Оптоелектронний мікропотужний інтегральний логічний пристрій або-ні адаптивного типу з розширеними функціональними можливостями – procos

Оптоелектронний мікропотужнии інтегральний логічний пристрій АБО-НІ адаптивного типу з розширеними функціональними можливостями, до складу якого входять N вхідних СВІТЛОВОДІВ-N логічних входів, які оптично з'єднані з N швидкодіючими п-р-п /p-n-р/ фототранзисторами, перший узгоджувальний резистор з першим незмінним виводом, другим і третім змінними виводами, джерела живлення, запірної напруги, два вихідних світловоди, які оптично з'єднані з першим і другим світлодюдами, анод першого підключений до другого змінного виводу першого узгоджувального резистора і до всіх N колекторів (емітерів) пр-п /p-n-р/ фототранзисторів, емітери (колектори) всіх п-р-п /p-n-р/ фототранзисторів підключені до анода другого світлодюда, позитивний полюс дже рела запірної напруги підключено до катода першого світлодюда і до негативного полюса джерела напруги, всі N баз п-р-п /p-n-р/ фототранзисторів з'єднані між собою і підключені до третього змінного виводу першого узгоджувального резистора, N оптичними логічними входами ОЛЕ є N вхідних СВІТЛОВОДІВ, першим і другим логічними оптичними виходом ОЛЕ (інверсним і нешверсним)-перший і другий світловоди, оптично з'єднані, ВІДПОВІДНО, з першим та другим світлодюдами, який відрізняється тим, що в нього додатково введені другий змінний резистор, третій світловод і третій світлодюд, анод якого підключений до позитивного полюса джерела живлення, катод-до першого незмінного виводу першого узгоджувального резистора, катод другого світлодюда підключений до другого змінного виводу другого змінного резистора, перший незмінний вивід його підключений до негативного полюса джерела запірної напруги живлення, третій змінний вивід його підключений до всіх з'єднаних виводів баз N фототранзисторів, третім оптичним виходом є світловод, оптично з'єднаний з третім СВІТЛОДІОДОМ (О Винахід належить до області інтегральної оптоелектроніки і може бути використаний для реалізації мікропотужних адаптивних оптоелектронних логічних елементів (ОЛЕ), вузлів (ОЛВ), логічних пристроїв (ОЛП) на їх основі у складі енергозаощаджувальних цифрових і аналогових оптоелектронних інтегральних схем (ОІС) Використання мікропотужних адаптивних оптоелектронних логічних пристроїв може привести до значного зменшення значень споживаємої ними енергії, спрощенню їх конструкції, підвищення адаптивністі оптоелектронних вузлів в составі ОІС при обробці вхідних оптичних цифрових сигналів (ЦС) і аналогових сигналів (АС) з малими чи змінними в часі значеннями їх оптичної потужності ВІДОМІ ОЛЕ, що реалізують різні ЛОГІЧНІ функції для оптичних сигналів - НІ, N АБО, N АБО - НІ, І, виключне АБО, ІНШІ та схеми, що забезпечують їх оптичний вихід, наприклад, світлодюдами (СД) [1, стор 81 - 83, мал 3 16, 3 18, 3 19 ] Там же запропоновано схему ОЛП [мал 3 17], який містить 1 М фотоприймачів (ФП) у вигляді швидкодіючих фотодюдів для прямих операндів і стільки ж фотоприймачів (1 М') у вигляді швидкодіючих фотодіодів для інверсних значень цих же операндів, задаючий резистор, підсилювач - формувач (ПФ), управляючі режимом пристроя шини А і В для комутації високого та низького рівней напруги, причому катоди 1 М фотодюдів (для прямих 1 М' операндів) з'єднані між собою і підключені до входу шини В, катоди 1 М' фотрдюдів (для інверсних 1 М* операндов) з'єднані між собою і підключені до першого виводу узгоджувального резистору і до входа ПФ, другий вивод цього резистору підключений до входу шини А, анод кожного із 1 М фотодюдів зєднан з ВІДПОВІДНИМ анодом 1 М' фото ю 45670 ДІОДІВ, ПФ з'єднай з общим дротом і має електричний вихід Оптичними логічними входами пристрою є прямі входи 1 М фотодюдів і інверсні входи 1 М' фотодюдів, оптичний логічний вихід ОЛП може бути у вигляді швидкодіючого СВІТЛОДІода (СД), що