Устройство для преобразования оптического сигнала в электрический

 

Изобретение относится к полупроводниковой технике. Задачей предлагаемого устройства является увеличение динамического диапазона до 10⁴ - 10⁵ и чувствительности к слабоконтрастным перепадам яркости, а также получение информации о скорости передвижения границы перепада яркости. Сущность изобретения: устройство для преобразования оптического сигнала в электрический, содержит мультискан с фоточувствительным слоем, общей шиной и делительным слоем с двумя омическими контактами, к которым подключен источник смещения, а также усилитель, вход которого соединен с общей шиной, компаратор, блок регистрации сигнала, интегратор и блок программирования. Новым является то, что устройство дополнительно содержит дифференциатор, и аналоговый ключ, а делительный слой мультискана выполнен фоточувствительным, упомянутый вход усилителя также соединен с выходом интегратора, а выход усилителя также соединен с информационным входом интегратора через ключ и с входом дифференциатора, выход которого соединен со входом компаратора, выход компаратора соединен со входом блока регистрации сигнала, выход которого соединен со входом блока программирования, цифровой выход которого соединен с управляющим входом ключа и с управляющим входом дифференциатора, а аналоговый - с источником смещения. 1 ил.

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для анализа распределения освещенности при наличии сильных фоновых засветок.

В частности, в настоящее время при проведении анализа жидкой или газообразной среды на наличие загрязнений используют в качестве детектирующего элемента трубку, заполненную составом, изменяющим свою окраску при взаимодействии с исследуемой средой. Далее необходимо определить состав и концентрацию загрязнений по положению границы изменения окраски наполнителя и скорости движения этой границы. Эти вопросы могут быть решены только с помощью оптоэлектронных устройств. Для извлечения информации необходимо преобразование оптического сигнала в электрический, и при этом возникает проблема определения границы перепада яркости оптического слабоконтрастного сигнала и определение скорости ее передвижения на фоне сильных засветок.

Известен преобразователь энергии светового излучения в электрический сигнал на основе полупроводниковой фоточувствительной структуры типа мультискан, содержащий два генератора пилообразного напряжения, источник постоянного смещения, два усилителя, считывания, сумматор [1] Это устройство позволяет в сканирующем режиме получить полную информацию о локальных признаках светового сигнала, в том числе и о перепаде яркости. Однако оно не обладает достаточной чувствительностью для выделения слабоконтрастных перепадов яркости. Еще одним недостатком этого устройства является ограниченный динамический диапазон (10²-10³), что не позволяет работать при мощных фоновых засветках.

Известно также устройство для преобразования оптического сигнала в электрический, взятое в качестве прототипа [2] Устройство содержит мультискан с фоточувствительным слоем, общей шиной, делительным слоем с двумя омическими контактами, к которым подключен источник смещения, а также усилитель, вход которого соединен с общей шиной, компаратор, блок регистрации сигнала, интегратор и блок программирования.

В прототипе интегратор подключен к общей шине мультискана и к блоку программирования, который в свою очередь соединен со средней шиной мультискана. Сигнал на блок программирования подается с компаратора, который связан с интегратором и блоком регистрации сигнала. Это устройство позволяет регистрировать пространственное распределение освещенности на фотоприемной площадке мультискан. Оно имеет малый динамический диапазон (10^-2-10^-3 и вносит большие ошибки при определении положения границы перепада яркости при слабом контрасте изображения и изменения общей яркости изображения.

Кроме того, следует отметить, что оба упомянутых выше устройства [1, 2] не позволяет отслеживать движение границы перепада яркости в реальном времени. Так ни аналог, ни прототип не позволяет получить достоверную информацию о местоположении слабоконтрольной границы, ее движении при наличии сильных фоновых засветок из-за малого динамического диапазона и ограниченной чувствительности.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение динамического диапазона до 10⁴-10⁵ и чувствительности к слабоконтрастным перепадам яркости (до 5% от средней величины освещенности), а также получение информации о скорости передвижения границы перепада яркости.

