Фотоприемный интегральный элемент для сравнения оптических сигналов

 

Изобретение относится к оптоэлектронике и может быть использовано для считывания и хранения оптической информации. Повышение пороговой чувствительности фотоприемного элемента достигается введением в устройство ключевых транзисторов балансировки. 1 ил.

Изобретение относится к оптоэлектронике, к устройствам для считывания и хранения оптической информации, а также к полупроводниковым приборам, чувствительным к излучению.

Известны фотоприемные интегральные элементы, предназначенные для сравнения (вычитания) двух оптических сигналов и фотоэлектрического преобразования парафазного оптического кода в электрический код. Эти полупроводниковые устройства содержат, по крайней мере, два фотоприемника для приема и фотоэлектрического преобразования сравниваемых оптических сигналов и дифференциальную схему. В качестве дифференциальной схемы используются триггеры (устройства с положительной обратной связью) [1, 2] либо два усилителя с коммутационными транзисторами, включаемыми в нужный момент времени [3] В этих устройствах повышение уровня (энергии, мощности) оптического сигнала на одном фотоприемнике по сравнению с уровнем сигнала на другом фотоприемнике определяется по состоянию выхода триггера.

Недостаточная пороговая чувствительность первых устройств [1, 2] объясняется большими пороговыми напряжениями срабатывания триггеров, устройств второго типа [3] технологическими разбросами входящих в него компонентов, таких как транзисторы, резисторы.

Наиболее близким по технической сущности и признакам к заявляемому устройству является фотоприемный интегральный матричный элемент для считывания парафазного оптического кода [4] выполняемый по МДП-технологии и содержащий дифференциальный усилитель с фотоприемниками на входах. Фотоприемники в этом устройстве, представляющие собой фотодиоды, образованные р-n-переходами между диффузионными областями МДП-транзисторов (истоками или стоками) и подложкой, подключены к затворам усилительных транзисторов дифференциального усилителя и через ключевые транзисторы стирания к источнику напряжения смещения фотодиодов. Управляются ключевые транзисторы стирания по затворам, подключенным к шине стирания, сигналом стирания. Для согласования выходных сигналов фотоприемного элемента с емкостными нагрузками используются два буферных каскада, представляющих собой истоковые повторители напряжения.

Выходным сигналом рассматриваемого элемента является напряжение между истоками усилительных транзисторов истоковых повторителей. Знак и амплитуда этого напряжения определяются разностью световых энергий оптических сигналов, которые попадают на входы фотодиодов элемента за время интегрирования (накопления), измеряемое от конца импульса стирания до момента отсчета выходного сигнала фотоприемного элемента, а также чувствительностью фотодиодов к принимаемым световым сигналам и полым дифференциальным коэффициентом усиления применяемого дифференциального усилителя.

Именно эта структура фотоприемного элемента, в отличие от упомянутых выше, способна обеспечить в силу ряда присущих ей достоинств рекордные значения таких характеристик фотоприемного элемента, как пороговая чувствительность к принимаемым оптическим сигналам, помехозащищенность, нечувствительность к фоновым засветкам фотоприемников.

Недостаток такого интегрального фотоприемного элемента наличие начального разбаланса дифференциального усилителя, возникающего из-за несимметрии параметров элементов дифференциального усилителя [4] который, складываясь с полезным сигналом на выходе дифференциального усилителя, напрямую ограничивает пороговую чувствительность фотоприемного элемента.

Напрямую ограничивает пороговую чувствительность, искажая выходной сигнал такого фотоприемного элемента, и несимметрия параметров буферных каскадов, в частности, несимметрия напряжений смещений выходов относительно входов истоковых повторителей.