підключений до виходу ПФ До переваг цього ОЛП можно віднести 1 ВХІДНІ ЗМІННІ можуть бути оптичними, елект ричними ЦС, АС або змішаними, 2 Пристрій має розширені функціональні можливості і дозволяє реалізувати функції "Постійний 0", "Постійна 1", "1", "АБО" Недоліками означеного ОЛП є - значна потужність споживання при реалізації оптичного виходу внаслідок використання ЛІНІЙНОГО участку ВАХ СД для досягнення максимальної потужності оптичному виході ОЛП [1, стор 85], що складає від одиниць до десятків міліВатт, - відсутність можливості роботи ОЛП в мікропотужнніх режимах з малими потужностями вхідних оптичних ЦС, АС та їх обробки через відсутність механізму адаптування фотоприймачів, - наявність ПФ з 1 3 каскадів підсилення, зібраних на транзисторах, інших елементів (резисторів) і зв'язків МІЖ НИМИ, ЩО ВНОСЯТЬ часову за тримку в кожному каскаді та додаткових витрат енергії живлення, - необхідність кількох напруг живлення і двох напруг для управляючих шин А, Б, - відсутність функції інверсії «НІ», що необхідна для реалізації одного з двох мінімальних елементних базисів - N АБО - НІ (N І - НІ), Найближчим по сукупності ознак до винаходу, що заявляється є «Оптоелектронний логічний елемент N АБО-НІ адаптивного типу» по заявці України, реєстраційний № 2000031755, дата подання 28 03 2000, дата позитивного рішення про видачу патенту - 24 05 2000, що є винаходом одного з авторів цієї заявки Оптоелектронний логічний елемент (ОЛЕ) адаптивного типу N АБО-НІ має N вхідних світловодів - N оптичних логічних входів, які оптично з'єднані з N швидкодіючими п-р-п (p-n-р) фототранзисторами, узгоджувальний резистор з першим незмінним виводом, другим і третім змінними виводами (незмінний (змінний) вивод - вивод з незмінним (змінним) ВИХІДНИМ опіром), джерела живлення (ДЖ) та запираючої напруги (ДЗЖ), два вихідних світловоди, які оптично з'єднані з двома світломодулюючими елементами у вигляді швидкодіючих СВІТЛОДІОДІВ, анод першого із яких підключений до першого змінного виводу узгоджувального резистора і до всіх N колекторів (емітерів) n-p-п (р-п-р) фототранзисторів, перший незмінний вивод узгоджувального резистора підключений до позитивного полюсу джерела живлення, емітери (колектори) всіх N n-p-п (р-п-р) фототранзисторів підключені до аноду другого швидкодіючого світлодюду, катод якого підключений до негативного полюсу джерела запираючої напруги, а позитивний полюс підключений до катоду першого швидкодіючого світлодюду і до негативного полюсу джерела напруги, а всі N баз n-p-п (р-п-р) фототранзисторів з'єднані між собою і підключені до другого змінного виводу узгоджувального резистора N оптичними логічними входами ОЛЕ є N вхід них СВІТЛОВОДІВ, першим і другим логічними оптичними виходом ОЛЕ (інверсним і не інверсним) перший і другий світловоди, оптично з'єднані, ВІДПОВІДНО, з першим та другим швидкодіючими світлодюдами Оптоелектронний логічний елемент N АБО-НІ адаптивного типу має переваги 1 Достатнє схемне рішення одного з двох мінімальних базисів функціонально повного набору для оптоелектронної мікросхемотехніки - елемент N АБО-НІ, 2 Розширені функціональні можливості - додатковий не інверсний оптичний логічний вихід та можливість забезпечити реалізацію функцій "Логічна 1" "Логічний 0", "АБО", "N АБО-НІ" (при ВІДПОВІДНІЙ комбінації вхідних операндів) 3 Адаптивні можливості дозволяють а) в значній мірі змінювати інтенсивність випромінювання вихідних СД і таким чином - потужність оптичного сигналу на логічних виходах ОЛЕ, б) в деякій мірі змінювати оптичну чутливість по логічних входах ОЛЕ, що забезпечує зміну чутливості ФП та вихід на економічні режими споживання, ніж вищезгаданий аналог - біля одного міліВатта на елемент N АБО-НІ Однак вищеозначений ОЛЕ має недоліки, а саме - обмежена можливість роботи пристрою в мікропотужніх режимах (від десятків до сотен мікроВатт) через відсутність механізму подання