елемента і першим виводом резистора, аноди фотодюдів з'єднані з другим виводом світломодулювального елемента і з негативним полюсом джерела живлення, а світломодулювальний елемент виконаний у вигляді швидкодіючого світловипромшюючого діода, анод якого є першим, а катод - другим виводом світломодулювального елемента, джерело живлення виконане у вигляді джерела постійної напруги О вним полюсом джерела напруги, другі виводи обох фотоприймачів електричко з'єднані з першим виводом джерела струму і з першим електричним виводом ПФ, другий електричний вивід ФП з'єднаний з загальною шиною джерела двополярної напруги, другий вивід джерела струму підключений до позитивного полюса джерела напруги, логічним виходом ОЛЕ є третій електричний вивід ПФ Пристрій дозволяє реалізувати логічну функцію 2 АБО-НІ з двома оптичними змінними Х1, Х2 Для реалізації N АБО-НІ, де N=3 К вхідних змінних, до даної схеми достатньо електрично підключити К-2 ФП паралельно двом вхідним ФП Недоліками означеного ОЛЕ є - наявність ПФ в ОЛЕ, який складається з п=1 3 каскадів підсилення, зібраних на транзисторах (ускладнення конструкції), що вносять затримку (зменшення швидкодії), - збільшення апаратних витрат і зменшення загальної перешкодійності ОЛЕ за рахунок наявності джерел двополярного живлення, струму, додаткових зв'язків між ними і ПФ, (О 46799 - відсутності вихідного оптичного світловода (на вході - оптичний сигнал на виході - електричний), для отримання оптичного сигналу в схемі достатньо електрично підключити третій вивід ПФ до аноду світлодюда, катод його - до мінусової шини Найближчим за сукупністю ознак до винаходу, що заявляється, є оптичний інвертор за авторським свідоцтвом СРСР № 1779165 Означений інвертор (інакше - одноходовий оптичний логічний елемент 1АБО-НІ) має вхідний світловод, з'єднаний з фотодетектором (фотоприймачем) у вигляді фотодюда, світломодулюючий елемент з вхідним та вихідним світловодами, узгоджувальний елемент, запірне джерело живлення, джерело струму інжекції Позитивний полюс джерела струму інжекції підключений до катода фотодюда і до електричного входу світломодулюючого елемента, узгоджувальний ланцюг виконаний у вигляді резистора, перший вивід якого підключений до негативного полюсу запірного джерела напруги, другий вивід резистора - до анода фотодюда, позитивний полюс запірного джерела напруги підключений до електричного виходу світломодулюючого елемента і до неактивного полюса джерела струму інжекщі, причому логічним входом інвертора є вхідний світловод фотодюда, логічним виходом інвертора - вихідний світловод світломодулюючого елемента Крім того, оптичний інвертор має джерело світла, зв'язане з вхідним світловодом світломодулюючого елемента, останній виконаний у вигляді багатошарової напівпровідникової структури типу Р++Р+Р - N ++ N + N Зазначений пристрій реалізує функцію інверсії вхідного оптичного сигналу Цей пристрій має декілька недоліків , а саме - логічний елемент потребує зовнішнього джерела світла із вбудованим вхідним світловодом, або мережею вхідних СВІТЛОВОДІВ, що підводяться від єдиного джерела світла до кожного оптичного інвертора, розташованого на кристалі, - вхідний оптичний сигнал від джерела світла повинен мати чітко визначену довжину хвилі, близьку до центральної області спектральної ВІДПОВІДНОСТІ P-N переходу багатошарової напівпровідникової структури, що обмежує можливість застосування джерел світла з різною довжиною хвилі випромінювання, - для забезпечення стану провідності багатошарової напівпровідникової структури необхідно джерело струму інжекції із жорсткими вимогами до вихідних параметрів величини струму через те, що струм переходу повинен складати 80-90% струму від величини порога перемикання P-N переходу багатошарової напівпровідникової структури, - багатошарова напівпровідникова структура відрізняється підвищеною складністю виготовлення через наявність декількох узгоджувальних шарів багатошарової напівпровідникової структури Р++Р+Р - N ++ N + N і світловоду опорного сигналу, - наявність додаткового запірного джерела живлення - другого після джерела струму інжекції та збільшення апаратних затрат з одночасним зменшенням загальної перешкодостійкості через використання додаткової мінусової шини Окрім вище згаданих конструктивнотехнологічних недоліків, зазначена оптична схема має функціональний недолік, а саме - відсутність можливості забезпечити мінімальний елементний базис в межах одного універсального схемного рішення (елемент однієї мінімальної бази NI-HI, елемент іншої мінімальної бази N АБО-НІ, де N=1,2 К - число логічних входів) В основу винаходу поставлено задача створення схеми універсального оптичного логічного елемента N АБО-НІ - достатнього схемного рішення мінімального базиса - функціонально повного набору для оптоелектронної мікросхемотехніки, в якому - завдяки збільшенню КІЛЬКОСТІ ВХІДНИХ фотодіодів з одного до N, електрично підключених паралельно один одному, забезпечується розширення функціональності логічної схеми - обробка N вхідних змінних (х1, х2, , хп) УОЛЕ, - завдяки зниженню загальної КІЛЬКОСТІ джерел живлення до одного і зменшенню числа ПІДВІДНИХ шин живлення до