РадиоЛоцман - Все об электронике

Универсальный оптоэлектронный логический элемент

Михаил Шустов, г. Томск

Приведено описание оптоэлектронного логического элемента, способного на выбор выполнять функции базовых двухвходовых элементов цифровой техники: И (И-НЕ), ИЛИ (ИЛИ-НЕ), Исключающее ИЛИ (Исключающее ИЛИ-НЕ).

Оптоэлектронные логические элементы, хотя и не выпускаются промышленно, могут быть без затруднений синтезированы из широкодоступных дискретных элементов. Такие элементы выгодно отличаются исключительной простотой, позволяют разнести входные и выходные цепи, обеспечивая тем самым надежную гальваническую развязку. Оптоэлектронные логические элементы могут иметь открытые каналы оптической связи между передающей и приемной сторонами, что существенно обогащает область их возможного практического применения.

На Рисунке 1 приведена электрическая схема универсального оптоэлектронного логического элемента, позволяющего в зависимости от способа включения его в электрическую схему выполнять функции двухвходовых элементов И (И-НЕ), ИЛИ (ИЛИ-НЕ), Исключающее ИЛИ (Исключающее ИЛИ-НЕ), или, в зарубежной транскрипции, AND (NAND), OR (NOR), XOR (XNOR), соответственно.

Электрическая схема универсального оптоэлектронного логического элемента.
Рисунок 1. Электрическая схема универсального оптоэлектронного логического элемента.

Входная (передающая) часть оптоэлектронного логического элемента выполнена по мостовой схеме и содержит светодиоды четырех оптоэлектронных пар. Приемная (выходная) часть логического элемента состоит из трех цепей, подключение которых к источнику питания определяет функцию логического элемента.

Если на входе логического элемента отсутствуют управляющие сигналы, ни один из светодиодов оптопар DA1.1–DA4.1 не излучает свет. Соответственно, на приемной стороне все фотодиоды (фототранзисторы или их заменяющие фоточувствительные элементы) находятся в высокоомном состоянии (не проводят ток). На любом из выходов OUT1, OUT2, OUT3 при условии, что выход OUT4 соединен с общим проводом (см. также Рисунок 2) и при подаче на выводы 4, 5 или 6 напряжения питания присутствует напряжение высокого уровня, приблизительно соответствующее напряжению питания E.

Способы подключения и использования универсальных оптоэлектронных логических элементов: а) NAND, NOR, XNOR; б) AND, OR и XOR.
Рисунок 2. Способы подключения и использования универсальных оптоэлектронных
логических элементов: а) NAND, NOR, XNOR; б) AND, OR и XOR.

Рассмотрим вариант использования универсального оптоэлектронного логического элемента в качестве логического элемента И-НЕ, Рисунки 1 и 2. Для этого соединим вывод 4 с источником питания, а вывод 10 – с общей шиной. Выходной сигнал будем снимать с вывода 7 (выход OUT1).

При подаче на один их входов оптоэлектронного логического элемента управляющего сигнала уровня логической единицы, например, на вывод 1 (вход IN1) ток будет протекать через светодиоды оптопар DA1.1 и DA3.1, а также резисторы R1 и R2. Эти светодиоды начинают светиться, переводя в токопроводящее состояние соответствующие им фотодиоды оптопар DA1.2 и DA3.2. Фотодиод оптопары DA3.2 не подключен и не участвует в работе логического элемента И-НЕ. Фотодиод оптопары DA1.2 включен последовательно с фотодиодом оптопары DA2.2, который ток не проводит. Следовательно, на выходе OUT1 сохраняется значение логической единицы.

Ситуация сохранится, если на вход IN1 будет подан сигнал уровня логического нуля, а на вход IN2 – уровня логической единицы. Положение коренным образом изменится, если на оба эти входа будет подан сигнал уровня логической единицы. В этом случае оба фотодиода оптопар DA1.2 и DA2.2 переключаются в токопроводящее состояние, и напряжение на выходе OUT1 падает практически до нуля (до уровня логического нуля).

Для того чтобы оптоэлектронный логический элемент реорганизовать для работы в качестве логического элемента И, достаточно, Рисунок 2, соединить вывод 7 с шиной питания, а выходной сигнал снимать с вывода 10 (OUT4).

