Оптоэлектронный переключатель Советский патент 1980 года по МПК H03K17/567 H03K17/795 

1

Изобретение относится к полупроводниковой автоматике и вычислительной технике и может найти применение, например, в оптоэлектронных устройствах и линиях связи цифровой аппарат туры.

Известны оптоэлектронные переключатели, содержащие фотодиодный оптрои и инвертирующий усилитель ij.

Недостатком данных устройств явля-О ется сравнительно невысокое быстродействие .

Известен оптоэлектронный переключатель, содержащий инвертирующий усилитель, выполненный на составном тран15 зисторе и резисторе, и два фотодиодных оптрона, светодиоды которых подключены к шинам прямого и инверсного входов, точка соединения фотодиодов соединена с входом инвертирующего уси- 20 лителя, анод первого фотодиода соединен с общей шиной,а катод второго фотодиода соединен с шиной питания 2.

Недостатком устройства является то, что его быстродействие зависит от25 коэффициента передачи тока оптронных пар светодиод-фотодиод, так как процессы переключения таких коммутаторов связаны со значительным изменением напряжения на входе усилителя, а, 30

следовательно, и со значительным изме нением заряда емкостей транзисторов, что приводит к снижению быстродействия при уменьшении коэффициента передачи тока. С другой стороны, при болвших величинах коэффициента передачи тока имеет место явление насыщения входного транзистора усилителя во включенном состоянии, что также ухудшает быстродействие оптоэлектронного переключателя. Подобрать оптимальное значение коэффициента передачи тока практически невозможно, так как этот параметр имеет большой технологический разброс, а также значительно изменяется под действием различных эксплуатационных факторов, например, высокой температуры, длительной экс плуатации.

Цель изобретения - повышение быстродействия.

Цель достигается тем, что в оптоэлектронный переключатель, содержащий инвертирующий усилитель, выполненный на составном транзисторе и резисторе, и два фотодиодных оптрона, светодиоды которых подключены к шинам прямого и инверсного входов, точка соединения катода и анода соответственно пеового и ВТОРОГО Фотодиодов соединена со входом инвертир щего усилителя, анод первого фотоди да соединен с общей шиной, а катод второго фотодиода соединен с шиной питания, дополнительно введены два встречно-параллельно включенных дио да, которые включены между входом и выходом инвертирующего усилителя, к лектор транзистора выходного каскада инвертирующего усилителя соединен с шиной питания через резистор, коллекторы транзисторов предыдущих каскадов соединены с шиной питания. Кроме того, при использовании фотоприемников с относительно большими токами утечки, например, поликристаллических фотодиодов или фотоприемников на основе гетеропереходов, для уменьшения влияния токов утечки оптоэлекТронный переключатель может быть модифицирован исполнительным введением диодной цепочки, количество диодов в которой равно числу транзисторов инвертирующего усилителя, и резистор, который включен между катодом второго фотодиода и шиной питания, диодная цепочка включена между анодом первого фотодиода и общей шиной, а катод второго и анод первого фотодиодов соединены мегкду собой. На фиг. 1 изображена схема основ ного варианта устройства на фиг.2то же, модифицированного . Оптоэлектронный переключатель (см. фиг. 1) содержит инвертирующий усилитель 1 на составном транзисторе 2 и два фотодиоднык оптрона 3-4, светодиоды 5 и 6 которых подключены к шинам прямого 7 и инверсного 8 входов. Фотодиоды 9-10 включены последовательно , точка соединения их соединена со входом инвертирующего усилителя 1, анод фотодиода 10 соединен с общей шиной, катод фотодиода 9 - с шиной питания. Коллектор транзистора выходного каскада усили теля 1 соединен с шиной питания через резистор 11, коллекторы транзис торов предыдущих каскадов подключены к шине питания непосредственно. Между выходом и входом инвертирующего усилителя 1 включены два встре но-параллельно соединенных диода 12-13. Устройство работает следующим об разом. Предположим, что в исходном сост янии входные сигналы таковы, что ос вещен фотодиод 10., а фотодиод 9 затемнен. Следует отметить,.что управ ляющие сигналы на входах 7 и 8 всег да взаимно инверсны, поэтому в любо момент времени один из фотодиодов освещен, а другой затемнен. Фототок неосвещенного фотодиода 9 практически равен нулю, а.фототок освещенного фотодиода 10 протекает по цепи (шина питания, резистор 11, диод 12, шина). Диод 12 включен между входом и вьаходом инвертирующего усилителя 1,поэтому через него протекает также ток базы составного транзистора 2,Поскольку увеличение этого тока вызывает уменьшение напряжения на выходе инвертирующего усилителя 1, то в результате действия отрицательной обратной связи, через диод 12 этот ток устанавливается равным такой величине, при которой напряжение на выходе инвертирующего усилителя 1 равно сумме падений напряжений на переходах база-эмиттер транзисторов инвертирующего усилителя 1 и на диоде 12, что для данного устройства, выполненного в виде кремниевой интегральной схемы, со ставит около 2,4 В. Это напряжение может, быть принято за выходной уровень логической единицы (выходное напряжение логической единицы может быть увеличено, если вместо одного диода 12 использовать цепочку последовательно включенных диодов). Для того, чтобы перевести оптоэлектронный переключатель в противоположное логическое состояние, необходимо инвертировать сигналы одновременно на обоих входах 7-8. При этом освещается фотодиод 9 и затемняется -фотодиод 10. Фототок фотодиода 10 становится (равным нулю и начинает протекать фототок через фотодиод 9. Фототок фотодиода 9 поступает в базу составного транзистора 2, вызывая уменьшение напряжения на выходе инвертирующего усилителя 1. Диод 12 при этом закрывается, в когда напряжение на выходе инвертирующего усилителя 1 становится равным разности между напряжением на его входе и пороговым напряжением отпирания диода 13, последний открывается и все последугацее приращение фототока фотодиода 9 поступает уже не в базу составного транзистора 2, а через открытый диод 13 непосредственно в цепь коллектора транзистора выходного каскада. Напряжение на выходе инвертирующего усилителя 1 устанавливается равным разности напряжения- на его входе и падения напряжения на открытом диоде 13, что составляет около 1,2 В. Это напряжение можно принять за выходной уровень логического нуля (выходное напряжение логического нуля можно уменьшить, если вместо одного диода 13 включить последовательно два диода). Таким образом, за счет действия нелинейной обратной связи через диод 12 транзисторы инвертируквдего усилителя в исходном состоянии открыты, в связи с чем из переходного процесса исключается этап, свяанный с зарядом паразитной емкосо и составного транзистора до порогового напряжения.

