SU809178A1

SU809178A1 - Optical electronic adder cell

Info

Publication number: SU809178A1
Application number: SU792706574A
Authority: SU
Inventors: Родлен Федорович Иванов; Александр Юрьевич Прыгунов
Original assignee: Кубанский государственный университет
Priority date: 1979-01-04
Filing date: 1979-01-04
Publication date: 1981-02-28

Description

(54) ЯЧЕЙКА ОПТОЭЛЕКТРОННОГО СУММАТОРА(54) OPTOELECTRONIC SUMMATOR CELL

II

Изобретение относитс к оптоэлектронике и может быть использовано при создании оптических и оптоэлектронных вычислительных устройств.The invention relates to optoelectronics and can be used to create optical and optoelectronic computing devices.

Известны оптические суммирующие устройства. Одно из них - сумматор по модулю два - содержит фотоприемник, туннельный диод, светодиод и источник питани , включенные последовательно 1.Optical summers are known. One of them, modulo two, contains a photodetector, a tunnel diode, a LED, and a power source connected in series 1.

Недостаток указанного устройства - отсутствие входа и выхода сигналов переноса.The disadvantage of this device is the lack of input and output transfer signals.

Другое известное устройство - оптоэлектронный полусумматор - содержит амплитудные оптические модул торы, источник смещающего напр жени , источник питани , туннельный диод и транзистор, эмиттернобазовый переход которого включен параллельно туннельному диоду 2.Another known device, an optoelectronic half-adder, contains amplitude optical modulators, a bias voltage source, a power source, a tunnel diode, and a transistor, whose emitter-base junction is connected parallel to the tunnel diode 2.

Недостаток данного сумматора - отсутствие третьего входа (входа переноса) и сложность схемы.The disadvantage of this adder is the absence of the third input (transfer input) and the complexity of the circuit.

Известен одноразр дный трехвходовый сумматор 3, содержащий фотогальванический элемент, светодиод и излучающий туннельный диод, включенные последовательно в замкнутую цепь 3.A one-bit three-input adder 3 is known, which contains a photovoltaic cell, a LED and a radiating tunnel diode, connected in series in a closed circuit 3.

Недостаток устройства заключаетс в том, что энерги выходного сигнала переноса представл ет собой величину; котора меньще энергии входных сигналов вследствие неизбежных потерь при преобразовани х электромагнитной энергии в туннельном диоде.The drawback of the device is that the energy of the transfer output signal is a value; which is less than the energy of the input signals due to unavoidable losses during the conversion of electromagnetic energy in a tunnel diode.

Наиболее близким устройством к предлагаемому вл етс чейка оптоэлектронного сумматора, содержаща фотодиод, источник питани , светодиоды, туннельный диодThe closest device to the present invention is an optoelectronic adder cell containing a photodiode, a power source, LEDs, a tunnel diode

0 и фотогальванический элемент, выводы которого соединены через последовательно включенные в пр мом направлении первый светодиод и туннельный диод, фотогальванический элемент оптически св зан с первым и вторым сигнальными входами и вхо5 дом «перенос чейки 4.The photovoltaic cell is optically coupled to the first and second signal inputs and input cell transfer 4 and the photovoltaic cell whose pins are connected via a first LED and a tunnel diode sequentially connected in the forward direction.