Известен ряд технических решений, позволяющих уменьшить начальный разбаланс дифференциального усилителя в фотоприемных ячейках [6, 7, 8] или устранить влияние существующего разбаланса дифференциального усилителя на выходной сигнал дифференциального усилителя ячейки [9, 10] В последнем случае [9, 10] фотоприемные ячейки, кроме дифференциального усилителя с фотоприемниками на входах, содержат дополнительный стробируемый дифференциальный усилитель-компаратор с ячейкой памяти (триггер-защелку), обеспечивающий нормиро- ванные уровни выходных сигналов фотоприемной ячейки. Каждое из перечисленных известных решений по своему эффективно, однако все они отличаются сложностью при их практической реализации, связанной с увеличением числа входящих в устройства компонентов (транзисторов, конденсаторов). Кроме того, упомянутые устройства являются узко специализированными по выходам. В одних результат сравнения оптических сигналов представляется на выходе в аналоговом виде, а в других только в нормированном, цифровом виде.

Указанные недостатки устраняются в заявляемом устройстве. Это достигается тем, что в фотоприемный интегральный элемент для сравнения оптических сигналов, содержащий дифференциальный усилитель, состоящий из первого и второго усилительных транзисторов, первого и второго нагрузочных транзисторов и токостабилизирующего транзистора, фотодиоды, подключенные к затворам соответственно первого и второго усилительных транзисторов и к подложке, первый и второй ключевые транзисторы стирания, два буферных каскада, представляющих собой истоковые повторители напряжения, введены первый и второй запоминающие конденсаторы, третий ключевой транзистор стирания, первый и второй ключевые транзисторы балансировки, первый и второй ключевые транзисторы записи.

Сопоставительный анализ показывает, что полученные новые свойства в заявляемом устройстве обусловлены совокупностью ряда введенных дополнительных элементов и связей, принципиально отличающих заявляемое устройство от известных реализаций аналогичных по назначению устройств.

Существенная новизна и оригинальность заявляемого устройства достигается тем, что введение в фотоприемную ячейку указанных дополнительных элементов наряду с изменением существующих связей между элементами, числа управляющих сигналов, используемых при функционировании, и их временной диаграммы (т. е. по существу изменение принципа работы фотоприемного интегрального элемента) позволило добиться новых свойств: повышения пороговой чувствительности дифференциального фотоэлектрического преобразования входных оптических сигналов за счет устранения влияния на результат сравнения оптических сигналов выходной сигнал фотоприемного элемента начального разбаланса, возникающего в используемом дифференциальном усилителе от несимметрии параметров его компонентов, а также существенного уменьшения влияния несимметрии параметров двух истоковых повторителей выходного сигнала дифференциального усилителя. Указанные свойства обеспечиваются при простоте и минимальном количестве компонентов, а также универсальности в отношении формы представления выходных сигналов (аналоговой или цифровой).

На чертеже представлена схема фотоприемного интегрального элемента для сравнения оптических сигналов.

Фотоприемный элемент содержит: первый и второй усилительные транзисторы 1 и 2, первый и второй нагрузочные транзисторы 3 и 4, токостабилизирующий транзистор 5, управляемый сигналами по задающей режим шине 6, фотодиоды 7 и 8, образованные p-n-переходами между диффузионными областями МДП-транзисторов (истоками или стоками) и подложкой фотодиодов и транзисторов 9, первый, второй и третий ключевые транзисторы стирания 10, 11 и 12, шину стирания 13, третий и четвертый усилительные транзисторы 14 и 15, третий и четвертый нагрузочные транзисторы 16 и 17, первый и второй запоминающие конденсаторы 18 и 19, шину 20 смещения входов буферных каскадов, информационные выходы 21 и 22, первый и второй ключевые транзисторы балансировки 23 и 24, шину балансировки 25, первый и второй транзисторы записи 26 и 27, шину записи 28, шину питания 29, общую шину 20.

