Преобразователь интенсивности света в частоту Советский патент 1991 года по МПК G01J1/44 

i:i

i

-в

1 Изобретение относится к фотометрии и микроэлектронике и может быть использовано при создании многоэлементных интегральных фотоприемных устройств (ФПУ),

Целью изобретения является упрощение преобразователя за счет введения многофункциональности мспрльзуемь ч е преобразователе элементов и использования динамических свойств МДП-транзисто- ров.

На фиг. 1 представлена функциональная схема преобразования интенсивности света в частоту; на фиг. 2 - то же, пример выполнения по интегральной .МОП-технологии,

Схема содержит фотоэлектрический преобразователь 1 интенсивности, свэта Е, ток, интегрируюший элемент 2, ключевой МДП-транзмстор 3, аналоговый инвертор 4. нагрузочный МДП-транзистор 5, емлосгь плавающего узла 6, образованного стоком транзистора 3, истоком транзистора 5 и входным узлом 25 инвертора 4,

К стоку транзистора Б прикладывается напряжение питания, наибольшее по абсолютной величине напряжение на схеме, а к затвору транзистора 5, равное или меньшее постоянное напряжение, тек, чтобы при протекании тока через этот транзистор он находился в пологой области характеристики. В исходном состоянии ток через транзистор Б из течег. С юоное напряжение с затвора транзистора 5 за вылетом поро-оао- го напряжения передается на исток лого транзистора, далее через инвертор 4 (на выходе ноертора уже низкое напряжение) прикладывается к затвору МДП-трзнзисто- ра 3, создавая барьер для накапливаемых в интегрирующем элементе носителей.

Гок с преобразователя 1 интенсивное,.и света разряжает интегрирующий элемент 2 и напряжение на нем по абсолютное величине уменьшается. При разрздке интегрирующего элемента до потенциала задаваемого барьером, носители из истока МДП-транзистора 3 диффундируют а зго сток, понижая потенциал узла сгок транзистора 3 - четок транзистора 5 - входной узел инвертора.

Зто изменение потенциала через инвертор пеоздается на затвор транзистор 3 и 1юяихсазт барьер для носителей, накопленных з слеманте 2. Блзгодаоэ тельной обратной связи происходит лавинообразный сброс накопленных носителей в область истока транзистора 3 (прм этом интегрирующий элемент заряжаете) Так как г:атенипзл- зла 6 понижаемся появляется -А есзрастаетток через тоанзмстои 5 Крутизна транзистора 3 должна быть много

больше крутизны транзистора 5, чтобы обеспечить необходимое запаздывание процесса сброса носителей из плавающего узла в сток транзистора 5.

В конце концов ток через транзистор 5

достигает уровня тока через транзистор 3, лавинообразный процесс прекращается и оминаетСР гроцесс восстановления исходного состояния преобразователя, в ходе

которого емкость узаа о продолжает заряжаться (носители сбрасываются из этого узла в сток транзистора 5) до уровня, определяемого напряжением иг затворе транзистора 5. г с помощью зьтвооз тра иотора 3 восстанавливается исходный потенциальный барьер для носителей из интегрирующего элемента.

Затем преобразователь возвращается в исходное состотние v опять начинается

процесс интегрирования ока, длительность которого обратно пропорциональна интен- СИБНОСТИ света. Выходной сигнал может сниматься в виде цепочка коротких сов напряжения с выход инвертооа 4, либс

в виде цепочки зарядовых гэкзтов со сгок тоакзистора 5

Параметры преобразователя. кр т/ знз 01 vi 92 транзисторов 3 / 5, козффицизнт К передачи инвертора, К dU3bix/dUBx, при

которых преобразователь работоспособен. Если релаксационных колебаний возни- , то стационарный тог преобоа- зовзт-.яя 1 штенсивности света чере.э транзисторы 3 и 5 в сток /рзнзистооз 5

Допустим, ч го из-за шумов возникла флукту- ацмя напряжения du3x на емкости узла 6 Ска вызовет изменение тока сЯг через транзистор 5 diz gadL sx. Эта жа фпуктуация через инвертор прикладывается к транзистору 3 и вызывает изменение тока dh через чзго dh -gidUBbix giKdUCx -giiKloU3x. Условием возникновения неустойчивости, г гиалит и релаксационных колебаний оудет

следующее неравенство: -

di2Q2

хотороа на практике легко выполнись,

На фиг. 2 ггриведен пример ного рыполнечия на полупроводниковой подложке i преобразователя ы.тенсивности

света в чратоту, в которое ооль фотозлект отческого преобразователя интенсивности с,ь-ета в ток и интогрирующето элемента выполняет непосредстзекно исток 8 ключевого транзистора (9 и 10, соответственно затвор и сток этого трачзиг.гора) ты нагрузочного транзистора:исток 10. эз- твор I , сток 12. В качестве инвертора используется цепсчча из двух МДП-тр&нзи- ui opoe, активный трзнзистоо 13 хсторсм

имеет высокое пороговое напряжен ,е 0-н дуцированный канал), а нагрузочный -транзистор 14 представляет собой D-нагрузчу (транзистор со встроенным каналом) Напряжение питания прикладывается к стою, МДП-транзистора 14 и через низкоо тнэе устройство, лбтектируюшее ммпул - к стоку 1 чагрузсчного р- з затвор 11 этого транзистора подаете1- о нов напряжение оазисе или емьшрс с. пояжения питания (за чычето пор- п напряжения отс напряжение дoлж ° тв по абсолютное величине меньше к п , имя на ьтоке) Преобразователь pf п е. тек же, чак у показанный иг фиг 1

Потребляемый схемой ток асть тс-ч -,. резинвертсо, ч тепчелмч ьыгаадс т родейств /е иьвертоо Пои е пыхоцного узга иьвертора равной / требуемое быстродействие 5x10 В/ (5 - амплмт /да выходною сигнала, i МГь. - г симальная частота преобразователя; се буемая скорость нарастания сигнат г выходе иивер i oca ожет быть получен - токе через инвартоо большем

CdUBbix/dt 02 10

Преобразсв зль харэктериз посстотой cxev(L н следователкно икоте5 высокой надекностью малым токопот еб лениег (неско/ьчо микроампер) noi-e

12х5чЮ6 10 б

TOio оно легчо реализуется в виде интегральной схемы по стандартной МОП-техно- и может служить базовым элементом для построения на одной подложке линейиатсго i-зли гтричного фотопреобразователя Та как выходной сигнал может u r t - - з тиде изпочк1 за - -fees (- лг 1рео5оЈзозательлегкосо- нр k t if LI c обработки

0 с ПСС PATIO S 1ки HO гом ке кри- тал|Г

л 7оСроге ИЯ ictoopp з a i ,-j (Ьтенсивности света сс..у ci- -e дни оецинеиные парал- -- не фо оопск рмчсс-сий преобразователь гтекм- ton сзета в ток и элемент, i тегоируо ий10 атэ хе клыевой МДП- ознзи тоо которого соединен с ин- и и. элр ошим эпел е том отличающий „ тем что с jf упрощения преобрасо- в не о заедены энагоговый иьвер- т- -лод i зьлод которого соединены С тчс со ,током и зaтвopo клю- - т-,го |,|Д тр-ьзисторэ при это выход .чре:гора первым выходом преоб- ьвагог.я НЗ ОУЗОЧНЫЙ МДП-тра нэи- с о с о ч: копт 1 о соединен со стоком кл о°евоги Tpaf.sMCiOps, а сток является вто- 3 JbiM ьгодом щ еобразователя