Указанная задача решается в устройстве для преобразования оптического сигнала в электрический, содержащем мультискан с фоточувствительным слоем, общей шиной и делительным слоем с двумя омическими контактами, к которым подключен источник смещения, а также усилитель, вход которого соединен с общей шиной, компаратор, блок регистрации сигнала, интегратор и блок программирования, Новым является то, что устройство дополнительно содержит дифференциатор и аналоговый ключ, а делительный слой мультискана выполнен фоточувствительным, упомянутый вход усилителя также соединен с выходом интегратора, а выход усилителя соединен с информационным входом интегратора через аналоговый ключ и с входом дифференциатора, выход которого соединен со входом компаратора; выход компаратора соединен со входом блока программирования и со входом блока регистрации сигнала, выход которого соединен со входом блока программирования, цифровой выход которого соединен с управляющим входом аналогового ключа и с управляющим входом дифференциатора, а аналоговый с источником питания.

Суть изобретения поясняется чертежом, фиг.1, на котором приведена схема устройства, где: 1 полупроводниковая структура типа "мультискан"; 2 общая шина; 3 резистивный делительный слой; 4, 5 омические контакты; 6 - источник смещения; 7 усилитель; 8 интегратор; 9 дифференциатор; 10 - компаратор; 11 блок регистрации сигнала; 12 блок программирования; 13 - аналоговый ключ.

В предлагаемом устройстве производится анализ разницы двух фототоков, образующихся за счет выполнения делительного слоя фоточувствительным, причем вычитание происходит непосредственно внутри мультискана.

Дополнительно также в устройство введен дифференциатор, который сравнивает сигналы в текущий и предыдущий моменты времени и определяет направление изменения сигнала в зависимости от положения эквипотенциали. Таким образом, задавая положение эквипотенциали, мы можем контролировать движение границы перепада яркости, то есть можно наблюдать за динамическими параметрами оптического сигнала. Введение интегратора в обратную связь усилителя дает возможность устранить постоянную составляющую, характеризующую фоновые засветки, что позволяет, во-первых, увеличить динамический диапазон, во-вторых, использовать усилитель с большим коэффициентом усиления.

Использование компаратора, блока регистрации сигнала и блока программирования в указанных выше связях позволяет также получить информацию о движении границы перепада яркости в реальном времени.

Таким образом, введение дифференциатора, выполнение делительного слоя фоточувствительным и предлагаемая взаимосвязь блоков позволяет увеличить чувствительность устройства к слабоконтрастным перепадам яркости и устранить влияние сильных фоновых засветок.

Покажем, что предлагаемое устройство отвечает изобретательскому уровню. В известных оптоэлектронных устройствах [1, 2] использующих мультискан, процесс обработки сигнала производится вне чувствительного элемента. В предлагаемом устройстве преобразование сигнала и его предварительная обработка производится внутри фоточувствительного элемента. И этот признак не использовался для решения поставленной задачи. Таким образом, предлагаемое решение отвечает "изобретательскому уровню". Работа устройства основана на регистрации и анализе изменяющейся разности двух фототоков, образующихся внутри мультискана, за счет фоточувствительности делительного слоя при постоянном, но управляемом положении эквипотенциалы X_N. Фотоприемник мультискан позволяет реализовать такой режим регистрации светового сигнала, при котором выбирается координата X_N в пределах длины мультискана [O, L] разделяющая [O, L] на две части [O, X_N] и [X_N, L] При этом уменьшение светового сигнала слева от точки X_N приводит к росту выходного разностного фототока, а уменьшение светового сигнала правее X_N вызывает уменьшение фототока. Процесс измерений сводится к тому, чтобы определить момент прохождения выходного сигнала мультискана через экстремум, то есть через точку перемены знака скорости измерения фототока. Этот момент свидетельствует о том, что граница изменения сигнала достигла положения нулевой эквипотенциали X_N.

