Фотоприемное устройство с подавлением постоянной и низкочастотной компонент фотосигнала

 

Изобретение относится к интегральной микроэлектронике и может использоваться в устройствах обработки сигнала с многоэлементных ФПУ. Цель изобретения - упрощение устройства и снижение рассеиваемой мощности в ФПУ. Устройство включает фотоприемник, первый, второй, третий МДП транзисторы, емкость накопления, причем исток первого МДП транзистора соединен с фотоприемником, а сток - с истоком второго МДП транзистора, одна обкладка емкости накопления соединена с шиной нулевого потенциала, другая - со стоком второго МДП транзистора и истоком третьего МДП транзистора, а со стока третьего МДП транзистора, а со стока третьего МДП транзистора снимается выходной сигнал. Кроме того, в устройство введены четвертый МДП - транзистор, дополнительная емкость, опорный источник тока, пятый МДП - транзистор, имеющий тип проводимости, противоположный типу проводимости остальных МДП транзисторов, причем четвертый и второй МДП транзисторы имеют общие истоки и располагаются на полупроводниковой подложке рядом, образуя согласованную по пороговым напряжениям пару транзисторов, сток четвертого МДП транзистора соединен с первой обкладкой дополнительной емкости, исток, затвор и сток комплементарного пятого МДП транзистора соединены соответственно с источником напряжения, стоком четвертого МДП транзистора и истоком второго МДП транзистора, вторая обкладка дополнительной емкости соединена с истоком пятого МДП транзистора, а опорный источник тока включен параллельно дополнительной емкости. 4 ил.

Изобретение относится к интегральной микроэлектронике и может быть использовано в устройствах обработки сигнала с многоэлементных фотоприемников, а также в качестве фильтров высоких частот в различных устройствах на основе токовых цепей. Известны интегральные устройства считывания и обработки фотосигнала, применяемые в многоэлементных гибридных фотоприемных устройствах (ФПУ), в которых производится вычитание на потенциальном барьере части сигнального заряда. Данные устройства не подавляют низкочастотную компоненту фотосигнала. Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство на приборах с зарядовой связью, одной из основных функций которого является подавление постоянных и неинформационных, медленно изменяющихся во времени компонент фотосигнала. Устройство содержит регистр сдвига, общую шину считывания, общую шину записи, блок предпроцесорной обработки сигнала, а также в каждом канале фотоприемник, входную диффузионную область, первый входной затвор, второй входной затвор, затвор переноса, выходную диффузионную область, первый дополнительный затвор, дополнительную диффузионную область, второй дополнительный затвор, третий дополнительный затвор и дополнительный МДП транзистор. Устройство, выбранное за прототип, содержит фотоприемник, первый, второй, третий, четвертый и пятый МДП транзисторы, первую и вторую емкости накопления, емкость хранения, блок предпроцессорной обработки сигнала (ВПО). Недостатком данного устройства является то, что часть устройства, необходимая для реализации функции вычитания низкочастотной компоненты сигнала, располагается вне кристалла, в блоке предпроцессорной обработки сигнала. Необходимые элементы указанного блока: АЦП, ОЗУ компаратор, ЦАП, система коммутации, - рассеивают большую мощность. В целом система обработки сигнала отличается громоздкостью. Кроме того, цифровая часть устройства обработки через общую шину записи может создавать помехи для элементов аналоговой памяти на кристалле. Целью изобретения является упрощение устройства и снижение рассеиваемой устройством мощности за счет замены блока предпроцессорной обработки сигнала блока предпроцессорной обработки сигнала цепочкой элементов, выполненных на том же кристалле. Указанная цель достигается тем, что в фотоприемное устройство с подавлением постоянной и низкочастотной компонент фотосигнала, содержащие фотоприемник, первый второй и третий МДП транзисторы, емкость