Оптоэлектронная логика

Журнал РАДИОЛОЦМАН, февраль 2020

Михаил Шустов, г. Томск

Приведены схемы оптоэлектронных базовых элементов позитивной и негативной логики: И (AND)/И-НЕ (NAND), ИЛИ (OR)/ИЛИ-НЕ (NOR), Исключающее ИЛИ (XOR)/ Исключающее ИЛИ-НЕ (XNOR). Дано описание принципов работы и способов использования схем оптоэлектронной логики.

Исторически сложилось так, что первые логические элементы, рождение которых относится к 30-м годам прошлого века, собирались на основе вакуумных ламп. В 50-е годы на смену лампам пришли транзисторы, вначале биполярные, а затем и полевые. С повышением степени интеграции электронной техники логические элементы стали выполнять на основе интегральных микросхем. Интересно, что изначально логические элементы создавались для работы с сигналами как положительной, так и отрицательной полярности (позитивная и негативная логика) [1].

В связи с созданием и развитием первых оптоэлектронных приборов (светоизлучающих диодов, резистивных и полупроводниковых фотоприборов) появились и первые оптоэлектронные приборы, способные выполнять функции логических элементов И (AND), И-НЕ (NAND), ИЛИ (OR), ИЛИ-НЕ (NOR) [2–8]. Своеобразной «Terra Incognita» оставались логические элементы Исключающее ИЛИ (XOR) и Исключающее ИЛИ-НЕ (XNOR), что резко ограничивало области практического использования оптоэлектронных логических элементов в целом.

Ниже (Рисунки 1–3) предпринята попытка описать новые оптоэлектронные логические элементы, способные в зависимости от способа их включения выполнять функции базовых элементов позитивной и негативной логики: И (AND)/И-НЕ (NAND), ИЛИ (OR)/ИЛИ-НЕ (NOR), Исключающее ИЛИ (XOR)/ Исключающее ИЛИ-НЕ (XNOR).

Рисунок 1.	Базовые элементы позитивной и негативной оптологики: И (AND)/И-НЕ (NAND), ИЛИ (OR)/ИЛИ-НЕ (NOR), Исключающее ИЛИ (XOR)/Исключающее ИЛИ-НЕ (XNOR).

Если в качестве светоизлучающих приборов оптоэлектроники практически безальтернативно используют светодиоды, то в отношении полупроводниковых фотоприемников выбор более представителен. Это фотосопротивления, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры и другие элементы. На приводимых далее рисунках в качестве таковых и для иллюстрации самой идеи показаны фотодиоды, к слову, обладающие повышенным быстродействием в сравнении с конкурентами.

На Рисунке 1 показаны типовые электрические схемы выполнения двухвходовых базовых элементов оптоэлектронной логики. Как следует из рисунка, логические элементы отличаются исключительной простотой и наглядностью описания их работы. Эти элементы состоят из передающей и приемной частей, причем фотодиоды приемных частей включены либо параллельно, либо последовательно.

Рисунок 2.	Способы подключения базовых элементов позитивной оптологики без инверсии и с инверсией выходного сигнала.

Логические элементы позитивной оптологики И (AND)/И-НЕ (NAND) и ИЛИ (OR)/ИЛИ-НЕ (NOR) отличаются от их предшественников [4–7] тем, что в зависимости от способа подключения выходов OUT1 и OUT2 позволяют получить логические устройства, работающие с инверсией или без инверсии выходных сигналов, Рисунок 2.

Что касается логических оптоэлектронных элементов Исключающее ИЛИ (XOR)/Исключающее ИЛИ-НЕ (XNOR), один из нескольких вариантов реализации которых приведен на Рисунке 1, то ранее описания таковых, похоже, не встречались. В этой связи на принципе их работы стоит остановиться подробнее.

Рисунок 3.	Варианты способов подключения базовых элементов позитивной оптологики с инверсией выходного сигнала.

Допустим, что используется вариант работы логического элемента без инверсии (Исключающее ИЛИ (XOR), вывод OUT1 соединен с шиной питания, сигнал снимается с выхода OUT2), Рисунок 2. Предположим, что на входы IN1 и IN2 логического элемента поданы сигналы логического нуля. Ток через светодиоды DA1.1 и DA2.1 не протекает, светодиоды не излучают свет, фотодиоды приемной стороны DA1.2 и DA2.2 ток не проводят. На выходе элемента присутствует сигнал логического нуля.

Далее, предположим, что на вход IN1 логического элемента подан сигнал логической единицы, а на вход IN2 – логического нуля. Ток протекает через диод VD1, светодиод DA1.1, резистор R1, а также резистор R2. Фотодиод приемной стороны DA1.2 проводит ток, на выходе OUT2 появляется сигнал логической единицы.

Подобная ситуация наблюдается, если на вход IN2 логического элемента подан сигнал логической единицы, а на вход IN1 – логического нуля.

Если же на оба входа логического элемента подать сигналы логической единицы, то система диодов VD1 и VD2, а также резисторов R1 и R2 образует мост, напряжение в диагонали которого равно нулю, вследствие чего светодиоды передающей стороны DA1.1 и DA2.1 не излучают свет, соответственно, фотодиоды DA1.2 и DA2.2 не проводят ток, а на выходе OUT2 устанавливается значение логического нуля.

За счет незначительной модификации (смены полярности включения оптоприборов, или просто разворота элементов схем по вертикали со сменой полярности питания) возможна реализация приборов негативной оптологики (Рисунок 1), что существенно расширяет области применения таких приборов в вычислительной или иной технике.

Отметим, что для обеспечения возможности работы оптоэлектронных логических элементов в области повышенных входных и выходных напряжений возможны различные несложные варианты модификации способов включения их входных и выходных цепей за счет использования внешних навесных элементов. Это могут быть гасящие избыточное напряжение резисторы, светодиоды, диоды, стабилитроны (Рисунки 3а–е), в том числе индицирующие наличие и частоту входных сигналов светодиоды (Рисунок 3б).

Подводя итоги изложенному, выделим достоинства и … недостатки оптоэлектронных логических элементов.

Положительные свойства оптоэлектронной логики:

• широкий диапазон напряжений и токов, возможность простого схемотехнического расширения этих диапазонов;
• надежная гальваническая развязка входных и выходных цепей;
• возможность дистанционного разнесения входных и выходных цепей;
• совместимость с другими видами логических элементов, а также возможность преобразования и совмещения уровней логических сигналов;
• повышенная помехозащищенность, малая подверженность действию наводок;
• нет явления самозащелкивания;
• простота схем и их низкая стоимость;
• возможность выполнения из дискретных элементов (резисторов, свето- и фотодиодов);
• возможность создания оптикомеханических систем;
• адаптируемость;
• возможность трансляции аналоговых сигналов.

Недостатки оптоэлектронной логики:

• относительно высокое энергопотребление;
• нет четких переходных областей уровней логической единицы/нуля для входных сигналов;
• ограниченный частотный диапазон, определяемый быстродействием оптоэлектронных приборов (до единиц МГц и выше).

Литература