Ячейка оптоэлектронного сумматора Советский патент 1981 года по МПК G06F7/56 

(54) ЯЧЕЙКА ОПТОЭЛЕКТРОННОГО СУММАТОРА

I

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 меньще энергии входных сигналов вследствие неизбежных потерь при преобразованиях электромагнитной энергии в туннельном диоде.

Наиболее близким устройством к предлагаемому является ячейка оптоэлектронного сумматора, содержащая фотодиод, источник питания, светодиоды, туннельный диод

0 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 вхо5 дом «перенос ячейки 4.

Недостаток этого устройства в том, что коэффициент передачи световой энергии меньще единицы. Это обстоятельство при многокаскадном соединении сумматоров резко ухудщает отношение полезного сигнала к щуму, что снижает достоверность результатов вычисления многоразрядных двоичных чисел. 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. На фиг. 1 приведена принципиальная схема ячейки оптоэлектронного сумматора, на фиг. 2 Ы-образная вольтамперная характеристика туннельного диода, на фиг. 3 - S-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 б 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. Первый светодиод 4 является оптическим выходом сумматора, формирующим сигнал значения суммы С. Второй светодиод - светоизлучающий элемент 5 - является выходом, «перенос сумматора, формирующий сигнал Пг. 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 Xt, Хг и сигнал переноса Fit 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 UoЕсли на вход поступает один сигнал, фотогальванический элемент возбуждает напряжение и. Если на вход сумматора поступают два или три сигнала, то фотогальванический элемент 1 -возбуждает напряжение 1/2. и 3 соответственно. Ввиду практической линейности люксвольтовых характеристик нагруженного фотогальванического элемента 1 можно считать, что , и ,. При включении последовательно с фотогальваническим элементом 1 светодиода 4 и туннельного диода 3 нагрузочные прямые параллельны. Вольтамперная характеристика туннельного диода 3 подобрана таким образом, что величины токов 3(Ui) и (Ua) достаточны, а величины токов II(Uo) и I(Ua) 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, Ri и Rj. Ввиду практической линейности люск-амперной характеристики нагруженного фотодиода 2 можно считать, что , .j. 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 RO, Ri, Кг и Rj. В соответствии с этим S-образная вольтамперная характеристика светоизлучающего элемента 5 подобрана так, что величины токов J(Ro) и (Ri), протекающих во втором контуре, недостаточны, а величины токов 3(Ri) и 7(Rj) 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 щума, обозначены цифрой «1, а потоки, сравнимые с фоновым шумом, обозначены «О.

О О О

о 1 1 1 1

Если на входы 7-9 сигналы не поступают (x-t 0), в первом контуре возбуждается ток J(Uo), а во втором - ток 3(Ro), которые недостаточны для возбуждения излучения. Поэтому на выходах сигналы отсутствуют (С Пг. 0), что соответствует позиции 1 таблицы истинности.

Если на входы 7-9 поступает один из сигналов (xi 1, хг П-i О или Хг. 1, X, П,О или П, 1, XI хг О), на зажимах фотогальванического элемента 1 появляется напряжение Ui и в первом контуре протекает ток 7(U-i), достаточный для возбуждения светодиода 4. На выходе сумматора имеется сигнал С 1. Во втором контуре протекает ток 3(R,), недостаточный для возбуждения светоизлучающего элемента 5 (пг О). Описанные случаи соответствуют позициям 5, 3 и 2 таблицы истинности.

Если на входы поступают два сигнала (xi 111 1, XI О или X, П 1, хг О, или X, хг 1, П1 О),на зажимах элемента 1 напряжение возрастает до величины Ua, но ввиду отрицательного сопротивления туннельного диода 3, ток в первом контуре уменьшается до величины Э{иг). Поэтому светодиод 4 не высвечивает (С О). Во втором контуре открывается светоизлучающий элемент 5 и возникает резкое увеличение тока до величины J(R2), т.е. формирование сигнала переноса элементов 5 (ТТ-г. 1). Рассмотренные случаи соответствуют позициям 4, 6 и 7 таблицы истинности.

Если сигналы поступают на все входы ЦУз), возбуждающий светодиод 4 (С 1). Во втором контуре протекает ток 1(Нз), возбуждающий светоизлучающий элемент 5 (П2 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 П2,в энергетическом отношении сравнимый с входными сигналами x, Хг. и П1.

Это обстоятельство позволяет использовать ячейку оптоэлектронного сумматора в многоразрядном сумматоре для сложения многоразрядных двоичных чисел. В этом

о

о 1 о 1 о 1 о 1

о

1

о о 1 о 1 1 1

1

о

1

о

о

1

случае светоизлучающий элемент 5 ячейки младшего разряда оптически связывается с входом «.перенос 9 аналогичной ячейки старщего разряда и т.д. Полученное каскадное соединение ячеек представляет собой параллельный сумматор. При этом сигнальные входы 7 и 8 каждой ячейки поступают слагае.мые соответствующих разрядов суммируемых чисел.

Формула изобретения

Ячейка оптоэлектронного сумматора, содержащая фотодиод, источник питания, выполненный 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 суммирующим .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, вк,-1юченный 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 информации, принятые во внимание при экспертизе

№ 535572, кл. G 06 G 9/00, 1975.

кл. G 06 Е 7/56, 1978 (прототип).