Недостаток этого устройства в том, что коэффициент передачи световой энергии меньще единицы. Это обсто тельство при многокаскадном соединении сумматоров резко ухудщает отношение полезного сигнала к щуму, что снижает достоверность результатов вычислени многоразр дных двоичных чисел. Цель изобретени - повышение надежности работы чейки за счет увеличени мощности выходного сигнала переноса. Поставленна цель достигаетс тем, что в чейке оптоэлектронного сумматора, содержащей фотодиод, источник питани , выполненный в виде батареи солнечных элементов , первый и второй светодиоды, туннельный диод и фотогальванический элемент выводы которого соединены через последовательно включенные в пр мом направлении первый светодиод и туннельный диод, фотогальванический элемент оптически св зан с первым и вторым сигнальными входами и входом «перенос чейки, а оптический выход первого светодиода вл етс суммирующим выходом чейки, второй светодиод выполнен в виде светоизлучающего элемента с S-образной электрической характеристикой , первый вывод которого соединен с выводом отрицательной пол рности источника питани , а второй - с выводом положительной пол рности источника питани через фотодиод, включенный в обратном направлении , причем фотодиод оптически св зан с первым и вторым сигнальными входами и входом «перенос чейки,а оптический выход второго светодиода вл етс выходом «перенос чейки. На фиг. 1 приведена принципиальна схема чейки оптоэлектронного сумматора, на фиг. 2 Ы-образна вольтамперна характеристика туннельного диода, на фиг. 3 - S-образна волтамперна 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 питани в виде батареи фотогальванических (солнечных) элементов. Фотогальванический элемент 1, первый светодиод 4 и туннельный диод 3 включены последовательно в первый замкнутый контур . Второй контур составл ют включенные последовательно фотодиод 2, элемент 5 с S-образной характеристикой и источник 6 питани . Оптические сигнальные входы 7 и 8 слагаемых и оптический вход 9 «перенос с помощью световодов 10 св заны с фотогальваническим элементов 1 и фотодиодом 2. Оптические входы 7-9 сумматора выполнены в виде фоконов, каждый из которых объедин ет два световода. Первый светодиод 4 вл етс оптическим выходом сумматора, формирующим сигнал значени суммы С. Второй светодиод - светоизлучающий элемент 5 - вл етс выходом, «перенос сумматора, формирующий сигнал Пг. Устройство работает следующим образом. На батарею 6 подаетс посто нный поток излучени «const В результате этого на зажимах батареи по вл етс напр жение Е. На вход сумматора поступает сигналы слагаемых Xt, Хг и сигнал переноса Fit в виде равных световых потоков. В соответствии с этим напр жение, вырабатываемое фотогальваническим элементом 1, принимает четыре значени . Если входные сигналы отсутствуют то фотогальванический элемент 1 возбуждает напр жение шума UoЕсли на вход поступает один сигнал, фотогальванический элемент возбуждает напр жение и. Если на вход сумматора поступают два или три сигнала, то фотогальванический элемент 1 -возбуждает напр жение 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 пр мые параллельны . Вольтамперна характеристика туннельного диода 3 подобрана таким образом, что величины токов 3(Ui) и (Ua) достаточны , а величины токов II(Uo) и I(Ua) недостаточны дл -высвечивани светодиода 4. Величина сопротивлени фотодиода 2 также принимает четыре значени . 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 пр мые , проведенные из точки Е, пересекаютс с осью ординат в точках, ординаты которых обратно пропорциональны значени м сопротивлений RO, Ri, Кг и Rj. В соответствии с этим S-образна вольтамперна 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 дл возбуждени излучени элементов 5. Все возможные варианты значений входных и выходных сигналов приведены в таблице истинности, в которой потоки излучени , значительно превышающие уровень щума, обозначены цифрой «1, а потоки, сравнимые с фоновым шумом, обозначены «О.The disadvantage of this device is that the transmission coefficient of light energy is less than one. This situation with the multi-stage connection of adders dramatically worsens the ratio of the useful signal to the noise, which reduces the reliability of the results of calculating multi-digit binary numbers. The purpose of the invention is to increase the reliability of the cell by increasing the power of the transfer output signal. The goal is achieved by the fact that in a cell of an optoelectronic