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.

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.

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.