накопления, причем исток первого МДП транзистора соединен с фотоприемником, а сток - с истоком второго МДП транзистора, одна обкладка емкости накопления соединена с шиной нулевого потенциала, другая- со стоком второго МДП транзистора и истоком третьего МДП транзистора, а со стока третьего МДП транзистора снимают выходной сигнал, введены четвертый МДП транзистор, дополнительная емкость, опорный источник тока, пятый МДП транзистор, имеющий тип проводимости, противоположный типу проводимости остальных МДП транзисторов, причем четвертый и второй МДП транзисторы имеют общие истоки и расположены на полупроводниковой подложке рядом, образуя согласованную по пороговым напряжениям пару транзисторов, сток четвертого МДП транзистора соединен с первой обкладкой дополнительной емкости, исток, затвор и сток комплементарного пятого МДП транзистора соединены соответственно с источником напряжения, стоком четвертого МДП транзистора и истоком второго МДП транзистора, вторая обкладка дополнительной емкости соединена с истоком пятого МДП транзистора, а опорный источник тока включен параллельно дополнительной емкости. Введение делителя тока на согласованных втором и четвертом МДП транзисторах, дополнительной емкости, опорного источника тока и комплементарного МДП транзистора обратной связи позволяет исключить блок предпроцессорной обработки сигнала и реализовать функцию подавления постоянной и низкочастотной компонент фотосигнала непосредственно на кристалле. Поскольку вычитание указанных компонент производится без предварительного считывания сигнала и преобразования его в цифровую форму, достигается существенное упрощение фотоприемного устройства в целом и уменьшение потребляемой мощности. На фиг.1 дана электрическая схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - эквивалентная схема на переменном сигнале устройства; на фиг.3 и 4 - расчетные амплитудно-частотные характеристики (зависимости модуля коэффициента передачи тока К от частоты ω ) токового фильтра для двух примеров реализации опорного источника тока: опорным источником тока является источник постоянного тока (фиг. 3), опорным источником тока - p-n переход, освещаемый тем же излучением, что и фотоприемник на входе устройства (фиг.4). Устройство содержит фотоприемник 1, входной МДП транзистор 2, предназначенный для считывания фототока с фотоприемника 1, причем прикладываемое к затвору транзистора 2 напряжение смещения задает потенциал на фотоприемнике, емкость 3 накопления, транзистор 4 считывания, к затвору которого прикладывается импульс управления переносом заряда, токовый фильтр, состоящий из токового делителя на МДП транзисторах 5 и 6, коэффициент деления которого задается напряжением V₂и V₄ на затворах указанных транзисторов, а также дополнительной емкости 7, опорного источника тока 8 и комплементарного МДП транзистора 9 обратной связи, вход 10 управления переносом. Устройство работает следующим образом. Входной МДП транзистор 2 служит для ввода фототока i_вх в устройство, задания потенциала на фотоприемнике и развязки фотоприемника с остальным устройством. Через транзистор 9 обратной связи протекает ток обратной полярности i_-, который вычитается из тока i_вх. Согласованная пара транзисторов 5 и 6 (транзисторы располагаются на кристалле рядом и имеют одинаковые пороговые напряжения) образует делитель тока, причем подавляющая часть тока протекает через транзистор 5 (на схеме это ток i_вых = [i-a][i_вх - i_-], а меньшая часть тока ответвляется в цепь обратной связи, через транзистор 6: i₄ = a (i_вх - i_-). Коэффициент деления тока а можно задать во-первых, геометрией МДП транзисторов 5 и 6 за счет разного отношения длина к ширине канала, а во-вторых, путем подачи разных, но близких напряжений смещения V₂ и V₄ на затворы указанных транзисторов. Ток i_о с опорного источника тока 8 разряжает дополнительную емкость 7. Этот процесс способствует закрыванию транзистор 9 и уменьшению тока i_-. При этом разностный ток i_вх - i_-возрастает и вместе с этим возрастает и ток i₄, который заряжает емкость 7 и приоткрывает транзистор 9. В установившемся режиме при любом постоянном входном токе i_вх токи i₄ и i_о должны быть равны.