ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ФОРМИРОВАТЕЛЬ СИГНАЛОВ, КОДИРОВАННЫХ ФУНКЦИЯМИ УОЛША Российский патент 1994 года по МПК H04N7/13 

Изобретение относится к полупроводниковой электронике, а именно к устройствам для преобразования оптических изображений в электрические сигналы, и может быть использовано в телевизионной технике, в системах распознавания образцов, в устройствах анализа и обработки сигналов.

На фиг. 1 представлена электрическая схема устройства; на фиг.2 и 3 - структурные схемы функционирующего и нефункционирующего конденсаторов в блоке кодирования; на фиг.4 - эквивалентная схема участка в блоке кодирования; на фиг.5 и 6 - структурные схемы отдельных участков устройства и эпюры потенциальных ям, индуцированных в полупроводниковой подложке поданными на электроды напряжениями; на фиг.7 - временные диаграммы напряжений.

Фотоэлектрический формирователь сигналов, кодированных функциями Уолша, содержит фотоэлектрический преобразователь, в который входит ряд фотодиодов 1, ряд истоковых повторителей, составленных транзисторами Т1 и Т2, которые присоединены к выводным шинам 2, 3, 4, ряд транзисторов сброса ТЗ, присоединенных к выводным шинам 5 и 6.

Фотоэлектрический формирователь сигналов, кодированных функциями Уолша, содержит также секцию кодирования, включающую вертикальную и горизонтальные шины, к которым присоединены обкладки 7 и 8 конденсаторов. У отдельных конденсаторов обкладки 7 и 8 разделены экранирующим электродом 9. Распределение по секции кодирования конденсаторов с экранирующим электродом 9 или без него соответствует заданной функции кодирования. Горизонтальные шины, к которым присоединены обкладки 7, соединены с выходами истоковых повторителей, образованных транзисторами Т1 и Т2. Вертикальные шины верхним концом присоединены к истокам транзисторов сброса Т4, имеющих выводные шины 10 и 11. Нижним концом вертикальные шины присоединены к входным электродам 12. Обкладки 7 и 8, разделенные слоем диэлектрика, образуют структуру MДП-конденсатора, при этом обкладка 7 выполнена в виде диффузионной области, имеющей противоположный полупроводниковый подложке тип проводимости.

Экранирующие электроды 9 отделены от электродов 7 и 8 слоем диэлектрика и присоединены к полупроводниковой подложке. Секция считывания содержит входные электроды 12, опорные электроды 13, затворы стоков 14, стоки 15, барьерные электроды 16, накопительные электроды 17, затворные электроды 18, разделенные соответственно входным электродoм 12 и объединенные выводными шинами с той же нумерацией. В секцию считывания входит также регистр, содержащий электроды переноса 19, 20, 21, разделительный электрод 22, питающий электрод 23, затвор 24, сток 25, транзистор сброса Т5, выходной транзистор Т6, затвор транзистора сброса 26.

На фиг.2, 3, 5, 6 также показаны слой диэлектрика 27, полупроводниковая подложка 28, t₁, t₂, и т.д. - последовательные моменты времени, U - напряжения на электродах, индексы соответствуют номерам позиций. Штриховка показывает уровень заполнения потенциальных ям зарядами, а стрелки - направление переноса зарядов.

Предлагаемое устройство изготовляют интегрально по технологии схем на МДП-транзисторах.

Предлагаемое устройство функционирует следующим образом. На выводные шины, отмеченные индексами на фиг.7, кроме выходного напряжения с транзистора Т6, подают периодические импульсы напряжения согласно временным диаграммам на фиг.7. На остальные выводные шины подают постоянные напряжения, также индуцирующие в полупроводниковой подложке потенциальные ямы.

В момент времени t₁ подают отпирающее напряжение через шину 3 на затворы транзисторов сброса ТЗ. Фотодиоды 1 заряжаются до напряжения, подаваемого на шину 2. На выходах истоковых повторителей, составленных транзисторами Т1 и Т2, устанавливается то же самое напряжение, что и на фотодиодах 1. Это же напряжение устанавливается на обкладках 7 конденсаторов в ячейках секции кодирования. В этот же момент времени t₁подают отпирающее напряжение на затворы стоков 14. В момент времени t₂подают нулевое напряжение на стоки 15. Заряды из стоков 15 заполняют потенциальные ямы под электродами 12, 13, 14. Переходу зарядов под затворные электроды 18 препятствует поданное на эти электроды запирающее напряжение. В момент времени t₃ напряжения на стоках 15 возвращают к исходному значению. Происходит обратный отток зарядов в сток 15 из потенциальных ям электродов 12-14. При этом потенциальные ямы под входными электродами 12 оказываются заполненными зарядами до уровня потенциальных ям под опорными электродами 13, т.е. происходит процесс уравнивания потенциалов между потенциальными ямами указанных электродов.

