Оптоэлектронные элементы «Эквивалентность» и «Эквивалентность-НЕ»

Михаил Шустов, г. Томск

Приведены схемы четырехвходовых логических элементов «Эквивалентность» и «Эквивалентность-НЕ», выполненных с использованием средств оптоэлектроники

Логические элементы «Эквивалентность» и «Эквивалентность-НЕ» не пользуются заметной востребованностью в радиоэлектронных конструкциях и даже не имеют устоявшегося обозначения. Промышленно микросхемы такого назначения не выпускаются, хотя сами логические элементы при желании могут быть синтезированы из элементов обычной логики. Поясним далее назначение столь экзотических логических элементов [1, 2].

ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ (EQUIVALENCE) – логический элемент, имеющий на выходе логическую единицу лишь в том случае, если сигналы на всех его входах будут иметь одинаковый (т.е. тождественный, эквивалентный, равнозначный) логический уровень «нуль» или «единица».

ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ-НЕ (NOT-EQUIVALENCE), НЕЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ – логический элемент, имеющий на выходе логический нуль лишь в том случае, если сигналы на всех его входах будут иметь одинаковый (т.е. тождественный, эквивалентный, равнозначный) логический уровень «нуль» или «единица».

Отметим, что если сократить число входов у элементов «Эквивалентность» или «Эквивалентность-НЕ» до двух, то они будут идентичны логическим элементам «Исключающее ИЛИ-НЕ» («Исключающее ИЛИ»), соответственно.

На Рисунке 1 приведена электрическая схема четырехвходового оптоэлектронного элемента, выполняющего в зависимости от способа подключения его выводов функции логического элемента «Эквивалентность» или «Эквивалентность-НЕ».

Рисунок 1.	Электрическая схема оптоэлектронных логических элементов «Эквивалентность» и «Эквивалентность-НЕ».

Логический элемент состоит из двух частей – входной (передающей, имеющей 4 входа X1–X4) и выходной (приемной). Каждый вход (X1–X4) содержит входной ключевой элемент – полевой транзистор VT1, например, 2N7000, управляющий работой оптического коммутатора, состоящего из ограничителя тока R2, а также двух светодиодов оптопар DA1.1 и DA2.1. Отметим, что в качестве таковых могут быть использованы диодные, транзисторные или иные оптопары, хотя на Рисунке 1 показаны только диодные оптопары. Последовательно со светодиодом оптопары DA2.1 включен кремниевый диод VD1, например, 1N4148.

Если входной сигнал отсутствует, транзистор VT1 не проводит ток, светится светодиод DA2.1. При подаче на вход сигнала уровня логической единицы сопротивление исток-сток транзистора VT1 снижается практически до нуля, светодиод оптопары DA1.1 шунтирует цепочку из диода VD1 и светодиода оптопары DA2.1, светодиод оптопары DA1.1 излучает свет, светодиод оптопары DA2.1 гаснет.

На приемной стороне две последовательно-параллельно включенные цепочки фотодиодов оптопар DA2.2 (X1–X4) и DA1.2 (X1–X4) через резистор R3 соединены с шиной питания, а через резистор R4 – с общей шиной. При помощи переключателя S1 один из этих резисторов может быть зашунтирован, тогда как с другого из резисторов можно снимать выходной сигнал. Переключатель S1 приведен условно, поскольку на практике вместо него достаточно использовать перемычку.

Итак, рассмотрим ситуацию, когда входные сигналы на всех четырех входах логического элемента отсутствуют. Все светодиоды DA2.1 (X1–X4) излучают свет, а им отвечающие фотодиоды DA2.2 (X1–X4) проводят ток. Все светодиоды DA1.1 (X1–X4) не светятся, а им отвечающие фотодиоды DA1.2 (X1–X4) не проводят ток. Предположим, что логический элемент при помощи переключателя S1 переведен в состояние «Эквивалентность-НЕ», так, как это показано на Рисунке 1. Поскольку вся цепочка фотодиодов DA2.2 (X1–X4) проводят ток, а аноды цепочек фотодиодов соединены с общей шиной, на выходе Y1 присутствует сигнал уровня логического нуля.

Далее предположим, что на один из входов логического элемента, например, X1, поступает управляющий сигнал уровня логической единицы. Светодиод оптопары DA2.1 гаснет, светодиод оптопары DA1.1 излучает свет. Соответственно, фотодиод оптопары DA2.2 перестает проводить ток, а фотодиод оптопары DA1.2 начинает проводить. Токопроводящие пути цепочек фотодиодов оптопар DA2.2 (X1–X4) и DA1.2 (X1–X4) разорваны, на выходе Y1 появляется сигнал уровня логической единицы. Такая ситуация сохраняется до тех пор, пока сигнал хотя бы на одном из входов логического элемента отличается от остальных.

Наконец, допустим, что на все входы оптоэлектронного логического элемента поступают сигналы высокого логического уровня. Все светодиоды DA1.1 (X1–X4) излучают свет, а им отвечающие фотодиоды DA1.2 (X1–X4) проводят ток. Их оппоненты светодиоды DA2.1 (X1–X4) не излучают свет, а им отвечающие фотодиоды DA2.2 (X1–X4) ток не проводят. Таким образом, токопроводящая цепочка фотодиодов DA1.2 (X1–X4) закорачивает выходной сигнал на общую шину, на выходе Y1 устанавливается уровень логического нуля.

На Рисунке 2 для иллюстрации принципа работы оптоэлектронного элемента приведена его эквивалентная схема, в которой оптопары заменены системой из четырех тумблеров, работающих на переключение.

Рисунок 2.	Эквивалентная схема оптоэлектронных логических элементов «Эквивалентность» и «Эквивалентность-НЕ».

Из рисунка следует, что смена уровня выходного логического сигнала возможна только в двух случаях, когда все тумблеры X1–X4 (контактные группы SA2.2 (X1–X4) и SA1.2 (X1–X4)) одновременно находятся в условно включенном или в условно выключенном состоянии. Отметим, что выходы Y1 и Y2, Рисунок 1 и Рисунок 2, могут быть соединены вместе и использованы в качестве единого выхода Y.

Рисунок 3.	Таблицы истинности логических элементов «Эквивалентность» и «Эквивалентность-НЕ».

На Рисунке 3 приведены таблицы истинности элементов «Эквивалентность» (EQUIL) и «Эквивалентность-НЕ» (NEQUIL).