SU790315A1

SU790315A1 - Optronic change-over switch

Info

Publication number: SU790315A1
Application number: SU782641960A
Authority: SU
Inventors: Вадим Алексеевич Горохов; Валерий Сергеевич Рыбаков; Александр Васильевич Бисярин
Original assignee: Московский Ордена Трудового Красного Знамени Электротехнический Институт Связи
Priority date: 1978-07-10
Filing date: 1978-07-10
Publication date: 1980-12-23

Description

1one

Изобретение относитс к полупроводниковой автоматике и вычислительной технике и может найти применение, например, в оптоэлектронных устройствах и лини х св зи цифровой аппарат туры.The invention relates to semiconductor automation and computer technology and can be used, for example, in optoelectronic devices and communication lines of a digital apparatus of tours.

Известны оптоэлектронные переключатели , содержащие фотодиодный оптрои и инвертирующий усилитель ij.Optoelectronic switches are known that contain a photodiode opto and an inverting amplifier ij.

Недостатком данных устройств вл -О етс сравнительно невысокое быстродействие .The disadvantage of these devices is relatively low speed.

Известен оптоэлектронный переключатель , содержащий инвертирующий усилитель , выполненный на составном тран15 зисторе и резисторе, и два фотодиодных оптрона, светодиоды которых подключены к шинам пр мого и инверсного входов , точка соединени фотодиодов соединена с входом инвертирующего уси- 20 лител , анод первого фотодиода соединен с общей шиной,а катод второго фотодиода соединен с шиной питани 2.An optoelectronic switch containing an inverting amplifier, made on a composite transistor and a resistor, and two photodiode optocouplers, the LEDs of which are connected to the buses of the direct and inverse inputs, is known, the connection point of the photodiodes is connected to the input of the inverting amplifier, the first photodiode is connected to the common photodiode bus, and the cathode of the second photodiode is connected to the power bus 2.

Недостатком устройства вл етс то, что его быстродействие зависит от25 коэффициента передачи тока оптронных пар светодиод-фотодиод, так как процессы переключени таких коммутаторов св заны со значительным изменением напр жени на входе усилител , а, 30The drawback of the device is that its speed depends on the 25 current transfer ratio of the optocoupler LED-photodiode, since the switching processes of such switches are associated with a significant change in the voltage at the input of the amplifier, and

следовательно, и со значительным изме нением зар да емкостей транзисторов, что приводит к снижению быстродействи при уменьшении коэффициента передачи тока. С другой стороны, при болвших величинах коэффициента передачи тока имеет место вление насыщени входного транзистора усилител во включенном состо нии, что также ухудшает быстродействие оптоэлектронного переключател . Подобрать оптимальное значение коэффициента передачи тока практически невозможно, так как этот параметр имеет большой технологический разброс, а также значительно измен етс под действием различных эксплуатационных факторов, например, высокой температуры, длительной экс плуатации.consequently, with a significant change in the charge of the capacitors of the transistors, which leads to a decrease in speed with a decrease in the current transfer ratio. On the other hand, when the current transfer ratio is large, there is a saturation phenomenon of the input transistor of the amplifier in the on state, which also impairs the speed of the optoelectronic switch. It is almost impossible to choose the optimal value of the current transfer ratio, since this parameter has a large technological variation and also significantly changes under the influence of various operational factors, for example, high temperature, long-term operation.

Цель изобретени - повышение быстродействи .The purpose of the invention is to increase speed.

