Устройство аналого-цифрового преобразования фототока в цифровой код Российский патент 2023 года по МПК H01L21/00 

Устройство для аналого-цифрового преобразования фототока в цифровой код относится к области интегральной микроэлектроники и предназначено для систем обработки оптической информации, в частности, при преобразовании сигнала в ячейках считывания фоточувствительных матриц.

За ближайшее к заявляемому техническому решению принято известное устройство для аналого-цифрового преобразования фототока в цифровой код, описанное в US 5461425 A (фиг. 1), выполненное на полупроводниковой подложке, содержащее входной транзистор, исток которого соединен с выходом фотодетектора, затвор соединен с шиной V_B, сток соединен с обкладкой емкости C_int, вторая обкладка которой соединена с шиной земли, сток входного транзистора соединен с выходом аналогового ключа RES, который управляется выходом операционного усилителя, вход которого соединен с шиной земли, выход которого соединен с одним из входов операционного усилителя, второй вход которого соединен с шиной V_REF, выход которого соединен во входом n-битного двоичного счетчика, выход которого соединен с шиной OUT.

В приведенном ближайшем аналоге недостатком является зависимость значений цифрового кода на выходе от задержки срабатывания компаратора - для разных значений входного сигнала компаратор срабатывает через разные промежутки времени, что приводит к нелинейности зависимости фототок/частота импульсов на выходе компаратора.

Проблема разного времени срабатывания компаратора в прототипе, которая является причиной нелинейности зависимости цифрового кода на выходе от фототока на входе, поясняется фиг. 2. Она заключается в непостоянстве времени срабатывания компаратора из-за зависимости от скорости заряда емкости интегрирования (C_int), напряжение на которой пропорционально силе фототока.

Задачей заявляемого изобретения является достижение постоянства времени срабатывания компаратора относительно силы фототока, более высокой частоты осцилляций, улучшения линейности.

Решение задачи обеспечивается тем, что устройство (фиг. 5), выполнено на полупроводниковой подложке, содержащей входной транзистор, исток которого соединен с выходом фотодетектора, затвор соединен с шиной V_B, сток соединен с обкладкой емкости C_int, вторая обкладка которой соединена с шиной земли, сток входного транзистора соединен с одним из входов аналогового ключа К1, выход которого соединен с обкладкой емкости C_int, вторая обкладка которой соединена с шиной земли, обкладка которой соединена с выходом ключа К2, вход которого подключен в шине V_INJ, выход которого соединен с выходом ключа RES, вход которого соединен с шиной земли, выход которого соединен с одним из входов операционного усилителя, второй вход которого соединен с шиной V_REF, выход которого соединен с вторым входом ключа K1, выход которого соединен с входом n-битного двоичного счетчика, выход которого соединен с шиной OUT.

Техническим результатом является более высокая частота осцилляций, улучшение линейности преобразования, постоянство времени срабатывания компаратора относительно силы фототока.

Сущность технического решения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми фигурами.

Фиг. 3 иллюстрирует работу предложенного устройства, где вверху показано изменение напряжения на емкости накопления (C_{int big}) но фоне постоянного напряжения опорного уровня компаратора (V_REF), а внизу, импульсы на выходе компаратора, которые затем считаются цифровым счетчиком (COUNTER). Накопление фотозаряда происходит на двух конденсаторах: большой (C_{int big}) и малой (C_int) емкости. При достижении опорного уровня компаратора (V_REF) большой конденсатор размыкается ключом K1 от входа компаратора, в это же время этот вход вместе со вторым конденсатором с малой емкостью подключается ко второму опорному уровню V_INJ, который меньше напряжения V_REF. Это приводит к быстрому переключению компаратора в исходное состояние, при этом малая емкость вычитает заряд с большой. Сигналом RES, который управляет одноименным ключом, задается время интегрирования - T_INT (фиг. 4). Когда ключ RES замкнут, то емкость накопления сидит обеими обкладками на земле, следовательно, интегрирование фототока на ней не происходит.

На Фиг. 5 представлена схема предложенного аналого-цифрового преобразователя фототока в цифровой код, где V_B - шина управления смещения фотодиода, V_INJ - шина опорного уровня, V_REF - шина опорного уровня компаратора, B_UPR, RES, K1, K2 - аналоговые ключи, OUT - шина выхода.

Недостатком прототипа является зависимость значений цифрового кода от задержки срабатывания компаратора, это ведет к нелинейности зависимости цифрового кода от фототока приемника.

В предложенной схеме независимость цифрового кода от задержки срабатывания компаратора можно объяснить тем, что с большой емкости (C_{int big}) происходит вычитание нормированных квантов заряда в течение всего процесса аналого-цифрового преобразования. Таким образом, система из двух конденсаторов работает как вычитатель нормированной порции заряда.

Высокая частота осцилляций вытекает из принципа работы устройства, так как отличие от прототипа емкость накопления сбрасывается не на землю, хотя регулировка через шину V_INJ допускает такую возможность.

Пример реализации: разработанная ячейка считывания преимущественно подходит для ФЧЭ, которые генерируют относительно высокие токи - десятки наноампер. Потенциальная область применения - малоформатные матрицы с большим шагом порядка 40 мкм с малым временем кадра - от 20 мкс и кадровой частотой от 20 кГц, в которых требуется высокая помехозащищенность. Разрядность АЦП от 8 до 15 бит. Рекомендуемое соотношение между большой и малой емкостями в ячейке 10 к 1 соответственно.

По линейности в результате эксперимента получены соотношения: при увеличении тока в 16 в случае прототипа значения цифрового кода вырастает в 12 раз, а в предложенной ячейке увеличение тока с 16 раз увеличивает значение цифрового кода в те же 16 раз, что говорит о высокой линейности.

Устройство для аналого-цифрового преобразования фототока в цифровой код относится к области интегральной микроэлектроники и предназначено для систем обработки оптической информации, в частности, при преобразовании сигнала в ячейках считывания фоточувствительных матриц. Задачей заявляемого изобретения является достижение постоянства времени срабатывания компаратора относительно силы фототока, более высокой частоты осцилляций, улучшения линейности. Решение задачи обеспечивается тем, что в отличие от прототипа сток входного транзистора соединен с одним из входов аналогового ключа К1, выход которого соединен с обкладкой емкости C_int, вторая обкладка которой соединена с шиной земли, обкладка которой соединена с выходом ключа К2, вход которого подключен в шине V_INJ, выход которого соединен с выходом ключа RES, вход которого соединен с шиной земли, выход которого соединен с одним из входов операционного усилителя, второй вход которого соединен с шиной V_REF, выход которого соединен со вторым входом ключа K1, выход которого соединен с входом n битного двоичного счетчика, выход которого соединен с шиной OUT. 5 ил.

Устройство аналого-цифрового преобразования фототока в цифровой код, выполненное на полупроводниковой подложке, содержащей входной транзистор, исток которого соединен с выходом фотодетектора, затвор соединен с шиной V_B сток соединен с обкладкой емкости C_{int big}, вторая обкладка которой соединена с шиной земли, отличающееся тем, что сток входного транзистора соединен с одним из входов аналогового ключа К1, выход которого соединен с обкладкой емкости C_int, вторая обкладка которой соединена с шиной земли, обкладка которой соединена с выходом ключа К2, вход которого подключен в шине V_INJ, выход которого соединен с выходом ключа RES, вход которого соединен с шиной земли, выход которого соединен с одним из входов операционного усилителя, второй вход которого соединен с шиной V_REF, выход которого соединен со вторым входом ключа K1, выход которого соединен с входом n битного двоичного счетчика, выход которого соединен с шиной OUT.