Усилительные транзисторы 1, 2, нагрузочные транзисторы 3, 4 и токостабилизирующий транзистор 5 образуют дифференциальный усилитель, в котором истоки транзисторов 1 и 2 соединены со стоком токостабилизирующего транзистора 5, стоки транзисторов 1 и 2, являющиеся выходами дифференциального усилителя, соединены соответственно с затворами и истоками транзисторов 3 и 4. Затвор транзистора 5 подключен к шине 6, управляющей режимом усилителя. Фотодиоды 7 и 8 подключены соответственно к затворам транзисторов 1 и 2 (входам дифференциального усилителя) и к подложке 9. Усилительные транзисторы 14 и 15 с нагрузочными транзисторами 16 и 17 образуют два буферных каскада (два истоковых повторителя напряжения), выходы которых (соответственно истоки транзисторов 14 и 15) являются информационными выходами 21, 22 фотоприемного элемента, а входы (затворы транзисторов 14 и 15) через запоминающие конденсаторы 18 и 19 подключены к выходам дифференциального усилителя (к стокам соответственно транзисторов 1 и 2). К первому информационному выходу 21 подключены стоки транзисторов: нагрузочного 16, стирания 12, балансировки 23 и записи 26. Ко второму информационному выходу 22 подключены стоки транзисторов: нагрузочного 17, балансировки 24, записи 27, а также исток транзистора стирания 12. Затвор транзистора 1 соединен с истоками транзистора балансировки 23 и транзистора записи 27. К затвору транзистора 2 подключены истоки транзистора балансировки 24 и транзистора записи 26. Стоки транзисторов стирания 10 и 11 соединены с шиной 20 источника смещения входов буферных каскадов, истоки этих транзисторов подключены соответственно к затворам транзисторов 14 и 15. Затворы транзисторов стирания 10, 11, 12 соединены с шиной стирания 13. Затворы транзисторов балансировки 23 и 24 подключены к шине балансировки 25. Затворы транзисторов записи 26 и 27 соединены с шиной записи 28. Стоки транзисторов 3, 4, 14, 15 подключены к шине источника питания 29. Исток транзистора 5, а также истоки и затворы транзисторов 16 и 17 соединены с общей шиной 30.

Принцип работы фотоприемного элемента состоит в следующем. По сигналам стирания (с шины стирания 13) и балансировки (с шины балансировки 25) через открытые каналы ключевых транзисторов стирания 10 и 11 на входы буферных каскадов затворы усилительных транзисторов 14 и 15 подается напряжение с шины 20 источника смещения входов, а на входы дифференциального усилителя затворы усилительных транзисторов 1 и 2 подается напряжение с выходов буферных каскадов 21 и 22. При этом заряжаются до одинаковых напряжений выходов 21 и 22 собственные емкости фотодиодов 7 и 8, так как через открытый канал ключевого транзистора стирания 12 выходы буферных каскадов 21, 22 соединяются между собой. На стоках усилительных транзисторов 1 и 2 (выходах дифференциального усилителя) устанавливаются напряжения, соответствующие начальному разбалансу этого дифференциального усилителя при одинаковых напряжениях на его входах. Емкости запоминающих конденсаторов 18 и 19 также заряжаются в соответствии с выходными напряжениями дифференциального усилителя и напряжением источника смещения 20 входов буферных каскадов. Далее рассмотрим две возможные ситуации.

Ситуация первая сигналы стирания и балансировки заканчиваются одновременно. По окончании этих сигналов фотодиоды оказываются обратно смещенными напряжениями, которые определяются зарядами, запасенными емкостями фотодиодов во время стирания. На входах буферных каскадов сохраняются одинаковые напряжения, близкие по величине к напряжению на шине 20. Начальный разбаланс дифференциального усилителя не поступает на входы буферных каскадов и соответственно не влияет на дифференциальный сигнал на информационных выходах 21 и 22. Зато на информационных выходах 21 и 22 устанавливается диференциальное напряжение в соответствии с несимметрией параметров буферных каскадов, т. е. проблема повышения пороговой чувствительности фотоприемного элемента решается частично.

