Ячейка оптоэлектронного сумматора

 

Союз Советских

Социалистических реслублик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 04.01.79 (21) 2706574/18-24 с присоединением заявки №вЂ” (51) М. Кл.

G 06 F 7/56

Опубликовано 28.02.81. Бюллетень №8

Дата опубликования описания 28.02.81 (53) УДК 681.325..54 (088.8) ло делам изобретений и открытий (72) Авторы изобретения

P. Ф. Иванов и А. 1О. Прыгунов (71) Заявитель

Кубанский государственный университет (54) ЯЧЕЙКА ОПТОЭЛЕКТРОННОГО СУММАТОРА

Гооударетееииый комитет (23) Приоритет—

СССР

Изобретение относится к оптоэлектронике и может быть использовано при создании оптических и оптоэлектронных вычислительных устройств.

Известны оптические суммирующие устройства. Одно из них — сумматор по модулю два — содержит фотоприемник, туннельный диод, светодиод и источник питания, включенные последовательно (1).

Недостаток указанного устройства — отсутствие входа и выхода сигналов переноса.

Другое известное устройство — оптоэлектронный полусумматор — содержит амплитудные оптические модуляторы, источник смещающего напряжения, источник питания, туннельный диод и транзистор, эмиттернобазовый переход которого включен параллельно туннельному диоду (2).

Недостаток данного сумматора — отсутствие третьего входа (входа переноса) и сложность схемы.

Известен одноразрядный трехвходовый сумматор (3), содержащий фотогальванический элемент, светодиод и излучающий туннельный диод, включенные последовательно в замкнутую цепь (3).

Недостаток устройства заключается в том, что энергия выходного сигнала переноса представляет собой величину, которая меньше энергии входных сигналов вследствие неизбежных потерь при преобразованиях электромагнитной энергии в туннель5 ном диоде.

Наиболее близким устройством к предлагаемому является ячейка оптоэлектронного сумматора, содержащая фотодиод, источник питания, светодиоды, туннельный диод и фотогальванический элемент, выводы которого соединены через последовательно включенные в прямом направлении первый светодиод и туннельный диод, фотогальванический элемент оптически связан с первым и вторым сигнальными входами и вхо15 дом «перенос» ячейки (4).

Недостаток этого устройства в том, что коэффициент передачи световой энергии меньше единицы. Это обстоятельство при

20 многокаскадном соединении сумматоров резко ухудшает отношение полезного сигнала к шуму, что снижает достоверность результатов вычисления многоразрядных двоичных чисел.

809!78

1О

2О

15 зо

Я

Цель изобретения — повышение надежности работы ячейки за счет увеличения мощности выходного сигнала переноса.

Поставленная цель достигается тем, что в ячейке оптоэлектронного сумматора, содержащей фотодиод, источник питания, выполненный в виде батареи солнечных элементов, первый и второй светодиоды, туннельный диод и фотогальванический элемент, выводы которого соединены через последовательно включенные в прямом направлении первый светодиод и туннельный диод, фотогальванический элемент оптически связан с первым и вторым сигнальными входами и входом «перенос» ячейки, а оптический выход первого светодиода является суммирующим выходом ячейки, второй светодиод выполнен в виде светоизлучающего элемента с S-образной электрической характеристикой, первый вывод которого соединен с выводом отрицательной полярности источника питания, а второй — с выводом положительной полярности источника питания через фотодиод, включенный в обратном направлении, причем фотодиод оптически связан с первым и вторым сигнальными входами и входом «перенос» ячейки, а оптический выход второго светодиода является выходом

«перенос ячейки».

1-!а фиг. 1 приведена принципиальная схема ячейки оптоэлектронного сумматора, на фиг. 2 — N-образная вольтамперная характеристика туннельного диода, на фиг. 3—

Я-образная волтамперная характеристика светоизлучающего элемента.