В момент времени t₄ подают запирающее напряжение на затворы 3 транзисторов сброса Т3 и на затворы стоков 14. С этого момента фотодиоды 1 оказываются под плавающим потенциалом. Электронно-дырочные пары, генерируемые светом в самих фотодиодах 1 и в примыкающих к ним областях полупроводниковой подложки 28, разделяются на p-n переходе. В фотодиодах 1 происходит накопление зарядов, что приводит к изменению их потенциала на величину U_ф = Q_ф/C_ф, пропорциональную экспозиции, где Q_ф - накопленный в фотодиоде заряд; С_ф - емкость фотодиода. Напряжения U_ф с фотодиодов 1 поступают на входы истоковых повторителей, составленных транзисторами Т1 и Т2, повторяются на их выходах, к которым через горизонтальные шины присоединены обкладки 7 конденсаторов в ячейках кодирующей секции. В момент времени t₅, который может совпадать с моментом времени t₄, подают запирающее напряжение на затворы 10 транзисторов Т4. Присоединенные к истокам транзисторов Т4 шины и связанные с ними обкладки 8 конденсаторов в ячейках кодирующей секции, а также выходные электроды 12 оказываются под плавающим потенциалом до момента времени t₁₃, когда затворы 10 снова подают отпирающее напряжение. Эквивалентная схема для определения напряжения на плавающей вертикальной шине представлена на фиг.4, где U_n - напряжение на горизонтальной шине с порядковым номером n, С_э - величина емкости между обкладками 7 и 8, С_ш - емкость вертикальной шины относительно подложки, включая емкость входного электрода 12, емкости подводки к обкладке 8 и емкости относительно экранирующих электродов 9, U_к - напряжение на вертикальной шине, k - порядковый номер функции Уолша, соответственно которой часть конденсаторов имеет экранирующий электрод 9, т.е. выключена из генерации напряжения на плавающей вертикальной шине.

Согласно этой схеме напряжение на плавающей вертикальной шине определяется формулой
U_к= · ΣU_п, где из суммирования исключены те U_n, которым соответствует конденсатор с экранирующим электродом 9; N - число горизонтальных шин;
а = С_эN/С_ш.
Так как С_эNC_ш, то можно принять а = 1 и
U ΣU_n= ΣQ_n, где С_ф - емкость фотодиода, Q_n - заряд, накопленный в фотодиоде с порядковым номером n, который участвует в формировании сигнального напряжения на вертикальной шине в соответствии с заданной функцией Уолша, имеющей порядковый номер k. Так как напряжение на входном электроде 12 изменяется на величину U_к, то из его потенциальной ямы в потенциальную яму накопительного электрода вытесняется заряд Q_н = U_кС_в, где С_в - емкость выходного электрода 12.

Из приведенных формул следует, что
Q_н= Q_n
В момент времени t₁₂ на барьерные электроды 16 подают запирающее напряжение. Накопление зарядов Q_н под накопительными электродами 17 прекращается. В тот же момент времени t₁₂ подают отпирающее напряжение на затворные электроды 18, заряды Q_н начинают при этом переходить под электроды 20 выходного регистра. Для полного вытеснения зарядов Q_н в выходной регистр в момент времени t₁₄ подают запирающее напряжение на накопительные электроды 17, а в момент времени t₁₆ - на затворные электроды 18. С момента времени t₁₃ начинается очередной цикл формирования зарядов Q_н.

Далее под действием фазных напряжений, подаваемых на шины 19-21, заряды Q_н последовательно перемещают вдоль регистра к его выходному устройству, которое формирует импульсы выходного сигнала, соответствующие Q_н. Это происходит следующим образом. В момент времени t₁₃ на затвор транзистора Т6 подают отпирающее напряжение, на электроде 23 устанавливается то постоянное напряжение, которое подают на сток транзистора Т5.

