МИКРОСХЕМА С ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ

Полезная модель относится к микроэлектронике, а именно к устройствам и способам синхронизации, и предназначена для синхронизации сигналов цифровых устройств.
По мере повышения быстродействия и степени интеграции схем на подложках появилась потребность в принятии мер против задержки сигнала и воздействия электромагнитных помех. Задержка сигнала является проблемой в электрических проводниках.
При проектировании любой цифровой системы постоянно возникает необходимость синхронизировать входные асинхронные сигналы системы с работой ее устройств, то есть требуется обеспечить, чтобы эти сигналы стали синхронными. Следовательно, качественная синхронизация цифровых систем - основа их нормальной работы.
Известно большое число разнообразных устройств для синхронизации асинхронных цифровых сигналов по тактовым импульсам, в которых используются триггеры (например, RU, №2345479, Н03К 5/135 - принятое за прототип). Применение триггеров позволяет избежать появления паразитных коротких импульсов, обеспечить более надежную работу схемы. Быстродействие триггеров высокое. Если подается сигнал на вход, происходит задержка. Причем, в зависимости от разрядности триггера, происходит усугубление проблемы: чем выше разряд, тем сильнее проблема.
Для того, чтобы сигнал одновременно поступал на все триггеры, используют искусственно удлиненную цепь.
Основным недостатком таких устройств и, реализуемых с их помощью способов синхронизации, является аппаратная сложность (определяется количеством элементов в устройстве и числом связей между ними) и ограниченность функциональных возможностей.
Таким образом, использование электрических проводников для передачи и коммутации сигналов вызывает ряд трудностей, избежать которые позволяют оптические линии связи (А.К. Гребнев, В.Н. Гридин, В.П. Дмитриев Оптоэлектронные элементы и устройства. - М.: Радио и связь, 1998, 336 с.; Р. Хансперджер. Интегральная оптика. Пер. с англ. - М.: Мир, 1985, 385 с.)
Известна многоканальная оптоэлектронная коммутационная система (RU. 2231816 C1, G02F 1/295), в которой применен оптический способ коммутации с равномерным распределением энергии входного сигнала, масштабирование коммутации, осуществление соединений любого типа.
Известен способ изготовления оптоэлектронной микросборки (RU, 2373605, H01L 27/14) в котором описывается оптоэлектронная микросборка с микросхемами на твердом теле, сформированные на диэлектрической подложке, содержащие полупроводниковые компоненты, чувствительные к свету, приемные (например, фотодиоды) и светоизлучающие (например, светодиоды) элементы.
Недостатком описываемого устройства является неравномерная засветка приемных фоточувствительных элементов, что вызывает неравномерное их срабатывание.
Задачей предполагаемого технического решения является создание микросхемы с оптической системой синхронизации, отличающейся быстродействием и точностью.
Поставленная задача решается следующим образом. Предлагается подавать сигнал не электрическим способом, а оптическим.
Светодиод вырабатывает светосигнал, который принимается фотоприемником (фоторезистором, фотодиодом и др.)
Так как источник и приемник не связаны друг с другом электрически, а связь между ними осуществляется только посредством светового луча (электрически нейтральных фотонов), они не влияют друг на друга и поэтому поток информации передается только в одном направлении - от источника к приемнику. Каналы, по которым распространяется оптическое излучение, не воздействуют друг на друга и практически не чувствительны к электромагнитным помехам (отсюда и высокая помехозащищенность). Световая энергия переходит в электрическую на фоточувствительной поверхности фотоприемника, причем, отклик каждого элемента пропорционален его освещенности.
По мере продвижения от ближнего фотоприемника к дальнему, сигнал ослабевает, так как на него оказывает воздействие среда, в которой он распространяется.
На подложке микросхемы фотоприемники расположены в различных местах платы, на разном расстоянии от источника излучения.
Характеристика любого фотоприемника нелинейная, зависит от уровня освещенности, то есть, в зависимости от интенсивности освещенности фотоприемник срабатывает быстрее или медленнее, потому, что, пройдя через среду подложки, световой сигнал приходит к каждому фотоприемнику с разным уровнем освещенности. Поэтому, для одновременного срабатывания фотоприемников необходимо добиться равномерности распределения света на все фотоприемники, вне зависимости от их удаленности от светодиодов.
С целью выравнивания светового сигнала предлагается часть фотоприемников, расположенных на подложке ближе к светодиоду, искусственно затемнять, причем, по мере удаления фотоприемника от светодиода, интенсивность затемнения уменьшается. Затемнение фотоэлементов осуществляется за счет нанесения на их поверхность фотомаски, которая может быть в виде темных точек различной плотности, в виде сеточки, полосок.
Верхний слой подложки выполнен светоотражающим. За счет напыления металла разной толщины, можно получить участки, прохождение света на которых различное. При большом напылении прохождение света малое и наоборот.
Таким образом, затемнение производят либо путем формирования определенным образом (выборочное напыление определенных участков различной толщины с помощью маски) светоотражающего слоя, либо путем затемнения самого фотоприемника.
Таким образом, благодаря существенным признакам система синхронизации в предлагаемом техническом решении по сравнению с прототипом обладает следующими преимуществами:
1). Увеличивается скорость передачи сигналов (т.к. распространение света быстрее распространения электросигнала);
2). Упрощается проектирование и облегчается реализация высокой скорости передачи сигналов за счет уменьшения путей передачи сигналов, сокращения площади, занятой под цепи синхронизации;
3). Выравнивание задержек происходит за счет искусственного затемнения самих фотоприемников или за счет сформированного определенным образом светоотражающего слоя, а не за счет увеличения площади синхронизации.
Изобретение поясняется следующим рисунком.
Фиг.1 - Микросхема с оптической системой синхронизации
Микросхема содержит подложку (1) с нанесенными на ее поверхность проводниками (на схеме не отображены), отражающий слой (2), фотонный кристалл (3), интегрированные в схему компоненты: светодиод (4), фотоприемники (5)), причем,
либо отражающий слой сформирован таким образом, что обеспечивает искусственное затемнение части фотоприемников, интенсивность затемнения уменьшается по мере удаления фотоприемников от светодиода; либо часть самих фотоприемников, расположенных на подложке ближе к светодиоду, искусственно затемнена, причем, по мере удаления фотоприемника от светодиода, интенсивность затемнения ослабевает.
Работает микросхема следующим образом.
В момент включения светодиода возникает световой импульс, который поступает на каждый фотоприемник и он срабатывает. Чтобы достичь одновременного срабатывания, т.е. эффекта синхронизации, выполняют искусственное затемнение части фотоприемников.
Искусственное затемнение осуществляют либо путем затемнения самих фотоприемников, либо путем создания в отражающем слое участков с напылением металла разной толщины для различной интенсивности прохождения света.
Благодаря искусственному затемнению достигается эффект одинаковой освещенности всех фотоприемников и их срабатывание происходит одновременно.
Таким образом, реализацией предлагаемого технического решения достигаются поставленные авторами задачи.