Устройство содержит фотогальванический элемент 1, фотоприемник-фотодиод 2, полупроводниковый двухполочный переключатель с N-образной вольтамперной характеристикой — туннельный диод 3, первый светодиод 4, второй светодиод — светоизлучающий элемент 5 с S-образной вольтамперной характеристикой, источник 6 питания в виде батареи фотогальванических (солнечных) элементов.

Фотогальванический элемент 1, первый светодиод 4 и туннельный диод 3 включены последовательно в первый замкнутый контур. Второй контур составляют включенные последовательно фотодиод 2, элемент 5 с

S-образной характеристикой и источник 6 питаниЯ.

Оптические сигнальные входы 7 и 8 слагаемых и оптический вход 9 «перенос» с помощью световодов 10 связаны с фотогальваническим элементов 1 и фотодиодом 2.

Оптические входы 7 — 9 сумматора выполнены в виде фоконов, каждый из которых объединяет два световода.

1Тервый светодиод 4 является оптическим выходом сумматора, формирующим сигнал значения суммы С.

Второй светодиод — светоизлучающий элемент 5 — является выходом; «перенос>. сумматора, формирующий сигнал П .

Устройство работает следующим образом.

На батарею 6 подается постоянный поток излучения «const» В результате этого на зажимах батареи появляется напряжение Е.

На вход сумматора поступает сигналы слагаемых Х, Х и сигнал переноса П1 в виде равных световых потоков. В соответствии с этим напряжение, вырабатываемое фотогальваническим элементом 1, принимает четыре значения. Если входные сигналы отсутствуют, то фотогальванический элемент 1 возбуждает напряжение шума 14.

Если на вход поступает один сигнал, фотогальванический элемент возбуждает напряжение Ui. Если на вход сумматора поступают два или три сигнала, то фотогальванический элемент 1 возбуждает напряжение

U и 1з соответственно.

Ввиду практической линейности люксвольтовых характеристик нагруженного фотогальванического элемента 1 можно считать, что U4 0, U+2V и U53V>. При включении последовательно с фотагальваническим элементом 1 светодиода 4 и туннельного диода 3 нагрузочные прямые параллельны. Вольтамперная характеристика туннельного диода 3 подобрана таким образом, что величины токов Э (U1) и Э (Ьз) достаточны, а величины токов Э (! 1о ) и J (Uz) недостаточны для -высвечивания светодиода 4.

Величина сопротивления фотодиода 2 также принимает четыре значения. Если, например, на входы 7 — 9 не поступают оптические сигналы, сопротивление принимает значение Ro. Если на входы поступают один, два или три сигнала, то сопротивление принимает значение соответственно Ri, Rz и Кз.

Ввиду практической линейности люск-амперной характеристики нагруженного фотодиода 2 можно считать, что К В, Rj+R (5.

При последовательном включении фотодиода 2, элемента 5 с S-образной характеристикой и источника 6 нагрузочные прямые, проведенные из точки Е, пересекаются с осью ординат в точках, ординаты которых обратно пропорциональны значениям сопротивлений Rq К1, К и Кз.

В соответствии с этим S-образная вольтамперная характеристика светоизлучающего элемента 5 подобрана так, что величины токов 7(Ro) и 3(R>), протекающих во втором контуре, недостаточны, а величины токов 3(Rq) и 7(R5) достаточны для возбуждения излучения элементов 5.

Все возможные варианты значений входных и выходных сигналов приведены в таблице истинности, в которой потоки излучения, значительно превышающие уровень шума, обозначены цифрой «1», а потоки, сравнимые с фоновым шумом, обозначены «О».

809178

П, Позиции

Х1

Х, О

0

0

0

1

1 о

0

О 1 о

0

1 о

1

1 о

0

1

1

0

1

0 о

1

3

7

Формула изобретения

Если на входы 7 — 9 сигналы не поступают (х —— х -П| = О), в первом контуре возбуждается ток 3 (Un ), а во втором — ток | 5

У(Ко), которые недостаточны для возбуждения излучения. Поэтому на выходах сигналы отсутствуют (С = П = О;, что соответствует позиции 1 таблицы истинности.