Устройство работает следующим образом. Газоанализаторная трубка вкладывается в прибор так, что граница наполнителя совмещается с отсчетной (нулевой) риской. В исходном состоянии при обнулении счетчика блока регистрации 11 напряжение на делительном слое 3, задеваемое источником 6 и блоком программирования 12, распределено таким образом, что нулевая эквипотенциаль устанавливается в точке X₁, отстоящей на заданном расстоянии (1 мм) от отсчетной риски в направлении распространения фронта потемнения наполнителя. Нулевая эквипотенциаль делит фоточувствительные слои мультискана на области с запертыми и открытыми р-п переходами. Выходной ток обусловлен разностью фототоков запертых р-п переходов обоих слоев где f(x) распределение освещенности, α интегральная чувствительность; X₁ положение нулевой эквипотенциалы, регулируемое блоком программирования 12; L длина мультискана. Разностный ток поступает через усилитель 7 и замкнутый ключ 13 на интегратор 8, который, заряжаясь, начинает устранять влияние постоянной составляющей выходного тока мультискана. В результате этого по истечении некоторого времени Dt напряжение на выходе усилителя 7 будет достаточно мало, и в соответствии с программой измерения ключ 13 размыкается сигналом с блока программирования 12, и интегратор 8 переводится блоком программирования 12 в режим хранения накопления напряжения. Таким образом, достигается возможность использования усилителя с большим коэффициентом усиления, что позволяет регистрировать перемещение границы слабого изменения сигнала при широком диапазоне входных токов. При смещении границы указанной области начинает меняться ток на выходе усилителя 7, что влечет за собой изменение сигнала, поступающего на вход дифференциатора, регистрирующего скорость изменения сигнала. В момент достижения границы слабоконтрастной области положения эквипотенциали X₁ скорость изменения фототока меняет знак, напряжение на выходе дифференциатора 9 проходит через ноль. Компаратор 10 фиксирует момент достижения 0. В момент переключения компаратора 10 в блоке регистрации сигнала 11 к показаниям счетчика прибавляется "1", полученный результат передается в блок программирования 12, имеющий как цифровой, так и аналоговый выходы, который задает новое положение эквипотенциали путем изменения потенциала на делительном слое 3, а также дает команду на замыкание ключа 13 для перезаряда интегратора 8 и возврат в исходное состояние дифференциатора 9. Выходной сигнал компаратора 10 является импульсом для формирования отсчета скорости. Затем измерения продолжаются путем повторения этого же рабочего цикла. Таким образом, в блоке регистрации 11 с помощью счетчика регистрируется количество импульсов, соответствующих количеству срабатываний компаратора 10. Поскольку при каждом срабатывании компаратора блок программирования 12 сдвигает положение эквипотенциали на заданное расстояние, показания счетчика в блоке регистрации содержат информацию о положении фронта потемнения относительно начала отсчета. Пример выполнения данного изобретения для измерения скорости движения фронта потемнения наполнителя внутри стеклянных индикаторных трубок для газового анализа.

В устройстве используется модификация конструкции мультискана, выполненная по технологии КСДИ на п-кремнии ориентации 100 с удельным сопротивлением 7,5 Ом.см и содержащая два изолированных параллельных друг другу фотосчувствительных слоя. П-р-п элементарная ячейка такой структуры представляет собой два встречно-включенных диода, расположенных в разных изолированных слоях. Диода выполнены газофазным осаждением поликристаллического р⁺-кремния на монокристаллический кремния. Связь между р-п-переходами осуществляется перемычками этого же р⁺-поликремния с концентрацией 10¹⁹ см^-3. В одном слое выполнен резистивный делитель сопротивления 5-7 кОм методом газофазного осаждения п⁺-поликремния, а в другом слое выполнена общая шина напылением алюминия. Для обеспечения омического контакта к делителю на его концы напылен алюминий.