Цель достигаетс тем, что в оптоэлектронный переключатель, содержащий инвертирующий усилитель, выполненный на составном транзисторе и резисторе, и два фотодиодных оптрона, светодиоды которых подключены к шинам пр мого и инверсного входов, точка соединени катода и анода соответственно пеового и ВТОРОГО Фотодиодов соединена со входом инвертир щего усилител , анод первого фотоди да соединен с общей шиной, а катод второго фотодиода соединен с шиной питани , дополнительно введены два встречно-параллельно включенных дио да, которые включены между входом и выходом инвертирующего усилител , к лектор транзистора выходного каскада инвертирующего усилител соединен с шиной питани через резистор, коллекторы транзисторов предыдущих каскадов соединены с шиной питани . Кроме того, при использовании фотоприемников с относительно большими токами утечки, например, поликристаллических фотодиодов или фотоприемников на основе гетеропереходов , дл уменьшени вли ни токов утечки оптоэлекТронный переключатель может быть модифицирован исполнительным введением диодной цепочки , количество диодов в которой равно числу транзисторов инвертирующего усилител , и резистор, который включен между катодом второго фотодиода и шиной питани , диодна 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 пр мого 7 и инверсного 8 входов. Фотодиоды 9-10 включены последовательно , точка соединени их соединена со входом инвертирующего усилител 1, анод фотодиода 10 соединен с общей шиной, катод фотодиода 9 - с шиной питани . Коллектор транзистора выходного каскада усили тел 1 соединен с шиной питани через резистор 11, коллекторы транзис торов предыдущих каскадов подключены к шине питани непосредственно. Между выходом и входом инвертирующего усилител 1 включены два встре но-параллельно соединенных диода 12-13. Устройство работает следующим об разом. Предположим, что в исходном сост нии входные сигналы таковы, что ос вещен фотодиод 10., а фотодиод 9 затемнен . Следует отметить,.что управ л ющие 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 питани , резистор 11, диод 12, шина). Диод 12 включен между входом и вьаходом инвертирующего усилител 1,поэтому через него протекает также ток базы составного транзистора 2,Поскольку увеличение этого тока вызывает уменьшение напр жени на выходе инвертирующего усилител 1, то в результате действи отрицательной обратной св зи, через диод 12 этот ток устанавливаетс равным такой величине, при которой напр жение на выходе инвертирующего усилител 1 равно сумме падений напр жений на переходах база-эмиттер транзисторов инвертирующего усилител 1 и на диоде 12, что дл данного устройства, выполненного в виде кремниевой интегральной схемы, со ставит около 2,4 В. Это напр жение может, быть прин то за выходной уровень логической единицы (выходное напр жение логической единицы может быть увеличено, если вместо одного диода 12 использовать цепочку последовательно включенных диодов). Дл того, чтобы перевести оптоэлектронный переключатель в противоположное логическое состо ние, необходимо инвертировать сигналы одновременно на обоих входах 7-8. При этом освещаетс фотодиод 9 и затемн етс -фотодиод 10. Фототок фотодиода 10 становитс (равным нулю и начинает протекать фототок через фотодиод 9. Фототок фотодиода 9 поступает в базу составного транзистора 2, вызыва уменьшение напр жени на выходе инвертирующего усилител 1. Диод 12 при этом закрываетс , в когда напр жение на выходе инвертирующего усилител 1 становитс равным разности между напр жением на его входе и пороговым напр жением отпирани диода 13, последний открываетс 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. Напр жение на выходе инвертирующего усилител 1 устанавливаетс равным разности напр жени - на его входе и падени напр жени на открытом диоде 13, что составл ет около 1,2 В. Это напр жение можно прин ть за выходной уровень логического нул (выходное напр жение логического нул можно уменьшить, если вместо одного диода 13 включить последовательно два диода). Таким образом, за счет действи нелинейной обратной св зи через диод 12 транзисторы инвертируквдего усилител в исходном состо нии открыты, в св зи с чем из переходного процесса исключаетс этап, св анный с зар дом паразитной емкосо и составного транзистора до порогового напр жени .The goal is achieved in that an optoelectronic switch containing an inverting amplifier, made on a composite transistor and a resistor, and two photodiode optocouplers, whose LEDs are connected to the buses of the direct and inverse inputs, the junction point of the cathode and anode, respectively, of the peoi and SECOND photodiodes is connected to the inverter input the anode of the first photodiode is connected to a common bus, and the cathode of the