Поэтому i_- устанавливается так, что a(i_вх - i_-) = i_о. На выход фильтра, т.е. на емкость 3 накопления, поступает ток ·i_o . Часть устройства, которая на фиг.2 обведена пунктиром, служит для периодического интегрирования тока и считывания заряда через транзистор 4. В принципе эта часть устройства может быть заменена любым другим устройством считывания фототока из применяемых в интегральных многоканальных устройствах считывания. Далее определяют частотную передаточную характеристику токового фильтра для переменного входного тока . Для расчетов используют эквивалентную схему (фиг.2) устройства (фиг.1) на переменном сигнале. На схеме - переменная компонента тока с опорного генератора тока i_о(хотя источник i_о - генератор постоянного тока, для расчета шумов устройства требуется знать и его нестабильность), т.е. ; - ток через транзистор 9 обратной связи, = g, где g₅ - крутизна этого транзистора; - переменное напряжение на емкости С (емкости 7 фиг. 1), = (1-a) (-) - выходной ток фильтра. При отсутствии шумов = 0 из схемы получают равенство a(-) = jωC= jωC/g₅ где ω - рабочая частота; j - мнимая единица; С - емкость конденсатора 7; из которого для коэффициента передачи тока K (j ω ) имеют K(jω) = = (1-a) - , где ω_o = Полученная зависимость коэффициента передачи от частоты изображена на фиг.3. Таким образом, предлагаемое устройство является фильтром высокой частоты первого порядка. Отметим, что частота среза фильтра в 1/а раз меньше частоты среза RC-цепочки, образованной проводимостью g₅ и емкостью С. Полученный результат очень важен, т.к. существует проблема получения больших постоянных времени и многоканальных интегральных устройствах обработки сигнала, а данное устройство позволяет при сравнительно небольших размерах RC-элементов за счет малого коэффициента токового деления (а ≈10^-2 - -10^-3) получить приемлемую частоту среза фильтра (для указанного в типичных значений емкости и проводимости значение f_о = ω_o/2π составляет 100 Гц). Перейдем к расчету шумов устройства. Желательно, чтобы шумы устройства обработки сигнала были существенно меньше шумов, вводимых вместе с сигналом в устройство с фотоприемника. Шум идеального фотоприемного устройства определяется дробовым шумом детектируемого излучения. Этот шум в пересчете в шумовой ток, вводимый в устройство, характеризуется среднеквадратичным отклонением тока = 2gi_вхΔf где Δf - полоса частот пропускания устройства считывания (существенна в данном случае только верхняя частота пропускания устройства) - заряд электрона. Заметим, что устройство, являясь фильтром высокой частоты, подавляет - шум фотоприемника. Один из основных источников шума токового фильтра - тепловой шум канала МДП транзистора 9 (его - шум для устройства не отличим от - шума, вводимого с фотоприемника, и также подавляется фильтром). Он рассчитывается по формуле = kTg₅Δf где k - постоянная Больцмана; Т - температура. Чтобы снизить шумы этого транзистора, нужно максимально уменьшить его крутизну g₅, для чего следует выбрать большое отношение L/W (длина L/ширина канала W) этого транзистора. Это следует из выражения для крутизны транзистора, которое с учетом того, что ток i_- примерно равен i_вх, запишется в виде g₅= где μ_o - подвижность;
С_о - удельная емкость диэлектрика. Несложно подсчитать, что при входном токе в 10^-7 А и комнатной температуре достаточно взять отношение L/W = 20, чтобы отношение Δi_-²/Δi_вх² составило 1/10. При охлаждении устройства ситуация становится еще более благоприятной, т. к. при этом тепловой шум уменьшается. Заметим, что уменьшение крутизны транзистора 9 является полезным также и с точки зрения увеличения постоянной времени фильтра. Несложно убедиться в том, что тепловой шум канала транзистора 6 и дробовой шум опорного источника тока i_о подавляются за счет резкого сужения полосы шума, обусловленного