adder containing a photodiode, a power source made in the form of a solar cell battery, the first and second LEDs, a tunnel diode and a photovoltaic cell whose conclusions are connected through successively connected in the forward direction the first LED and the tunnel diode, the photovoltaic cell is optically coupled to the first and second signal inputs and the cell transfer input, and the optical output of the first LED is the summing output of the cell and, the second LED is made in the form of a light-emitting element with an S-shaped electrical characteristic, the first terminal of which is connected to the negative polarity of the power source, and the second to the positive polarity of the power source through a photodiode connected in the opposite direction, It is connected with the first and second signal inputs and the cell transfer input, and the optical output of the second LED is the cell transfer output. FIG. 1 is a schematic diagram of an optoelectronic adder cell, FIG. 2 B-shaped volt-ampere characteristic of a tunnel diode; in FIG. 3 - S-shaped voltamperna characteristic of the light-emitting element. The device contains a photovoltaic cell 1, a photodetector-photodiode 2, a semi-conductor two-shelf switch with an N-shaped volt-ampere characteristic — a tunnel diode 3, a first LED 4, a second LED — a light-emitting element 5 with an S-shaped volt-ampere characteristic, a power supply source in the form of a photovoltaic battery ( solar cells). The photovoltaic cell 1, the first LED 4 and the tunnel diode 3 are connected in series to the first closed loop. The second circuit consists of a photodiode 2 connected in series, an S-shaped element 5, and a power supply 6. Optical signal inputs 7 and 8 of the terms and optical input 9 "transfer using optical fibers 10 are connected to the photovoltaic cell 1 and photodiode 2. The optical inputs 7 to 9 of the adder are made in the form of focons, each of which combines two fibers. The first LED 4 is the optical output of the adder, which forms the signal of the value of the sum C. The second LED, light-emitting element 5, is the output, "transfer of the adder, which forms the signal Pg. The device works as follows. The battery 6 is supplied with a constant flux of "const. As a result, a voltage E appears at the battery terminals. Signals Xt, Xg and the transfer signal Fit in the form of equal light fluxes arrive at the input of the adder. Accordingly, the voltage produced by the photovoltaic cell 1 takes on four values. If the input signals are missing, then the photovoltaic cell 1 excites the noise voltage UoIf one signal is input, the photovoltaic cell energizes the voltage and. If two or three signals arrive at the adder's input, then the photovoltaic cell 1 excites voltage 1/2. and 3 respectively. In view of the practical linearity of the luxvolt characteristics of a loaded photovoltaic cell 1, we can assume that, and,. When switched on in series with the photovoltaic cell 1 of the LED 4 and the tunnel diode 3, the load current is parallel. The volt-ampere characteristic of tunnel diode 3 is chosen so that the values of currents 3 (Ui) and (Ua) are sufficient, and the values of currents II (Uo) and I (Ua) are insufficient to illuminate the LED 4. The resistance value of the photodiode 2 also takes on four values. If, for example, optical signals do not come to inputs 7-9, the resistance takes the value Ro. If one, two or three signals arrive at the inputs, then the resistance takes the value of Ri, Ri and Rj respectively. In view of the practical linearity of the lus-ampere characteristic of a loaded photodiode 2, we can assume that .j. When the photodiode 2, the S-shaped element 5, and the source 6 are connected in series, the load lines drawn from point E intersect the y-axis at the points whose ordinates are inversely proportional to the resistance values RO, Ri, Kr and Rj. Accordingly, the S-shaped volt-ampere characteristic of the light-emitting element 5 is chosen so that the magnitudes of the currents J (Ro) and (Ri) flowing in the secondary circuit are insufficient, and the magnitudes of the currents 3 (Ri) and 7 (Rj) are sufficient to excite the radiation elements 5. All possible values of input and output signals are given in the truth table, in which radiation fluxes significantly higher than the level of schum are denoted by “1, and streams comparable to background noise are denoted by“ O.