В момент времени t₁₅ подают запирающее напряжение на затвор 26 транзистора Т5 , а электрод 23 остается под плавающим потенциалом. В момент времени t₁₇ подают запирающее напряжение на шину 20, заряд Q_нпереходит под электрод 23 и момент меняет плавающий потенциал электрода 23 на величину U_т6 = Q_н/C_т, где С_т - суммарная емкость электрода 23, затвора транзистора Т6, истока транзистора Т6, истока транзистора Т5 и соединяющей их шины. Транзистор Т6 обычно ставится в режим истокового повторителя так, что U_т6 дает значение напряжения импульсов выходного сигнала. Из приведенных формул следует, что напряжение импульсов выходного сигнала
U_с(k)= Q_n
Для однородности преобразования требуется одинаковое значение коэффициента С_в/С_ф. Этот коэффициент будет одинаковым при равенстве площадей соответствующих структур. Это требование выполнимо, так как в предлагаемом устройстве имеет место топологическая идентичность всех его входных электродов 12 и всех его фотодиодов 1.

В предлагаемом устройстве кодирование производится не по классическим, а по модифицируемым функциям Уолша. Пусть х обозначает порядковый номер фоточувствительного элемента, отсчитанный по оси х, а k обозначает порядковый номер элементарной функции из семейства функции Уолша. Числа х и k принимают значения от 0 до N-1. Разложение по модифицированным функциям Уолша имеет вид
U(k)=F(x) wal^*(k,x), где wal^*= [wal (k,x)+1] - модифицированная функция Уолша;
wal(k,x) - классическая функция Уолша;
F(x) - величина, пропорциональная освещенности фоточувствительного элемента с координатой х;
U(k) - величина выходного напряжения (кодированного сигнала), соответствующего элементарной функции с порядковым номером k. В этой и последующих формулах нормирующий коэффициент опущен, так как функционирование предложенного устройства не зависит от конкретного значения этого коэффициента. Задача пространственного ортогонального преобразования или, что для данного устройства то же самое, задача формирования сигналов изображения состоит в том, чтобы на выходе прибора получить сигналы, величина которых представляет значения трансформант, т.е. U(k), для k от 0 до N-1. Функции Уолша wal (k , x ) принимает только два значения +1 или -1. Поэтому модифицированная функция Уолша wal^*(k,x)= [wal(k,x)+1] принимает только два значения 0 или +1. Это означает, что для каждого отсчета U(k) нужно выполнить единственное действие - получить сумму сигналов с тех фоточувствительных элементов, для которых wal* ( k,x ) =1. Разложение по классическим функциям Уолша, т.е. wal (k , x ) , требует большего числа действий: надо получить сумму cигналов с тех фоточувствительных элементов, для которых wal (k, x ) > 0, получить сумму сигналов с тех фоточувствительных элементов, для которых wal (k, x ) < 0, вычесть из первой суммы вторую. Троекратное уменьшение числа необходимых действий соответственно упрощает само устройство и управление им.

Рассмотренное преобразование называют прямым в отличие от обратного, когда по известным значениям U(k) восстанавливают функцию F(х). Обратное преобразование по модифицированным функциям Уолша имеет следующий вид:
((w,)(k)[wal(k,x)+1]=
Первая сумма дает F(х), а вторая - не зависящую от х величину. Видно, что при таком преобразовании происходит изменение постоянной составляющей. Это является некоторым недостатком кодирования по модифицированным функциям Уолша по сравнению с кодированием по классическим функциям Уолша. Для большинства задач величина постоянной составляющей не содержит полезной информации. Кроме того, постоянная составляющая может быть установлена с помощью внешнего устройства. Так что преимущество устройства, основанного на модифицированных функциях Уолша, существенно превышает его недостаток.

В предлагаемом устройстве связанная с выходным электродом 12 шина объединяет кодирующие конденсаторы с обкладками 8 и 9. Каждая такая шина расположена вдоль той же оси, что и фотодиоды. При этом координате х фотодиода 1 соответствует такая же координата кодирующего конденсатора. Наличие или отсутствие в кодирующем конденсаторе экранирующего электрода 9 соответствует заданной для данной шины функции wal* (k, x ).