і регулювання частки напруги ДЗЖ шляхом збільшення (зменшення) різниці потенціалів між емітеромколектором N фототранзисторів при значному зменшені (збільшенні) інтенсивності оптичного ЦС, АС на N логічних оптичних входах, - відсутня можливість адаптації положення робочої точки баз N фототранзисторів (по N логічних входах ОЛЕ) при ЗМІНІ співвідношення напруг ДЗЖ і ДЖ в сторону збільшення (зменшення) при, ВІДПОВІДНО, малих (великих) значеннях потужностей вхідних оптичних ЦС, АС, - недостатньо розвинуті функціональні можливості ОЛЕ через відсутність оптичного виходу типу «Постійна 1» незалежно від комбінації вхідних операндів В основу винаходу поставлене завдання створення ОЛП типу N АШ-НІ з розширеними адаптивними можливостями до мікропотужних режімів роботи (рівні споживання від сотен до десятків мікроВатт) і коефіцієнтом передачі потужності вхідного ЦС, АС не меньше одиниці, а також додатковим світлодюдом і оптичним виходом вихідним світловодом, що доповнює функціональні можливості пристрою Для рішення завдання в ОЛЕ N АБО-НІ, до складу якого входить N вхідних СВІТЛОВОДІВ - N ОПТИЧНИХ ЛОГІЧНИХ ВХОДІВ, ЯКІ ОПТИЧНО з'єднані з N швидкодіючими n-p-п (р-п-р) фото транзисторами, перший узгоджувальний резистор з першим незмінним виводом, другим і третім змінними виводами, джерела живлення та запираючої напруги, два вихідних світловоди, які оптично з'єднані з першим і другим світло діодами, анод першого із яких підключений до другого змінного виводу першого узгоджувального резистора і до всіх N колекторів (емітерів) n-p-п (р-п-р) фототранзисторів, емітери (колектори) всіх N n-p-п (р-пр) фототранзисторів підключені до аноду другого 45670 світлодюду, позитивний полюс джерела запираючої напруги підключен до катоду першого СВІТЛОДІоду і до негативного полюсу джерела напруги, всі N баз п-р-п (p-n-р) фототранзисторів з'єднані між собою і підключені до третього змінного виводу першого узгоджувального резистора, N оптичними логічними входами ОЛЕ є "N вхідних СВІТЛОВОДІВ, першим і другим логічними оптичними виходом ОЛЕ (інверсним і не інверсним) - перший і другий світловоди, оптично з'єднані, ВІДПОВІДНО, З першим та другим світлодюдами, додатково введені другий змінний резистор, третій світловод і третій світлодюд, анод якого підключений до позитивного полюсу джерела живлення, катод - до першого змінного виводу першого узгоджувального резистора, катод другого світлодюду підключений до другого змінного виводу другого змінного резистору, перший незмінний вивід якого підключений до негативного полюсу джерела запираючої напруги живлення, третій змінний вивід якого підключений до всіх з'єднаних виводів баз N фототранзисторів, третім оптичним (нелогічним) виводом є світловод, оптично з'єднаний з третім світлодюдом Використання для схеми ОЛП додатково третього СД з вихідним світловодом для сигналу типу «Постійна 1», введенням другого узгоджуючого резистора з першим незмінним та другим і третім змінними виводами для забезпечення мікропотужних режимів завдяки можливості регулювання значень падіння частини напруги ДЗЖ на емітерних і колекторних електродах N фототранзисторів і вибіру потенціалу N баз їх робочих гонок при ЗМІНІ значення напруги ДЗЖ шляхом керованного подання в їх бази струму 16, залежного від співвідношення напруг ДЗЖ і ДЖ і забезпеченням можливості змінювати інтенсивність випромінювання усіх СД, дозволяє створити ОЛП типу елемента N АБО-НІ з розширеними функціональними і додатковими адаптивними можливостями обробки вхідних оптичних ЦС, АС малої потужності та з величинами споживання на один ОЛП від десятків до сотен мікроВатт без ускладнення конструкції Пропонуємий ОЛП відносно простий, технологічний і може бути виготовлений у вигляді мікропотужних пристроїв із дискретних елементів, по гібридним та інтегральним технологіям на відомому обладнанні виробничих потужностей МЕП ОЛП, що заявляється