Ситуация вторая сигналы стирания и балансировки заканчиваются неодновременно, а задний фронт сигнала балансировки задержан относительно заднего фронта сигнала стирания. В этом случае по заднему фронту сигнала стирания запираются каналы ключевых транзисторов стирания 10, 11, 12. Входы буферных каскадов оказываются отключенными от источника смещения на шине 20. Возникающий между выходами 21 и 22 дифференциальный сигнал, обусловленный несимметрией буферных каскадов, является источником возмущения в цепях отрицательной обратной связи, которой оказывается охваченным дифференциальный усилитель через емкости запоминающих конденсаторов 18, 19, буферные каскады и открытые каналы ключевых транзисторов балансировки 23 и 24. За счет отрицательной обратной связи, при действии которой происходит перераспределение напряжений на входах и выходах дифференциального усилителя и соответственно на входах буферных каскадов, начальный дифференциальный сигнал на выходах 21 и 22, вызванный несимметрией параметров буферных каскадов, уменьшается в F раз (F глубина отрицательной обратной связи) [11] Таким образом, в результате стирания и балансировки на выходах 21 и 22 будет отсутствовать начальный разбаланс дифференциального усилителя, а действие несимметрии напряжений смещения между входами и выходами буферных каскадов будет значительно уменьшена. Поэтому проблема повышения чувствительности, в отличие от первой ситуации, решается более полно.

Возникающая после балансировки за счет интегрирования входных оптических сигналов разность напряжений на емкостях фотодиодов усиливается дифференциальным усилителем и через емкости запоминающих конденсаторов 18, 19 и буферные каскады поступает в виде аналоговых напряжений на информационные выходы 21, 22 фотоприемного элемента. При этом суммарный ток в нагрузках дифференциального усилителя, т. е. режим усилителя, задается и стабилизируется токостабилизирующим транзистором 5, управляемым от шины управления 6 (как известно, сигнал на шине управления токостабилизирующим транзистором в дифференциальных усилителях в общем случае может быть либо постоянным, либо переменным; для формирования переменного сигнала на шине 6 в фотоприемном элементе могут быть использованы различные устройства [12] один из вариантов которого см. например, в [10]).

Для получения результата сравнения оптических сигналов в цифровой форме, т.е. в виде напряжений на выходах 21, 22 нормированных уровней, используется операция записи, для выполнения которой после заданного времени накопления на затворы ключевых транзисторов записи 26 и 27 по шине записи 28 поступает сигнал записи. Открытые каналы ключевых транзисторов записи 26, 27 соединяют выходы буферных каскадов со входами дифференциального усилителя, образуя цепи положительной обратной связи, в результате действия которой ток токостабилизирующего транзистора 5 направляется только в одно из плеч дифференциального усилителя, в то время, как другое плечо запирается. Это состояние дифференциального усилителя повторяется на информационных выходах 21, 22 фотоприемного элемента. Таким образом, производится компарирование сигнала дифференциального усилителя с фотодиодами на входах и его нормирование по уровню.

Следует заметить, что в предлагаемом фотоприемном элементе ключевые транзисторы записи 26, 27 могут быть использованы и при выполнении операции стирания для установки начальных напряжений на фотодиодах. Для этого одновременно с сигналом стирания по шине 13 должен быть подан по шине 28 сигнал записи, равный по длительности сигналу стирания. Сигнал балансировки можно также использовать в соответствии с рассмотренными выше ситуациями.

Моделирование заявляемого фотоприемного интегрального элемента для сравнения оптических сигналов полностью подтвердило изложенный выше принцип его функционирования и возможности обеспечения повышенной пороговой чувствительности в условиях несимметрии параметров используемых транзисторов и конденсаторов, наличия паразитных параметров и связей между интегральными компонентами фотоприемного элемента, его широкие функциональные возможности, а также перспективность применения при создании интегральных фотоматричных БИС с оптическим входом. (56) 1. Патент США N 3753247, кл. 340-173, опубл. 14.08.73.

2. Патент Франции N 2233678, опубл. 10.01.75.

3. Авторское свидетельство СССР N661608, кл. G 11 C 11/42, 1979.