second photodiode is connected to the power bus; two back-to-back diodes, which include us between input and output of the inverting amplifier to the speaker output stage transistor of the inverting amplifier is connected to the power bus via a resistor, collectors of transistors preceding stages are connected to the power bus. In addition, when using photodetectors with relatively large leakage currents, for example, polycrystalline photodiodes or phototransmitters based on heterojunctions, the optoelectronic switch can be modified by inserting a diode circuit, the number of diodes equal to the number of transistors of the inverting amplifier, and the resistor which is connected between the cathode of the second photodiode and the power line, the diode circuit is connected between the anode of the first photodiode and the common bus And second cathode and anode of the first photodiode is connected megkdu. FIG. 1 shows a diagram of the main variant of the device in FIG. 2 the same, modified. An optoelectronic switch (see Fig. 1) contains an inverting amplifier 1 on a composite transistor 2 and two photodiodes of an optocoupler 3-4, the LEDs 5 and 6 of which are connected to buses of direct 7 and inverse 8 inputs. Photodiodes 9-10 are connected in series, their connection point is connected to the input of inverting amplifier 1, the anode of photodiode 10 is connected to a common bus, the cathode of photodiode 9 is connected to the power bus. The collector of the transistor of the output stage of the amplifiers 1 is connected to the power bus through a resistor 11, the collectors of the transistors of the previous stages are connected to the power bus directly. Between the output and the input of the inverting amplifier 1 two connected diodes 12–13 are connected in parallel. The device works as follows. Suppose that in the initial state the input signals are such that the photodiode 10 is illuminated, and the photodiode 9 is darkened. It should be noted that the control signals at inputs 7 and 8 are always mutually inverse, therefore at any moment of time one of the photodiodes is illuminated and the other is dark. The photocurrent of an unlit photodiode 9 is almost zero, and the photocurrent of the illuminated photodiode 10 flows along a circuit (power bus, resistor 11, diode 12, bus). Diode 12 is connected between the input and output of inverting amplifier 1, therefore the base current of composite transistor 2 also flows through it. Since increasing this current causes a decrease in voltage at the output of inverting amplifier 1, as a result of negative feedback, through diode 12 this current equal to the value at which the voltage at the output of inverting amplifier 1 is equal to the sum of the voltage drops at the base-emitter junction of the transistor of inverting amplifier 1 and at diode 12, for a given A device made as a silicon integrated circuit is about 2.4 V. This voltage can be taken as the output level of a logic unit (the output voltage of a logic unit can be increased if, instead of a single diode 12, you use a chain of series-connected diodes ). In order to switch the optoelectronic switch to the opposite logic state, it is necessary to invert the signals simultaneously on both inputs 7-8. In this case, the photodiode 9 is illuminated and the photodiode 10 is darkened. The photocurrent of the photodiode 10 becomes (zero and the photocurrent starts to flow through the photodiode 9. The photocurrent of the photodiode 9 enters the base of the composite transistor 2, causing a decrease in voltage at the output of the inverting amplifier 1. The diode 12 at this is closed, when the voltage at the output of inverting amplifier 1 becomes equal to the difference between the voltage at its input and the threshold voltage unlocking the diode 13, the latter opens and the entire increment of the photocurrent of the photodiode 9 across It no longer goes to the base of the composite transistor 2, but through an open diode 13 directly into the collector circuit of an output stage transistor. The voltage at the output of inverting amplifier 1 is set equal to the voltage difference - at its input and the voltage drop across the open diode 13, which is about 1.2 V. This voltage can be taken as the output level of logic zero (the output voltage of logic zero can be reduced if two diodes are connected in series instead of one diode 13). Thus, due to the nonlinear feedback through diode 12, the inverter transistors of the amplifier in the initial state are open, and therefore the stage associated with the charge of the parasitic capacitor and the composite transistor to the threshold voltage is excluded from the transient.