Рассмотрим далее возможность работы оптоэлектронного логического элемента в качестве логического элемента ИЛИ-НЕ. Для этого напряжение питания подается на вывод 5, а выходной сигнал снимается с вывода 8 (OUT2); вывод 10 соединяется с общей шиной.

Для схемы ИЛИ вывод 8 (и вывод 5) соединяется с шиной питания, выходной сигнал снимается с вывода 10 (OUT4), см. также Рисунок 2.

Процессы во входных цепях остаются без изменений, зато в выходных цепях в силу того, что фотодиоды оптопар DA1.3 и DA2.3 включены параллельно, любой из поступивших на вход сигналов уровня логической единицы переключит состояние сигнала на выходе логического элемента.

Рассмотрим далее работу элемента «Исключающее ИЛИ-НЕ», Рисунки 1 и 2, для чего соединим вывод 6 с шиной питания, вывод 10 соединим с общей шиной, а выходное напряжение будем снимать с вывода 9 (выход OUT3). В данном включении оригинальными становятся электрические процессы, протекающие во входных цепях. Так, при отсутствии входных сигналов светодиоды оптопар не светятся; все фотодиоды оптопар ток не проводят. На выходе элемента присутствует уровень логической единицы.

Подадим на один их входов логического элемента, например, на вывод 1 (вход IN1) управляющий сигнал уровня логической единицы. Ток будет протекать через светодиоды оптопар DA1.1 и DA3.1, а также резисторы R1 и R2. Эти светодиоды начинают светиться, переводя в токопроводящее состояние фотодиоды оптопар DA1.2 и DA3.2. Соответственно на выводе 9 (выход OUT3) появится напряжение низкого уровня. То же самое произойдет, если на вывод 2 (вход IN2) будет подана логическая единица, а на вывод 1 (вход IN1) – логический нуль.

Если на оба входа логического элемента подать сигналы уровня логической единицы, то в связи с мостовой схемой включения светодиодов оптронных пар DA3.1 и DA4.1 ток через них протекать не сможет, соответствующие светодиоды оптопар DA3.2 и DA4.2 ток не проводят, следовательно, на выходе логического элемента будет уровень логической единицы.

Для элемента «Исключающее ИЛИ», Рисунки 1 и 2, соединим вывод 9 (и вывод 6) с шиной питания, а выходное напряжение будем снимать с вывода 10 (выход OUT4).

Таблица истинности универсального логического элемента в различных режимах его включения приведена на Рисунке 2. Переключатели SA1 показаны условно, для наглядности. Их можно заменить перемычками.

Варианты практического использования универсальных оптоэлектронных логических элементов в качестве элементов NAND, NOR, XNOR приведены на Рисунке 2а, и в качестве элементов AND, OR и XOR на Рисунке 2б.

