Устройство считывания фотосигнала

 

Изобретение относится к оптоэлектронике и может быть использовано в многоэлементных устройствах регистрации, накопления и обработки фотосигналов. Цель изобретения - увеличение отношения сигнал/шум. Устройство содержит фотодиод 1, генератор 2 тока смещения, элемент 3 регистра ПЗС, ключ 4 сброса, варак- , тор 5, разделительный конденсатор 6, ключи 7,8, стробируемый блок 9 вычитания , состоящий из генератора 10 тока, ВДП-транзисторов 11, 12 и дифференциального усилителя 13, ключ 26, фильтр 27 низкой частоты. Рабочий режим фотодиода 1 устанавливается постоянным напряжением, поступающим на вход смещения фотодиода 1, и током смещения. В исходном состоянии на затворы ключей 4.7,8 поступает импульс сброса, открывающий эти ключи . Сигнал,усиленный с помощью варактора 5, подается на вход дифференциального усилителя 13, ас его выхода через открытый ключ 26 на фильтр 27. 5 ил. а S (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

„,SU 1700765 (5i)5 H 04 N 5/30

ОПИОАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

Н АВТОРСНОМЪ/ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) 1469569 (21) 4686015/09 (22) 26.04.89 (46) 23.12.91.Бюл. Р 47 (71) Институт физики полупроводников СО АН СССР (72) А.И.Козлов, Х.И.Кляус, В.П.Мусливец и Е.И.Черепов (53) 621.397 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

9 1469569, кл. Н 04 N 5/30, 1987. (54) УСТРОЙСТВО СЧИТЫВАНИЯ ФОТОСИГНАЛА (57) Изобретение относится к оптоэлектронике и может быть использовано в многоэлементных устройствах регистрации, накопления и обработки фотосигналов. Цель изобретения— увеличение отношения сигнал/шум. Устройство содержит фотодиод 1, генератор 2 тока смещения, элемент 3 регистра ПЗС, ключ 4 сброса, варактор 5, разделительный конденсатор 6, ключи ?,8, стробируемый блок 9 вычитания, состоящий из генератора 10 тока, МДП-транзисторов 11, 12 и дифференциального усилителя 13, ключ 26, фильтр 27 низкой частоты. Рабочий режим фотодиода 1 устанавливается постоянным напряжением, поступающим на вход смещения фотодиода 1, и током смещения. В исходном состоянии на затворы ключей 4>7,8 поступает импульс сброса, открывающий эти ключи. Сигнал, усиленный с помощью варактора 5, подается на вход дифференциального усилителя 13, а с его выхода через открытый ключ 26 на фильтр

27. 5 ил.

1700 765

Иэобрстение относится к оптоэлектронике, может быть использовано в многоэлементных устройствах регистрации накопления и обработки фото9

° 5 сигналов и является усовершенствованием известного устройства по авт. св. Р 1469569.

Цель изобретения — увеличение отношения сигнал — шум.

На фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема устройства считывания фотосигнала; на фиг.2— эпюры напряжений в устройстве; на фиг.3 — эпюры напряжений на входе и выходе- ФНЧ в течение .большого количества циклов; на фиг.4 — схемотехническое представление фрагмента устройства считывания фотосигнала; на фиг.5 — рассчитанные зависимости напряжения на выходе (а) на затворе (6) от величины входного тока.

Приведенное распределение потенциалов соответствует случаю, когда число циклон сравнимо с и. 25

Устройство считывания фотосигнала содержит фотодиод 1, генератор 2 тока смещения элемент 3 регистра ПЗС, ключ 4 сброса, варактор 5, разделительный конденсатор 6, первый 7 и вто- рой 8 ключи, стробируемый блок 10 вычитания, состоящий из генератора 10 тока, первого 11 и второго 12 ИДП-транзисторов и дифференциального усилителя

13. Элемент 3 регистра ПЗС содержит первый 14,:второй 15 и третий 16

35 затворы. Устройство содержит вход 17 смещения, вход 18 смещения фотодиода, первый 19 и второй 20 входы фазных напряжений вход 21 управления ва9

40 рактором, вход 22 стробирования блока

9 вычитания, вход 23 напряжения питания. вход 24 импульсов сброса, выход 25 устройства. третий ключ 26, фильтр 27 низкой частоты, выход 28 фильтра низкой частоты (ФНЧ). На фиг.4 представлен фрагмент 29 устройства считывания фотосигнала, где стрелка 30 показывает движение носиl1 II телей заряда в режиме Накопление

50 стрелка 31 изображает изменение поверхностного потенциала под затвором 16 при его закрывании, стрелка

32 изображает движение носителей заряда в режиме "Выборка, входная диффузионная область 33, узел 34, 55 к которому подключены исток МДП-транзистора, обкладка конденсатора 6, варактор 5 и сток МДП-транзистора, Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Рабочий режим фотодиода 1 устанавливается постоянным напряжением, поступающим на вход 18 смещения фотодиода 1, и током смещения, задаваемым напряжением, поступающим на вход

17 генератора 2 смещения. На вход 19 подается .постоянное напряжение от источника питания. В исходном состоянии на затворы ключа 4 сброса, первого 7, и второго 8 ключей поступает импульс сброса (фиг.2а), открывающий эти ключи. Емкость варактора 5 и соединенных с ним выхода элемента 3, а также обе обкладки разделительного конденсатора 6 и затворы первого

11 и второго 12 МДП-транзисторов заряжаются до напряжения питания пос1 тупающего на вход 23.