Для тех х, при которых wal* (k, x ) =1, экранирующий электрод 9 отсутствует, а для тех х, для которых wal* (k, x ) = 0, такой электрод есть. Поэтому здесь напряжение импульсов выходного сигнала определяется формулой
U_к= Q_ф(x) wal^*(k,x), где Q_ф(х) - заряд, накопленный в фотодиоде с порядковым номером х. Так как Q_ф(х) ≈ F(х), то это означает, что импульсы выходного напряжения представляют собой трансформанты разложения функции F(х) по модифицированным функциям Уолша.

Использование: полупроводниковая электроника, в системах обнаружения, передачи и анализа изображений. Сущность изобретения: фотоэлектрический формирователь сигналов, кодированных функциями Уолша, содержит на полупроводниковой подложке фотоэлектрический преобразователь с фотодиодами, секции кодирования и секцию считывания, в фотоэлектрический преобразователь введен ряд истоковых повторителей и ряд транзисторов сброса, при этом каждый фотодиод присоединен к входу истокового повторителя и к истоку транзистора сброса. Затворы и стоки транзисторов сброса, а также истоки и стоки истоковых повторителей присоединены к соответствующим им выводным шинам. Секция кодирования выполнена в виде ячеек, каждая из которых содержит МДП - конденсатор, одна обкладка которого присоединена к вертикальной шине, а другая - к горизонтальной шине, при этом в соответствии с заданной функцией кодирования часть МДП - конденсаторов имеет между обкладками экранирующий электрод, присоединенный к полупроводниковой подложке, горизонтальные шины присоединены к выходам истоковых повторителей, а вертикальные шины присоединены к истокам дополнительных транзисторов сброса, причем затворы и стоки этих транзисторов сброса присоединены к соответствующим им выводам шинам. Секция считывания содержит ряд входных электродов, опорных электродов, затворов стока и дополнительных стоков, барьерные, накопительные и затворные электроды, разделенные соответственно входным электродам, которые присоединены к вертикальным шинам. 7 ил.

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ФОРМИРОВАТЕЛЬ СИГНАЛОВ, КОДИРОВАННЫХ ФУНКЦИЯМИ УОЛША, включающий ряд из N фотодиодов, ряд строчных шин, число которых равно числу функций Уолша, по которым производится кодирование, а также барьерные электроды, накопительные электроды, затворные электроды и транзисторы сброса по числу строчных шин, причем транзисторы сброса присоединены истоками к строчным шинам, а барьерные электроды, накопительные электроды и затворные электроды поставлены в последовательную зарядовую связь со своими строчными шинами, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, введено N истоковых повторителей и N транзисторов сброса, каждый фотодиод присоединен к входу истокового повторителя и истоку транзистора сброса, затворы и стоки транзисторов сброса, а также истоки и стоки истоковых повторителей присоединены к соответствующим им выводным шинам, а секции кодирования выполнены в виде ячеек, каждая из которых содержит МДП-конденсатор, одна обкладка которого присоединена к вертикальной шине, а другая - к горизонтальной шине, при этом часть МДП -конденсаторов имеет между обкладками экранирующий электрод, присоединенный к полупроводниковой подложке, горизонтальные шины присоединены к выходам истоковых повторителей, а вертикальные шины присоединены к истокам дополнительных транзисторов сброса, причем затворы и стоки этих транзисторов сброса присоединены к соответствующим им выводным шинам, секция считывания содержит ряд входных и опорных электродов, затворов стока и дополнительных стоков, барьерные, накопительные и затворные электроды, разделенные соответственно входным электродом, присоединены к вертикальным шинам, выходной регистр с электродами переноса, при этом каждый входной электрод последовательно соединен с опорным электродом, затвором стока и стоком, а опорные электроды имеют зарядовую связь через барьерный, накопительный и затворный электроды с электродами выходного регистра, последовательно соединенные между собой, при этом опорные электроды, затворы стоков, стоки, барьерные, накопительные и затворные электроды присоединены к соответствующим им выводным шинам, причем распределение по секции кодирования конденсаторов, имеющих экранирующий электрод и не имеющих такого, соответствует заданной функции кодирования, причем секция кодирования выполнена в виде ячеек, каждая из которых содержит МДП-конденсатор, одна обкладка которого выполнена в виде диффузионной области, кодирующий электрод, слой диэлектрика, полупроводниковую подложку.