За счет действия нелинейной обратной связи через диод 13 исключается возможность насыщения транзисторов силителя 1 и, следовательно, из переходного процесса исключается этап, вязанный с рассасыванием избыточного заряда неосновных носителей. Поэтому в процессе переключения инвертируквдего усилителя транзисторы не выходят из области активного режима, напряжение на входе инвертирующего . усилителя изменяется незначительно, а изменение напряжения на его выходе достаточно велико, чтобы его можно было использовать для управления логическими элементами.

Модифицированный вариант предложенного оптоэлектронного переключателя (см. фиг. 2) отличается от известного наличием дополнительной цепочки последовательно соединенных диодов 14, дополнительного резистора 15 и проводника, соединяющего катод фотодиода 9 с анодом фотодиода 10. Наличие указанных элементов обеспечивает режим работы фотодиодов 9-10, близкий к режиму генератора тока при почти нулевом напряжении на фотодиодах. В остальном работа схемы показанной на фиг. 2 аналогична изображенной на фиг. 1.

Данное устройство обладает большим, по сравнению с известными, быстродействием( в 3-4 раза), меньшей зависимостью быстродействия от эксплуатационных факторов (высокая температура, длительная эксплуатация и др.) повышенной технологичностью за счет меньшей чувствительности к разбросу параметров оптронов. Модифицированный вариант схемы оптоэлектронного переключателя (см. фиг. 2) позволяет также использовать фотодиоды с относительно большими токами утечки, например на основе поликристаллического кремния или гетеропереходов.

Формула изобретения

Оптоэлектронныйпереключатель, содержащий инвертирующий усилитель, выполненный на составном транзисторе и резисторе, и два фотодиодных оптрона, светодиоды которых подключены к шинам прямого и инверсного входов, точка соединения катода и анода соответственно первого и второго фотодиодов соединена со входом инвертирующего усилителя, анод первого фотодиода соединен с общей шиной, а катод второго фотодиода соединен с

5 шиной питания, отличающийс я тем, что, с целью повышения быстродействия, дополнительно введены два встречно-параллельно включенных диода, которые включены между входом

Q и выходом инвертирующего усилителя, коллектор транзистора выходного каскада инвертирующего усилителя соединен с шиной .питания через резистор коллекторы транзисторов предыдущих

каскадов соединены с шиной питания.

2. Переключатель по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно введены диодная цепочка, количество диодов в которой равно числу транзисторов инвертирующего уси , и резистор, который включен между катодом второго фотодиода и шиной питания, диодная цепочка включена между анодом первого фотодиода с общей шиной, а катод второго и

5 анод первого фотодиодов соединены между собой.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Микроэлектроника и полупроводниковые приборы. Под ред. Федотова Я, А. и Васенко а А. А. Советское радио, 1977, вып. 2, с. 145.

2.Авторское свидетельство СССР tf 439921, кл. Н 03 К 17/78, 1973 (прототип).

JL(5

8

IT (

o-LT