Через время t после окончания им— пульса сброса (фиг.26) и "-апирания ключей 4,7 и 8 на вход 20 (фиг.2в) подается открывающий импульс такой величины, что выполняется условие (П д p П (. Элемент 3 открывается. Но через него не протекают токи, так как напряжение на затворе 14 равно нулю. Через время „ оканчивается импульс U>» (фиг.26), а через время (фиг.2г) от источника подается имйульс управления варактора 5„ и емкость последнего уменьшается, что приводит к усилению напряжения. Это напряжение через разделительный конденсатор 6 поступает на вход первого МДП-транзистора 11.

Через время t (фиг.2д,ej на вход

22 подается стробирующий импульс, третий ключ 26 и генератор 10 тока открываются, и сигнал через открытьи первый ИДП-транзистор 11 постугает на неинвертирующий вход дифференциального усилителя 13. Усиленный неинвертированный сигнал появляется на выходе 25. Этот выходной сигнал через открытый третий ключ 26 подается на вход ФНЧ 27, к выходу 28 которо-го подключен входной затвор 14 элемента 3. ФНЧ не пропускает одиночный импульс, Поэтому вход элемента

3 остается закрытым. В течение времени tg элемент закрыт также по выходу (фиг.26) .

Величина усиления, взятого как отношение напряжения на верхней обкладке варактора к напряжению на фотодиоде. равна

1 7 1ц 765

А = Г(lotH(q kT)г exp(q U„ (кт)) /c„, (1) где T — ток насьш.;ения диффузионной области; — заряд электрона; — постоянная Вольцмана;

U> - прямое напряжение на диф- 1р фузионной области;

С - суммарная емкость узла в точке соединения варактора, конденсатора, истока МДПтранзистора и выхода элемен- 15 та регистра ПЗС.

По истечении времени 4 наступает второй цикл считывания, и все процессы повторяются. С ростом числа циклов (фиг.За) от начала работы напряжение Zp на выходе 28 ФНЧ 27 увеличивается (фиг.36). После прохождения и циклов (фиг.36) на выходе 28 ФНЧ 27 появляется напряжение, достаточное для протекания тока через вход элемента 3.

Это приводит к появлению распределения поверхностного потенциала (фиг.4), и начинается накопление заряда в узле 34. Через диффузионную оо- 4 ласть 33, подключенную к точке сое- 30 динения фотодиода 1 и генератора 2 тока смещения, протекают носители по стрелке ЗО и накапливаются на варакторе 5 и соединенных с ним истоковой области ключа 4, выходе элемента

3 и конденсатора 6. Сигнал, усиленный пб (1) и с помощью варактора, подается на вход дифференциального усилителя 13. Далее сигнал снимается с

его выхода 25, подается через откры- 4р тый ключ 26 на ФНЧ 27.

По истечении времени K(оканчивается импульс U2a (Фиг,26), транзистор закрывается (изменение поверхностного потенциала изображено стрелкой 45

31), генерированные фотодиодом 1 носители заряда накапливаются под затвором 15 как показывает стрелка 32.

При окончании импульса 0 (фиг.2д) генератора 10 тока и ключ 26 закрываются. Затем начинается очередной цикл накопления считывания, При ип+! этом в узел 34 перетекают носители, накопленные под затвором 15, а также носители заряда, генерированные фотодиодом 1 в очередной, (и+1)-й цикл накопления.

При переключении транзистора на: вход транзистора 11 поступает коммутационная помеха„Для кол.пепсацпи этой помехи в устройстве пре;!.усмотрены транзисторы. Коммутационные помехи поступают по параллельным каланам на затворы транзисторов ll и 12 и даже на инвертирующий и неинвертирующий входы дифференциального усилителя 13, что уменьшает действие этих помех на выходной сигнал устройства на выходе 25.

Ключ 26 ФНЧ 27 и затвор 14 являются элементами обратной связи.

Коэффициент усиления А устройства, охваченного отрицательной обратной связью по направлению, определяется известным выражением

А

А

1+Ао $ где Ао — коэффициент усиления без ,обратной связи; — коэффициент обратной. связи.