Если на входы 7 — 9 поступает один из сигналов (х = 1, хт = П =- О или х = 1, х| — — П,=ОилиП, =!,х = х| =О), назажимах фотогальванического элемента 1 появляется напряжение U и в первом контуре протекает ток 7(Ui), достаточный для возбуждения светодиода 4. На выходе сумма- s тора имеется сигнал С = 1. Во втором контуре протекает ток 1(R,), недостаточный для возбуждения светоизлучающего элемента 5 (п = 0). Описанные случаи соответствуют позициям 5, 3 и 2 таблицы истинности.

Если на входы поступают два сигнала ( х — — П =1,x =Оилих| =П, =1, х =

= О, или х, = х = 1, П = O),на зажимах элемента 1 напряжение возрастает до величины Uz, но ввиду отрицательного сопротивления туннельного диода 3, ток в первом контуре уменьшается до величины J(Uz). Поэтому светодиод 4 не высвечивает (C = О) .

Во втором контуре открывается светоизлучающий, элемент 5 и возникает резкое увеличение тока до величины 3(Rz), т.е. формирование сигнала переноса элементов 5 (П = I).

Рассмотренные случаи соответствуют позициям 4, 6 и 7 таблицы истинности.

Если сигналы поступают на все входы

1(! !з ), возбуждающий светодиод 4 (С = 1) .

Во втором контуре протекает ток 1(Rz), возбуждающий светоизлучающий элемент 5 (П вЂ” — 1). Это способствует позиции 8 таблицы истинности.

Вввиду того, что во втором контуре имется источник 6 питания, потери энергии, происходящие в этом контуре, можно восполнить за счет энергии указанного источника.

Поэтому практически легко получить выходной сигнал переноса П,в энергетическом отношении сравнимый с входными сигналаMH Xg Xg H П|.

Это обстоятельство позволяет использовать ячейку оптоэлектронного сумматора в многоразрядном сумматоре для сложения многоразрядных двоичных чисел. В этом случае светоизлучаюгций элемент 5 ячейки младшего разряда оптически связывается с входом «перенос» 9 аналогичной ячейки старшего разряда и т.д. Полученное каскадное соединение ячеек представляет собой параллельный сумматор, При этом сигнальные входы 7 и 8 каждой ячейки поступают слагаемые соответствующих разрядов суммируемь!х чисел.

Ячейка оптоэлектронного сумматора, содержащая фотодиод, источник питания, выполненнь и в виде батареи солнечных элементов, первый и второй светодиоды, туннельный диод v. фотогальванический элемент, выводы которого соединены через последовательно включенные в прямом направлении первый светодиод и туннельный диод, фотогальванический элемент оптически связан с первым и вторым сигнальными входами и входом «перенос» ячейки, оптический выход первого светодиода является сумMHpvIoLUHì . выходом ячейки, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности работы ячейки, в ней второй светодиод выполнен в виде светоизлучающего элемента с

S-образной электрической характеристикой первый вывод которого соединен с выводом отрицательной полярности источника питания, а второй — с выводом положительной полярности источника питания через фотодиод, включенный в обратном направлении, причем фотодиод оптически связан с первым и вторым сигнальными входами и входом «перенос» ячейки, а оптический выход второго светодиода является выходом

«перенос» ячейки.

Источники информац и, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР № 535572, кл. G 06 G 9/00. 1975.

2. Авторское свидетельство СССР № 535573, кл. G 06 F 7/56, 19 75.

3. Авторское свидетельство СССР № 579619, кл. G 06 F 7/56. 1976.

4. Авторское свидетельство СССР по заявке № 2700932/18 — 24, кл. G 06 F 7/56, 1978 (прототип).

809!78

Const

ФцгЛ

Фиг.2

1®

Еиг.3

Редактор Н. Бушаева

Заказ 18/59

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Ф4

I(Ug) т(ф

r(v>) I 1 Rg) o) Составитель Ю. Козлов

Техред А. Бойкас . Корректор Н. Бабинец

Тираж 756 Подписное