В данном устройстве усилитель представляет собой трансимпедансный преобразователь фототока в напряжение и собран на операционном усилителе с малым входными токами 544 УД1. Интегратор выполнен также на ОУ 544 УД1 с конденсатором К10-47 Н90 0,1 мкф в обратной связи, причем к выходу интегратора последовательно подсоединен резистор С2-23 0,125 Вт 100 к, а на входе интегратора установлен аналоговый ключ, выполненный на микросхеме 590 КН4. Аналоговый ключ по сигналу с блока программирования разрывает связь между выходом усилителя и входом интегратора. В качестве дифференциатора используется пиковый детектор, построенный по стандартной схеме (ОУ 140УД7, включенный по схеме повторителя напряжения и конденсатор 0,01 мкф, включенный между инвертирующим входом и земляной шиной) [3] Для фиксации момента перехода напряжения на выходе детектора через максимум в обратную связь ОУ включен диод КД 509А. Возвращение в исходное состояние пикового детектора осуществляется путем закорачивания аналогового ключа, выполненного на микросхеме 590 КН2, включенного в обратную связь параллельно диоду КД 509А. Компаратор выполнен на микросхеме 554 СА3. Блок регистрации сигнала представляет собой счетчик с параллельной формой вывода информации, изготовленный на микросхеме 561 ЕИ 10. При прохождении очередного интервала по сигналу компаратора счетчик увеличивает содержимое регистра на +1. Блок программирования содержит микросхемы ЦАП 572 ПА1, СУ 140 УД7, 2И-НЕ 561 ЛА7. Содержимое счетчика является информацией о текущей координате и преобразуется в аналоговый сигнал с помощью ЦАП и ОУ, затем поступает на источник смещения, задавая тем самым текущее положение эквипотенциали. В качестве источника смещения использовался элемент питания типа "крона" напряжением 9 В. При поступлении сигнала с компаратора, свидетельствующего о завершении очередного цикла работы устройства, блок программирования вырабатывает импульс заданной длительности для возвращения в исходное состояние дифференциатора и перезарядки интегратора, одновременно изменяя напряжение на делительном слое мультискана, устанавливая тем самым новое положение эквипотенциали. Этот импульс вырабатывается с помощью времязадающей RC цепочки, состоящей из емкости К10-47 Н90 0,2 мкф и резистора С2-23 0,125 Вт 10к двух инверторов 2И-НЕ 561 ЛА7.

Испытания устройства были проведены в составе газоанализаторного прибора ППГА-1. Определялось процентное содержание СО₂ в газовой смеси в соответствии с эталоном. Результат определялся по штатной методике измерения концентрации с использованием градуировочной таблицы. Этот результат сопоставлялся с показаниями на выходе предлагаемого устройства. Испытания показали, что расхождение результатов, полученных тем и другим способами, составили величину меньшую, чем 0,1 цены деления градуировочной таблицы.

Испытания проводились при мощности засветки 100 мВт, при этом максимальный разностный ток составил 10^-5 А, что соответствовало при длине мультискана 20 мм средней плотности тока 5·10^-7 А/мм. При этом разброс значений фототока за счет неравномерности коэффициента отражения наполнителя составил ±50% то есть плотность фототока изменялась в диапазоне от 2,5·10^-7 А/мм до 7,5·10^-7 А/мм.

В результате прохождения СО₂ через наполнитель, образовавшаяся область потемнения имела меньший коэффициент отражения, что изменило плотность фототока мультискана на участке, соответствующем области потемнения в среднем на 10% Также была показана возможность регистрировать движение контрастной границы в пределах 0,05-10 мм/с.

Таким образом, минимальное регистрируемое изменение фототока при движении фронта на расстоянии 0,2 мм составляло величину 10^-9 A при максимальном значении фототока 10^-4 А. Тем самым достигается величина динамического диапазона составила 10⁵ при токовой чувствительности 10^-9 А.

Формула изобретения

Устройство для преобразования оптического сигнала в электрический, содержащее мультискан с фоточувствительным слоем, общей шиной и делительным слоем с двумя омическими контактами, к которым подключен источник смещения, а также усилитель, вход которого соединен с общей шиной, компаратор, блок регистрации сигнала, интегратор и блок программирования, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит дифференциатор и аналоговый ключ, делительный слой мультискана выполнен фоточувствительным, упомянутый вход усилителя также соединен с выходом интегратора, а выход усилителя соединен с информационным входом интегратора через ключ и с входом дифференциатора, выход которого соединен с входом компаратора, выход компаратора соединен с входом блока программирования и с входом блока регистрации сигнала, выход которого соединен с входом блока программирования, цифровой выход которого соединен с управляющим входом ключа и с управляющим входом дифференциатора, а аналоговый с источником смещения.

РИСУНКИ

Рисунок 1