JLCPCP: 2USD 2Layer 5PCBs, 5USD 4Layer 5PCBs

Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения (только последние 20 сообщений):Полный вариант обсуждения »
  • интересно - до каких частот по входу будет работать?
  • А конкретно на какой элл. базе это можно реализовать в железе эту оптронику.
  • Принимая во внимание, что светодиоды и фотодиоды безынерционные, частота может достигать несколько Гигагерц. [URL="http://www.trzrus.ru/rec/recany.htm?8../opto.htm"]http://www.trzrus.ru/rec/recany.htm?8../opto.htm[/URL]
  • Даташит на FOD817 и подобные не секрет. Гигагерцами там и не пахнет.
  • Уважаемый специалист, раз Вы занимаетесь этой тематикой, то, может подскажете: Меня интересует оптический элемент НЕ (электронный, электрооптический элемент НЕ - понятно, есть). С уважением. Сергей
  • но время задержки распространения сигнала до 100 микросекунд имеется (по даташиту)а реально оно еще больше. рабочая частота в пределах нескольких сотен килогерц всего...
  • Все определяется областью применения. Передача информации по оптоволокну происходит на скорости 10Гб и более и там тоже работают светодиоды и фотодиоды.
  • не всё так просто, как кажется... Системы сверхвысокой пропускной способности с обратной связью также используют 1024-QAM. При использовании 1024-QAM, адаптивного кодирования и модуляции (ACM) и XPIC, производители могут получить гигабитную емкость в одном канале с частотой 56 МГц. - Читайте подробнее на FB.ru: [url]https://fb.ru/article/431976/kvadraturnaya-amplitudnaya-modulyatsiya-qam-chto-eto-takoe-i-gde-primenyaetsya[/url]
  • C оптоволоконными линиями работают лазеры.
  • А лазерный светодиод разве не светодиод?
  • "...Оптоэлектронные логические элементы, хотя и не выпускаются промышленно, могут быть без затруднений синтезированы из широкодоступных дискретных элементов..." как то не вяжется лазерный светодиод и утверждение из статьи, что скопировал выше
  • Лазер это не светодиод. Совсем другая ВАХ. Совершенно другая диаграмма направленности излучения. Другие требования по эксплуатации. Или вы по принципу светодиод светит и лазер светит определяетесь. А еще у тех и других есть ик диапазоны они не светят но работают.
  • Лазеры бывают разные, в том числе и твердотельные, на основе гетероструктур, как и светодиоды. И в ИК- диапазоне СВЕТЯТ и те и другие. Просто человеческий глаз это не видит. Но видит камера телефона или фотодиод, фототранзистор и т.д.
  • Это кто вам сказал такую чушь что оээ не выпускаются. Вот только малая их часть. Есть и наши например 249лп1.
  • Иногда мне приносят старые ик пульты для ремонта. Вот сначала камерой телефона и проверяю их. Даже можно определить на глаз по миганию команды.
  • Или например включить несколько мощных ик диодов последовательно просто без всякой модуляции и направить их на какой то предмет то ночью с помощью этой камеры на телефоне получите ночное видение. Принцип работы камер с ночным видением.
  • Совершенно верно. Более того, физики-ядерщики об источниках ионизирующих излучений тоже говорят, что они светят. И это верно, исходя из волновых свойств элементарных частиц. Возникшее обсуждение материала статьи говорит скорее не о её существе, а о общей скудости тем, появляющихся на форуме и ожидании участниками форума по-настоящему интересных и актуальных публикаций. Автор статьи изложил лишь своё видение темы. При этом, из поля его зрения удивительным образом выпали очевидные вещи, на которые правильно указал BERKY. "Изобретение велосипеда" продолжается.
  • [b]САТИР[/b], Да все правильно что вы пишите, о чем толкует т.с это изобретение велосипеда. Эти принципы построения давно уже работают. Теперь на счет излучений на простых светодиодах с токами например до 25ма. Любой светодиод имеет линейную зависимость видимого спектра излучения от приложенного на него тока. Он излучает и при 100мка излучение. Только мощность излучения не большая. Мы этого не увидим конечно. Например на оптронах стоят либо ик диоды на входе или со свечением. Там регламентируется ток вкл. оптрона Он от 2ма и до 50ма в зависимости от марки оптрона. Есть оптроны которые работают строго с заданным этим параметром. Например он срабатывает только от 15ма и не менее. При этом надо конечно учитывать приложенное напряжение и падение этого напряжения на любом типе светодиода. У лазеров немного по другому. У них например есть зона где они работают как светодиоды. Потом увеличение тока и он работает уже с форсированным лазерным излучением. Кривая у них очень крутая. Любое незначительное увеличение тока приводит к сгоранию лазера. Вот для этого и применяются специальные схемы стабилизаторов тока. Я показывал такую схему лазера в программе Multisim 14.1 Еще добавляется к этой схеме модулятор и лазер работает уже в режиме модуляции ВЧ сигналов.
  • эта цитата из статьи. самая первая. статью прочитать надо...
  • [b]BERKY[/b], совершенно с Вами, абсолютно! Спорить тут совершенно не о чем. Конечно, при одном существенном допущении, что так трактует теория. Как всё происходит на самом деле нам не ведомо, так-как никому ещё не удалось визуально наблюдать эти процессы внутри атома. Но когда это обстоятельство было непреодолимым препятствием для пытливого ума?
Полный вариант обсуждения »