4. Наймарк С. И. Третьяков В.М. Фотоприемный интегральный матричный элемент для считывания парафазного оптического кода. "Автометрия", 1977, N 2, с. 79-85.

5. Наймарк С.И. Многоэлементные МДП-интегральные фотодиодные преобразователи оптических сигналов. Ч. 2. Оптоэлектронные функциональные преобразователи оптических сигналов. Устройства и системы на их основе. "Обзоры по электронной технике". Сер. 3. Микроэлектроника, вып. 2 (937), М. ЦНИИ "Электроника", 1983.

6. Авторское свидетельство СССР N 1619345, кл. G 11 C 11/42, 1991.

7. Авторское свидетельство СССР N 1626261, кл. G 11 C 11/42, 1991.

8. Авторское свидетельство СССР N 1259865, кл. G 11 C 11/42.

9. Авторское свидетельство СССР N 1619344, кл. G 11 C 11/42, 1991.

10. Авторское свидетельство СССР N 1709392, кл. G 11 C 11/42, 1992.

11. Лурье Б.Я. Проектирование транзисторных усилителей с глубокой отрицательной обратной связью. М. Связь, 1965, с. 13.

12. Проектирование и применение операционных усилителей./Под ред. Дж. Грэма, Дж. Тоби, Л. Хьюлсмана. М. Мир, 1974.

Формула изобретения

ФОТОПРИЕМНЫЙ ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ СРАВНЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ, содержащий дифференциальный усилитель, состоящий из первого и второго усилительных транзисторов, первого и второго нагрузочных транзисторов и токостабилизирующего транзистора, фотодиоды, подключенные между затворами соответственно первого и второго усилительных транзисторов и подложкой, три ключевых транзистора стирания, два буферных каскада на третьем и четвертом усилительных транзисторах, третьем и четвертом нагрузочных транзисторах, два запоминающих конденсатора, два ключевых транзистора записи, при этом истоки первого и второго усилительных транзисторов соединены со стоком токостабилизирующего транзистора, а стоки - с истоками и затворами соответственно первого и второго нагрузочных транзисторов, сток первого усилительного транзистора подключен через первый запоминающий конденсатор к истоку первого ключевого транзистора стирания и к затвору третьего усилительного транзистора, сток второго усилительного транзистора соединен через второй запоминающий конденсатор с затвором четвертого усилительного транзистора, затворы трех ключевых транзисторов стирания соединены с шиной стирания, затворы двух ключевых транзисторов записи - с шиной записи, стоки первого и второго нагрузочных транзисторов - с шиной питания, отличающийся тем, что в него введены первый и второй ключевые транзисторы балансировки, при этом затвор четвертого усилительного транзистора соединен с истоком второго ключевого транзистора стирания, исток третьего усилительного транзистора, являющийся первым информационным выходом фотоприемного интегрального элемента, подключен к стокам третьего нагрузочного транзистора, первого ключевого транзистора балансировки, первого ключевого транзистора записи и третьего ключевого транзистора стирания, исток четвертого усилительного транзистора, являющийся вторым информационным выходом фотоприемного интегрального элемента, подключен к стокам четвертого нагрузочного транзистора, второго ключевого транзистора балансировки, второго ключевого транзистора записи и к истоку третьего ключевого транзистора стирания, к затвору первого усилительного транзистора подключены истоки первого ключевого транзистора балансировки и второго ключевого транзистора записи, к затвору второго усилительного транзистора подключены истоки второго ключевого транзистора балансировки и первого ключевого транзистора записи, стоки первого и второго ключевых транзисторов стирания подключены к шине смещения входов буферных каскадов, затворы двух ключевых транзисторов балансировки подключены к шине балансировки, стойки третьего и четвертого усилительных транзисторов подключены к шине питания, затворы и истоки третьего и четвертого нагрузочных транзисторов соединены с общей шиной.

РИСУНКИ

Рисунок 1