кожного логічного елемента, заміні світломодюлюючого елемента на основі багатошарової напівпровідникової структури забезпечується спрощення конструкції та підвищення надійності УОЛЕ Для вирішення поставленої задачі в оптичному інверторі, в складі якого фотодюд, узтоджувальиий резистор, джерело живлення, вхідний вихідний світловод и, причому логічним входом інвертора є оптичний світловод першого фотодюда, перший вивід світломодулюючого елемента підключений до першого виводу резистора і до катода фотодюда, другий вивід резистора підключений до позитивного полюса джерела живлення, анод фотодюда підключений до дутого виводу світломодулюючого елемента і до негативного полюса джерела живлення, а логічним виходом пристрою є оптичний світловод світломодулюючого елемента і, згідно з винаходом, світломодулюючий елемент виконаний у вигляді швидкодіючого світлодюда, анод якого є першим, катод - другим виводом світломодулюючого елемента, джерело живлення виконане у вигляді джерела постійної напруги, а додатково введені N-1 фотодюди електрично підключені паралельно наявному фотодюду, логічними входами N-1 фотодіодів є ВХІДНІ N-1 світловоди, а логічним виходом схеми N АБО-НІ є світловод швидкодіючого світлодюда Виконання світломодулюючого елемента на основі швидкодіючого світлодюда, введення N-1 фотодіодів із визначеними параметрами фотоелектрорушійної сили і відмова від запірного джерела живлення, дозволяє розширити функціональні можливості схеми при мінімальному логічному базисі N АБО-НІ, спростити конструкцію, підвищити швидкодію та надійність Запропонований УОЛЕ відносно простий та технологічний і може бути виготовлений на відомому обладнанні Зниження, в порівнянні з прототипом, КІЛЬКОСТІ елементів,зв'язків МІЖ НИМИ І спрощення конструкції може суттєво підвищити швидкодію та надійність, забезпечити можливість підвищення значень ЩІЛЬНОСТІ упаковки елементів на кристалі при виготовленні оптичних інтегральних схем УОЛЕ, що заявляється, представлений на фіг 46799 Світловипромінюючий діод 1 має вихідний свіється до нуля, через зсунутий у прямому напрямку тловод 2, що є логічним виходом УОЛЕ, джерело P-N перехід світловипромінюючого діода 1, від живлення 3 позитивний полюс якого підключений джерела живлення 3 через узгоджувальний резисдо другого виводу узгоджувального резистора 5, тор 5 починає протікати струм, на виході світловоперший вивід якого підключено до анода світловиду 2, що є логічним виходом УОЛЕ, з'являється промінюючого діода 1 і до катодів кожного з N фовихідний світловий сигнал Схема повернулася у тодюдів 4 1 4 N, аноди яких підключені до катода попередній стан світловипромінюючого діода 1 та до негативного Повне закриття P-N переходу світловипроміполюса джерела живлення 3, логічними входами нюючого діоду 1 під дією фотоелекьрорушійної схеми N АБО-НІ є світловоди 6 1 6 N, оптично сили може відбутися за умови, що напруга на одзв'язані з N вхідними фотодюдами 4 1 4 N ному (кількох) фотодюдах 4 1 4 N буде складати визначену частину напруги на світловипромінююУніверсальний оптичний логічний елемент N чому ДІОДІ 1, підключеному у прямому напрямку АБО-НІ працює наступним чином Параметри світловипромінюючого діоду 1, джереУ початковому стані через резистор 5 і світлола живлення Е 3, фотодюдів 4 1 4 N, узгоджувавипромінюючий діод 1 протікає струм від джерела льного резистора 5 підібрано з умови максимальживлення 3 При відсутності світлового сигналу у ної швидкодії при перемиканні УОЛЕ з одного світловодах 6 1 6 N, що є логічними входами УОстану в інший, причому бажано фотодюди ЛЕ, струмами у фотодюдах 4 1 4 N через їх без4 1 4 N застосовувати із максимально можливими кінечно великий опір можна знехтувати На виході ветчинами швидкодії та фотоелектрорушійної сисвітловоду 2, що є логічним виходом УОЛЕ, присули, світловипромінюючий діод 1 - з мінімальним тній вихідний світловий сигнал струмом СВІТІННЯ При появі в одному або кількох світловодах 6 1 6 N - логічних входах УОЛЕ-світлового сигнаЗастосування N швидкодіючих фотодюдів, лу, у ВІДПОВІДНИХ фотодюдах 4 1 4 N з'являється увімкнених паралельно один одному, з максимаелектрорушійна сила визначеної величини, полярльною величиною фотоелектрорушійної сили, виність якої протилежна полярності напруги на світконання світломодулюючого елемента на основі ловипромінюючому ДІОДІ 1, увімкненому в прямому швидкодіючого світловипромінюючого діода, донапрямку, і його P-N перехід закривається На визволяє розширити функціональні можливості опході світловоду 2-лопчному виході УОЛЕ буде відтоелектронного логічного елемента при мінімальсутній вихідний світловий сигнал ному логічному базисі N АБО-НІ, відмовитися від другого джерела живлення і багатошарової напівПри зникненні світлових сигналів у одному або провідникової структури світломодулюючого елекількох світловодах 6 1 6 N -логічних входах УОмента і на цій основі підвищили функціональність ЛЕ, на ВІДПОВІДНИХ фотодюдах 4 1 4 N абсолютне швидкодію і надійність УОЛЕ N АБО-НІ значення фотоелектрорушійної сили різко знижу ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна (044)456-20- 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71