интегрированием этих токов на емкости С. С другой стороны, как известно, интегрирование приводит к росту шума на низких частотах, поэтому следует принимать меры к минимизации фликкер-шума указанного транзистора (например, за счет увеличения площади его затвора) и стремиться использовать в качестве опорного генератора тока i_о источник тока без - шума. Таким образом, при правильном конструировании устройства его собственные шумы будут много меньше шумов фотоприемника. Устройство реализуется в виде КМОП-интегральной схемы. В многоканальном линейном варианте устройства малошумящий опорный источник тока может быть получен засветкой n-⁺р-перехода, расположенного в области р-кармана (там же где расположен и транзистор 9). В этом случае на линейку фотоприемников подается одно излучение, а на линейку указанных n⁺-р-переходов - другое так, чтобы оптические цели были развязаны. В матричном варианте в качестве источника тока может использоваться инжекция тока через прямосмещенный n⁺-р-переход в области р-кармана с последующим собиранием носителей кольцевым коллектором (n⁺-диффузионной областью). Для видимого диапазона возможен также вариант, когда малая доля самого падающего излучения используется для разряда n^+-р-перехода, т.е. в этом случае i_o = βi_вх. Коэффициент передачи тока в зависимости от частоты в этом случае определяется другим выражением
k(jω) = (1-a)
Отношение площади перехода к площади фотоприемника 1 легко получается из эквивалентной схемы фиг.2. Для того, чтобы устройство выполняло функцию фильтра высоких частот нужно чтобы коэффициент β был много меньше а. Зависимость k от частоты для рассмотренного случая приведена на фиг.4. Фотоприемное устройство по сравнению с прототипом характеризуется простотой схемы, а следовательно, и более высокой надежностью, малой потребляемой мощностью (ток в любой из ветвей устройства не превышает тока с фотоприемника). Кроме того, оно легко реализуется в виде интегральной схемы по стандартной КМОП-технологии и может служить базовым элементом для построения на одной подложке линейчатого или матричного фотоприемного устройства. Так как сигнал с выхода фильтра представлен током, то для дальнейшей обработки сигнала могут использоваться любые из применяемых в фотоприемных устройствах узлы. Наконец, отметим, что областью применения данного технического решения могут быть не только фотоприемные устройства, но и любые устройства, в которых сигнал представлен током и в которых требуется осуществить его высокочастотную фильтрацию.

Формула изобретения

ФОТОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО С ПОДАВЛЕНИЕМ ПОСТОЯННОЙ И НИЗКОЧАСТОТНОЙ КОМПОНЕНТ ФОТОСИГНАЛА, содержащее фотоприемник, первый, второй и третий МДП-транзисторы и емкость накопления, причем исток первого МДП транзистора соединен с фотоприемником, сток-с истоком второго МДП транзистора, а затвор - с источником напряжения смешения, одна обкладка емкости накопления соединена с шиной нулевого потенциала, другая - со стоком второго МДП-транзистора и истоком третьего МДП-транзистора, затвор которого соединен с входом управления, а сток является выходом устройства, затвор второго МДП-транзистора связан с источником напряжения, отличающееся тем, что, с целью упрощения устройства и снижения рассеиваемой мощности, в него введены четвертый МДП-транзистор, дополнительная емкость, опорный источник тока, пятый комплементарный МДП-транзистор, причем четвертый и второй МДП-транзисторы имеют идентичные пороговые напряжения и общие истоки, сток четвертого МДП-транзистора соединен с первой обкладкой дополнительной емкости, затвор - с источником напряжения, исток, затвор и сток пятого МДП-транзистора соединены соответственно с источником напряжения, стоком четвертого МДП-транзистора и истоком второго МДП-транзистора, вторая обкладка дополнительной емкости соединена с истоком пятого МДП-транзистора, а опорный источник тока включен параллельно дополнительной емкости.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4