О О ОLTD

о 1 1 1 1about 1 1 1 1

Если на входы 7-9 сигналы не поступают (x-t 0), в первом контуре возбуждаетс ток J(Uo), а во втором - ток 3(Ro), которые недостаточны дл возбуждени излучени . Поэтому на выходах сигналы отсутствуют (С Пг. 0), что соответствует позиции 1 таблицы истинности.If no input is received at inputs 7–9 (x – t 0), current J (Uo) is excited in the first circuit, and current 3 (Ro) in the second circuit, which is insufficient to excite radiation. Therefore, there are no signals at the outputs (C Pg. 0), which corresponds to position 1 of the truth table.

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 по вл етс напр жение Ui и в первом контуре протекает ток 7(U-i), достаточный дл возбуждени светодиода 4. На выходе сумматора имеетс сигнал С 1. Во втором контуре протекает ток 3(R,), недостаточный дл возбуждени светоизлучающего элемента 5 (пг О). Описанные случаи соответствуют позици м 5, 3 и 2 таблицы истинности.If one of the signals (xi 1, xg P-i O or Xg. 1, X, P, O or P, 1, XI xg O) goes to inputs 7-9, a voltage Ui appears at the terminals of the photovoltaic cell 1 and a current 7 (Ui) is flowing in the first circuit, sufficient to drive the LED 4. At the output of the adder, there is a signal C 1. In the second circuit, a current 3 (R,) is insufficient to excite the light-emitting element 5 (pg O). The cases described correspond to the positions 5, 3 and 2 of the truth table.

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 напр жение возрастает до величины Ua, но ввиду отрицательного сопротивлени туннельного диода 3, ток в первом контуре уменьшаетс до величины Э{иг). Поэтому светодиод 4 не высвечивает (С О). Во втором контуре открываетс 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 позици м 4, 6 и 7 таблицы истинности.If two signals are received at the inputs (xi 111 1, XI O or X, P 1, xg O, or X, xg 1, P1 O), the voltage at the terminals of element 1 increases to the value of Ua, but due to the negative resistance of the tunnel diode 3 , the current in the primary circuit is reduced to the value of E (n). Therefore, LED 4 does not flash (C O). In the second circuit, the light-emitting element 5 is opened and a sharp increase in the current to J (R2) occurs, i.e. formation of the signal transfer elements 5 (TT-g. 1). The cases considered correspond to the positions 4, 6 and 7 of the truth table.

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.If the signals are sent to all inputs of the CU), the exciting LED 4 (C 1). In the second circuit, a current 1 (NC) flows, exciting the light-emitting element 5 (A2 1). This contributes to position 8 of the truth table.

Вввиду того, что во втором контуре иметс источник 6 питани , потери энергии, происход щие 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.In view of the fact that in the second circuit the power supply source 6, the energy losses occurring in this circuit can be compensated for by the energy of said source. Therefore, it is practically easy to obtain the output signal of the P2 transfer, in energy terms comparable to the input signals x, Xg. and P1.

Это обсто тельство позвол ет использовать чейку оптоэлектронного сумматора в многоразр дном сумматоре дл сложени многоразр дных двоичных чисел. В этомThis circumstance allows the use of an optoelectronic adder cell in a multi-digit adder to add multi-digit binary numbers. In that

оabout

о 1 о 1 о 1 о 1about 1 about 1 about 1 about 1

оabout

1one

о о 1 о 1 1 1about about 1 about 1 1 1

1one

оabout

1one

оabout

1one

случае светоизлучающий элемент 5 чейки младшего разр да оптически св зываетс с входом «.перенос 9 аналогичной чейки старщего разр да и т.д. Полученное каскадное соединение чеек представл ет собой параллельный сумматор. При этом сигнальные входы 7 и 8 каждой чейки поступают слагае .мые соответствующих разр дов суммируемых чисел.In the case of a light-emitting element 5, the low-order cell is optically coupled to the input. The resulting cascade cell connection is a parallel adder. In this case, the signal inputs 7 and 8 of each cell come in terms of the corresponding bits of the summable numbers.

Claims

1. USSR author's certificate

No. 535572, cl. G 06 G 9/00, 1975.

2 ..; USSR Second Certificate No. 535573, cl. G 06 F 7/56, 1975.

3. USSR author's certificate number 579619, cl. G 06 F 7/56. 1976.

4. USSR author's certificate for application number 2700932 / 18-24,

cl. G 06 E 7/56, 1978 (prototype).