представлений на фіг Перший СД 1 1 має перший вихідний світловод 2 1, що є першим оптичним логічним виходом (інверсним) ОЛП, джерело живлення 3, позитивній полюс якого підключений до аноду третього СД 2 3, його катод підключений до першого незмінного виводу першого узгоджувального резистора 5 1, другий змінний вивід якою підключен до аноду першого СД 1 1 та до всіх з'єднаних електрично колекторів (емітерів) кожного з N n-p-п (р-п-р) швидкодіючих фототранзисторів (4 1 4 N), всі емітери (колектори) яких з'єднані електрично і підключені до аноду другого СД 1 2, який має вихідний світловод 2 2, що є другим оптичним логічним виходом (не інверсним) ОЛП, всі бази N фототранзисторів електрично з'єднані і підключені до третього змінного виводу першого узгоджувального резистора 5 1 і до третього змінного виводу другого узгоджувального резистора 5 2, катод СД1 2 підключений до другого змінного виводу другого узгоджувального резистора 5 2, перший незмінний вивід другого узгоджувального резистора 5 2 підключений до негативного полюсу джерела запираючої напруги 6, позитивний полюс якого підключений до катоду першого СД 1 1 і до негативного полюса джерела живлення 3, оптичними логічними входами пристрою N АБО-НІ є світловоди 7 1 7 N, оптично з'єднані з N вхідними фототранзисторами 4 1 4 N, а третім оптичним виходом є світловод 2 3, оптично з'єднаний з третім СД 2 З Мікропотужний ОЛП N АБО-НІ працює таким чином В ісходному стані через третій СД 1 3 і перший незмінний вивід першого узгоджувального резистора 5 1, його другий змінний вивід і перший СД 1 1 протікає струм 1 від ДЖ 3 При відсутності оптичних сигналів у вхідних світловодах 7 1 7 N, що є логічними входами ОЛП, струмами від ДЖ З, ДЗЖ 6, які з'єднані послідовно, внаслідок великого значення опору n-p-п (р-п-р) фототранзисторів 4 1 4 N через них і з'єднаним з їх емітерами (колекторами) анод, катод СД 1 2 і далі другий змінний вивід і перший незмінний вивід другого узгоджувального резистора 5 2 - можна знехтувати, на виході світловоду 2 1, що є першим оптичним логічним (інверсним) виходом ОЛП, відсутній світловий сигнал, на виході СВІТЛОВОДІВ 2 2 І2 3, ЩО Є ВІДПОВІДНО другим оптичним логічним (інверсним) і третім оптичним виходами ОЛП, присутні ВИХІДНІ ОПТИЧНІ сигнали, ВІДПОВІДНО, ВІД СД 1 1 і СД 1 З При появі в одному (або кількох) вхідних світловодах 7 1 7 N -оптичних логічних входах ОЛП оптичного сигналу, ВІДПОВІДНІ n-p-п (р-п-р) фототранзистори 4 1 4 N швидко змінюють свій електричний опір до кінцевого малого значення і діючи як швидкодіючи електронні ключи, через СД 1 2, зміщеному у прямому напрямі, через ланцюг першого незмінного і другого змінного виводів другого узгоджувального резистора 5 2 електрично підключають частину напруги ДЗЖ 6 до СД 1 1, причому и полярність буде протилежна полярності ДЖ 3 (відносно СД 1 1) Це змушуює закритись його р-n перехід, на виході світловоду 2 1 - першому оптичному логічному (інверсному) виході ОЛП буде відсутній вихідний оптичний сигнал Струм 1 від ДЖ З, ДЗЖ 6, які з'єднані послідовно (відносно СД 1 2) продовжує текти тепер через третій СД 1 3, перший незмінний вивід першого узгоджувального резистора 5 1, його другий змінний вивід, n-p-п (р-п-р) фототранзистори 4 1 4 N, зміщений у прямому напрямку р-n перехід СД 1 2, другий змінний вивід і перший незмінний вивід другого узгоджувального резистора 5 2, на виході СВІТЛОВОДІВ 2 2 і 2 3 - ВІДПОВІДНО другому оптично му логічному (не інверсному) виході і третьому оптичному виходам ОЛП - присутні ВИХІДНІ ОПТИЧНІ сигнали ВІДПОВІДНО, від СД 1 3 і СД 1 2 При завершенні надходження оптичних сигналів (одного або кількох) на ВХІДНІ СВІТЛОВОДИ 7 1 7 N - оптичні ЛОГІЧНІ входи ОЛП, та на один або кілька n-p-п (р-п-р) фототранзисторів 4 1 4 N, їх електричний опір швидко змінюється з кінцево малого значення до великого значення, внаслідок цього ДЗЖ 6 електричуо відключається від СД 