Кроме того, известно, что если

Ао>о 1, то А 1/Р Коэффициент обратной связи у предлагаемого устройства считывания фотосигнала для частот, лежащих в полосе пропускання

ФНЧ 27, равен 1. Поэтому коэффициент усиления А в этом диапазоне частот определяется выражением

А нч = 1. В области частот, лежащих в полосе заграждения ФНЧ 27, обрат ная связь не действует на вход, поэтому коэффициент усиления

Аьч = А(1) А5 А,3, где А(1) — коэффициент усиления по (1);

А — коэффициент параметричес5 кого усиления с помощью варактора 5, А — коэффициент усиления диф<3 ференциального усилителя !3.

В случае появления в i-м цикле точечного высокочастотного фотосигнала на диоде 1 он усиливается с коэффициентом А . Низкочастотные сигналы не усиливаются. К низкочастотным сигналам относятся темновые токи фотодиода 1, токи, вызванные фоновым излучением сигналы, поступаюшие от; пространственно протяженных объектов и т.д. В многоэлементных фотоприемниках это приводит к относительному уменьшению уровня "геометрического"

1700765 шума. При изменении уровня фонового излучения устройство отслеживает его уровень.

ФНЧ в интегральном исполнении может быть в простейшем случае выполнены в виде.интегрирующей КС-цепи. В интегральном исполнении для увеличения степени интеграции С не может быть выполнена более 1-3 пФ, поэтому ля достижения максимального значения остоянной времени необходимо увели1ивать значение R. Для этой цели возь ожно использование двух встречно включенных диодов, В этом случае емКость С заряжается и разряжается впалым обратным током диода.

На фиг.5 приведены расчетные зависимости напряжения на выходе 25 (а)

Й на затвор 14 (б) от величины тока Х, текущего в устройство считывания фотосигнала. Точка А пересе-чения двух расчетных линий удовлетворяет двум уравнением и является единственным решением. 25

Расчет проведен при коэффициенте усиления на выходе A А =

10 Еи020, Cg = 1 пФ, tg = 64 мкс, п-2, ш — 1, Т-300 К, Х вЂ” 10 А, О„о„д = 0,5 В, Бпцро„= 1,5 В.

Разброс порогового напряжения затвора 14 приводит к сдвигу по вертикальной оси кривой б, но решение уранкения (тока А) существует. NGKHo

:проанализировать процесс установления

1 цтационарного постоянного напряжения ка затворе 14 (фиг.5). Первоначально напряжение на затворе 14 равно нулю. поэтому напряжение на выходе 25 равно .8>. Это напряженке подается на ФНЧ

27. Через несколько циклов появляется входовый ток и напряжение на выходе 25 уменьшается. Этот процесс продолжается до момента достижения напряжения на затворе 14, определяемого тока А.

По сравнению с известным предла-" гаемое устройство считывания фотосигнала имеет следующие преимуществае

Автоматически в каждом канале выбирается рабочая точка входного затвора, а это влечет за собой упрощение внешней схемы управления, уменьшается количество управляющих шин.

)5

Значительно уменьшается требование к разбросу пороговых напряжений по кри - аллу что увеличивает однород— кость входных характеристик — процент выхоца годных приборов без существенного улучшения технологии их изготовления, следовательно, уменьшается стоимость изделий.

Устройство обладает малым коэффициентом усиления низкочастотной, неинформационной компоненты и большим усилием информационной составляющей, что позволяет увеличивать их отношение.

При медленном изменении внешних условий, например изменении уровня фонового излучения, устройство автоматически выбирает новую рабочую точку для входного затвора„ т.е. устройство адаптируется к новым вход—

HhIM $"словиям, В предлагаемом устройстве полностью исключается возможность переполнения накопительной емкости за счет уровня фонового излучения, что делает возможным конструировать устройства с малыми накопительными емкостями в условиях больших токов и получать значительное усчление непосредственно в процессе считывания зарядовs

Низкочастотная компонента 1/f шума в предлагаемом устройстве пегедает1

"..ÿ с малым коэффициентом усиления, что эквивалентно ее подавлению. Поэтому увеличивается чувствительность устройства.

Устройство осуществляет дифференцирование входного сигнала, т.е. оно выделяет перепады яркости. Это свойство может быть использовано для определения конутров изображений.

Формула и з о б р е т е н и я

Устройство считывания фотосигнала по авт.св. Р 1469569, о т л ич а ю щ е е с я тем, что„ с целью увеличения отношения сигнал — шум, введены последовательно соединенные третий управляемык ключ и фильтр низкой частоты, выход которого подключен к первому электроду регистра

ДЗС, сигнальный вход третьего управляемого ключа подключен к выходу дифференциального усилителя, а управлякиций вход третьего управляемого ключа является входом стробирующего импульса.

g 2Ч

1700765

Составитель В.Лапшов

Техред П.Олийнык

Корректор А.Обручар

Редактор Н.Бобкова

Заказ 4478 Тираж Подписное

ВНИЯПИ Государственного комитета по изобретенинм и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 н Н

Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул, Гагарина, 101