За счет действи нелинейной обратной св зи через диод 13 исключаетс возможность насыщени транзисторов силител 1 и, следовательно, из переходного процесса исключаетс этап, в занный с рассасыванием избыточного зар да неосновных носителей. Поэтому в процессе переключени инвертируквдего усилител транзисторы не выход т из области активного режима, напр жение на входе инвертирующего . усилител измен етс незначительно, а изменение напр жени на его выходе достаточно велико, чтобы его можно было использовать дл управлени логическими элементами.Due to the effect of nonlinear feedback through diode 13, the possibility of satinizing transistor silitel 1 is eliminated and, consequently, the stage associated with the absorption of excess charge of minority carriers is excluded from the transient process. Therefore, in the process of switching the inverter amplifier, the transistors do not leave the active mode region, the voltage at the input of the inverter. the amplifier varies only slightly, and the voltage change at its output is large enough so that it can be used to control the logic elements.

Модифицированный вариант предложенного оптоэлектронного переключател (см. фиг. 2) отличаетс от известного наличием дополнительной цепочки последовательно соединенных диодов 14, дополнительного резистора 15 и проводника, соедин ющего катод фотодиода 9 с анодом фотодиода 10. Наличие указанных элементов обеспечивает режим работы фотодиодов 9-10, близкий к режиму генератора тока при почти нулевом напр жении на фотодиодах . В остальном работа схемы показанной на фиг. 2 аналогична изображенной на фиг. 1.The modified version of the proposed optoelectronic switch (see Fig. 2) differs from the known presence of an additional chain of series-connected diodes 14, an additional resistor 15 and a conductor connecting the cathode of the photodiode 9 to the anode of the photodiode 10. The presence of these elements ensures the operation mode of the photodiodes 9-10, close to current generator mode with almost zero voltage on photodiodes. Otherwise, the operation of the circuit shown in FIG. 2 is similar to that shown in FIG. one.

Данное устройство обладает большим , по сравнению с известными, быстродействием ( в 3-4 раза), меньшей зависимостью быстродействи от эксплуатационных факторов (высока температура , длительна эксплуатаци и др.) повышенной технологичностью за счет меньшей чувствительности к разбросу параметров оптронов. Модифицированный вариант схемы оптоэлектронного переключател (см. фиг. 2) позвол ет также использовать фотодиоды с относительно большими токами утечки, например на основе поликристаллического кремни или гетеропереходов .This device has a higher (compared to the known) performance (by 3-4 times), less dependence of performance on operational factors (high temperature, long-term operation, etc.) with increased processability due to lower sensitivity to scatter of parameters of optocouplers. A modified version of the optoelectronic switch circuit (see FIG. 2) also allows the use of photodiodes with relatively large leakage currents, for example, based on polycrystalline silicon or heterojunctions.

Claims

Invention Formula

An optoelectronic switch containing an inverting amplifier, made on a composite transistor and a resistor, and two photodiode optocouplers, whose LEDs are connected to the buses of the direct and inverse inputs, the connection point of the cathode and anode, respectively, of the first and second photodiodes is connected to the input of the inverting amplifier, the first photodiode is connected to common bus and the cathode of the second photodiode is connected to

5 with a power bus, characterized in that, in order to improve speed, two anti-parallel-connected diodes are additionally introduced, which are connected between the input

Q and the output of the inverting amplifier, the collector of the transistor of the output stage of the inverting amplifier is connected to the power line through a collector of transistors of previous

cascades are connected to the power rail.

2. A switch according to claim 1, characterized in that a diode chain is additionally introduced, the number of diodes in which is equal to the number of inverters usi transistors, and a resistor that is connected between the cathode of the second photodiode and the power line, the diode chain between the anode of the first photodiode and the common bus , and the cathode of the second and

5 anode of the first photodiodes are interconnected.

Sources of information taken into account in the examination

1. Microelectronics and semiconductor devices. Ed. Fedotov I, A. and Vasenko a A. A. Soviet Radio, 1977, vol. 2, s. 145.

2. USSR author's certificate tf 439921, cl. H 03 K 17/78, 1973 (prototype).

JL (5

eight

IT (

o-lt