1 1 і через р-n перехід СД 1 2 перестає текти 8 45670 торах з великим діапазоном зміни вихідного отру Для ОЛП у складі ОІС автоматичне регулювання режимів (з можливостями адаптування в широкому діапазоні до значень потужностей оптичних вхідних ЦС, АС) може бути виконано (для М ланцюгів ОЛЕ) аналоговой схемой або цифровой мікЗ, на виході СВІТЛОВОДІВ 2 1, 2 3 - ВІДПОВІДНО перропроцесорной системою, наприклад, контролешому оптичному логічному (інверсному) і третьому ром РІС16С73А Налагодження ланцюгів ОЛЕ при оптичному виходам ОЛП присутні ВИХІДНІ ОПТИЧНІ заданих технічними умовами рівнів вхідних оптичсигнали, ВІДПОВІДНО, від СД 1 1 і СД 1 З них ЦС, АС (підбором значень і співвідношень опірів другого, третього змінних виводів першого та Схема вернулася у попередній стан другого узгоджувальних резисторів) може бути Другим змінним виводом першого узгоджуваздійснена відомими технологічними прийомами льного резистора 5 1 можливо в значній мірі регулазерною, струмовою підгонкою опірів лювати величину струму засвітки СД 1 1, СД 1 2, СД 1 3 та ВІДПОВІДНО інтенсивність їх оптичного Застосування у винаході третього СД з третім випромінювання Третім змінним виводом першого вихідним світловодом - оптичним виходом сигналу узгоджувального резистора 5 1 можливо, в деякій «Постійна 1», що не залежить від значень вхідних мірі, регулювати положення робочої точки баз фооперандів, введенням другого узгоджуючого резитотранзисторів 4 1 4 N Другим змінним виводом стора з першим незмінним, другим і третім зміндругого узгоджувального резистора 5 2 можливо в ними виводами для можливості застосування мікзначній мірі регулювати режими ФП часткою наропотужніх режимів ОЛП шляхом 1) регулювання пруги ДЗЖ 6 шляхом збільшення (зменшення) вережимів ФП часткою напруги ДЗЖ 6 шляхом збіличини и частки між емітерами - колекторами фольшенням (зменшенням) величини потенціалів між тотранзисторів при значному зменшенні емітерами-колекторами N фототранзисторів при (збільшенні) інтенсивності оптичного ЦС, АС по значному зменшенні (збільшенні) інтенсивності логічних оптичних входах-вхідних світловодах оптичного ЦС, АС по логічних оптичних входах, 2) 7 1 7 N для забезпечення мікропотужних режимів регулювання положення робочої точки баз N фоДругим змінним виводом другого узгоджувального тотранзисторів і, ВІДПОВІДНО, значенням їх темпорезистора 5 1 можливо в значній мірі регулювати вого струму, враховуючи зміну співвідношень наположення робочої точки баз N фототранзисторів і пруг ДЖ 3 і ДЗЖ 6 в сторону його збільшення значення їх темпового струму, при ЗМІНІ співвідно(зменшення) при великих (малих) значеннях потушень напруг ДЖ 3 і ДЗЖ 6 - збільшенні (зменшенжностей вхідних оптичних ЦС, АС, ні) для великих (малих) значеннях потужностей дозволяє створити енергозаощаджувальний вхідних оптичних ЦС, АС логічний елемент N АБО-НІ з розширеними функціональними і додатковими адаптивними можлиПовне закриття р-n переходу СД 1 1 при привостями до мікропотужних режимів без істотного сутності оптичних сигналів (одного або кількох) на збільшення елементів і зв'язків МІЖ НИМИ та без вхідних світловодах 7 1 7 N - оптичних логічних суттєвого ускладнення конструкції входах ОЛП, та на одному або кілька n-p-п (р-п-р) фототранзисторів 4 1 4 N, може бути при значенЛітература нях напруги ДЗЖ 6 більше ДЖ З 1 В П Кожемяко, Л И Тимченко, Г Л Лысенко, Ю Ф Кутаев Функциональные элементы и Узгоджувальні резистори R1 - 5 1, R2 - 5 2 в устройства оптоэлектроники - Киев УМК ВО 1990 ОЛП можуть бути виконані на польових транзис струм I, на виході світловоду 2 2 - другому оптичному логічному (не інверсному) виході ОЛП буде відсутній вихідний оптичний сигнал Знову через третій СД 1 3, перший незмінний вивід першого узгоджувального резистора 5 1, його другий змінний вивід і перший СД 1 1 протікає струм І від ДЖ 45670 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 10