Координатный фотопреобразователь с цифровым выходом Советский патент 1992 года по МПК H03K17/78 

Изобретение относится к области, импульсной техники и может быть использовано в устройствах измерения перемещений, углов поворотов и других неэлектрических величин в автоматизированных системах управления.

Известны координатные фотоприемники, выходной сигнал которых определяет координату светового пятна на фоточувствительной поверхности. Этот сигнал, как правило, является аналоговым, что снижает его помехозащищенность по сравнению с цифровым сигналом. К тому же при интегральном способе изготовления известных координатных фотоприемникрв, когда существенно снижается площадь их

фоточувствительной поверхности, выход- . ной сигнал также уменьшается и для усиления необходимо располагать приемно-усилитель- ными устройствами. Так. например, датчик линейных перемещений К849ПП1, представляющий собой гибридную оптоэлектронную микросхему с открытым оптическим каналом, содержит диодную позиционно-чувст- вительную оптопару и согласованный с ней усилитель. Это усложняет устройство конструктивно и схемотехнически, а представление выходного сигнала в аналоговой форме снижает его помехозащищенность.

Наиболее близким к предлагаемому является фотопреобразователь малых перемещений с цифровым выходом, выполненный

NJ

ГО

ел

CJ 00

ся

на кристалле кремния размером ,5 мм и содержащий два биполярных фототранзистора, усилитель постоянного тока, состоящий из двух дифференциальных усилителей, схему смещения уровня, триг- rep Шмитта и формирователь прямоугольных импул.ьсов.

При освещении фототранзисторов возникающий в эмиттерных цепях фототек по ступает на вход первого дифусилителя, который является одновременно усилителем постоянного тока и преобразователем светового сигнала в электрический. После предварительного усиления аналоговый сигнал поступает на вход триггера, С выхо- да триггера сигнал, преобразованный в прямоугольный импульс, поступает на формирователь импульсов, где усиливается до амплитуды, соответствующей ТТЛ уровню, формируется и подается на выход мик- роехемы. При изменении освещенности фототранзисторов меняется фототек, что приводит к изменению длительности прямоугольного выходного импульса,;

Однако при интегральном способе изго- товления микросхему фототранзйсторы имеют фоточувствительную поверхность малых размеров. Поэтому генерируемый ими фототек, пропорциональный фоточувствительной поверхности фотоприемника, имеет малую величину и для его- усиления необходимо использовать в составе микросхемы два дифференциальных усилителя, зеркальный канал щеточник тока и схему смещения уровня, что соответствует схеме операционного усилителя (ОУ) К 140 УД2. Следует отметить, что ОУ К 140 УД2 представляет собой девятиполюсник, состоящий из 47 элементов - транзисторов, диодов, резисторов, для питания которого требует- ся двухполярное напряжение, Если учесть, что в состав известного устройства для последующего преобразования аналогового сигнала в цифровой входят триггер Шмитта и формирователь импульсов, станет ясно, что оно представляет собой сложное микроэлектронное устройство, Для безотказной работы которого помимо высокой технологической.культуры изготовления требуется его тщательная настройка и регулировка. Кроме того, известный фотопреобр 3:зова- тель имеет световой порог срабатывания 20 Вт/м2 (это соответствует освещенности примерно 400 лк), определяемый входным током первого дифференциального усили- теля, который должен быть меньше, чем фо- тотоктранзисторов. В противном случае произойдет шунтирование этого тока входным сопротивлением дифусилителя. Поскольку фототок прямо пропорционален

площади фоточувствительной поверхности и интенсивности освещения, то при уменьшении площади фотоприемника необходимо увеличивать его освещенность для обеспечения нормальной работы устройства. Таким образом, в интегральном исполнений известного устройства происходит снижение его чувствительности (увеличение светового порога чувствительности), которое приходится компенсировать применением ОУ с большим коэффициентам усиления.

Цель изобретения - повышение чувствительности в интегральном исполнении.

Поставленная цель достигается тем, что предлагаемый координатный фотопреобразователь с цифровым выходом, содержащий фотоприемник,- дополнительно содержит генератор переменного напряжения, а фотоприемник выполнен в виде МДП-тра нзи-: стора с включенной в цепь затвора фотовольтаической батареей, состоящей из последовательно соединенных р-п-перехо- дов, полярность включения которой определяется типом проводимости канала МДП-транзистора, причем источник излучения, оптически связанный с фотовольтаической батареей через экран со щелью, включен в выходную цепь МДП-транзистора последовательно с нагрузочным резистором, при этом выход генератора переменного напряжения подключен к свободному полюсу фотовольтаической батареи, а два других вывода генератора переменного напряжения соединены с соответствующими шинами питания, к одной из которых подключен свободный вывод источника излучения.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого фотопреобразоватёля; на фиг,2 - передаточная характеристика МДП- фотоприемника с источником излучения в выходной цепи; на фиг.3 - временная зависимость выходного напряжения предлагаемого фотопреобразователя; на фиг.4 - график зависимости фото-ЭДС фотобатареи от освещенности; на фиг.5 - временная зависимость напряжения генератора; на фиг,6 - временная зависимость напряжения на затворе МДП-транзистора с включенным генератором ЛИН; на фиг.7- принципиальная электрическая схема фотопреобразователя.

В соответствии со структурной схемой координатного фотопреобразователя (фиг.1) выход генератора 1 подключен ксво- бодному полюсу фотовольтаичеекой батареи 2, второй полюс которой соединён с затвором МДП-транзистора 3. Фотобатарея 2 состоит из заданного числа последовательно соединенных p-n-переходов, причем юлярность включения фотобатэреи 2 определяется типом проводимости канала МДП-транзистора 3. Фотобатарея 2 и МДП-транзистор 3 составляют МДП-фото- приемник, в выходную цепь кот9рого последовательно с нагрузочным резистором 4 включен источник 5 излучения (светодиод или миниатюрная лампа накаливания), Между источником 5 излучения и фотобатареей 2 размещен подвижный световой экран б со щелью, жестко связанный с объектом, перемещение которого необходимо измерить.

Координатный фотопреобразователь работает следующим образом.

Включение источника 5 излучения в выходную цепь фотоприемника, образующего с ним оптическую обратную связь (в рассматриваемом примере - положительную), позволяет получить спусковое устройство, обладающее двумя устойчивыми состояниями равновесия. Определяют исходное со- стояние как темповое (источник 5 не излучает), а второе устойчивое состояние - световое (источник 5 излучает). В исходном, состоянии на входе фотоприемника и на затворе МДП-транзистора 3 напряжение близко нулю (или, по крайней мере, меньше порогового Unop) и в его выходной цепи тока нет. Следовательно, источник 5 излучения не излучает и на фотобатарее 2 фото-ЭДС равна нулю. При увеличении потенциала на затворе (например, от дополнительного источника) до напряжения, равного пороговому Unop, в выходной цепи МДП-транзиетора 3 начинает протекать ток, вызывающий появление излучения, попадающего на фото батарею 2. При соответствующем выборе количества включенных в фотобатарею 2 р- n-переходов под действием излучения от источника 5 возникает фото-ЭДС, усиливающая процесс открывания МДП-транзистора 3 и, следовательно, излучающую способность источника излучения 5. Происходит скачкообразный переход устройства из одного устойчивого состояния в другое. На затворе МДП-транзистора 3 устанавливается напряжение Уз, равное сумме напряжения фото-ЭДС фотобатареи 2 ифБ и входного напряжения Dux; Уз ифБ + UBX. При этом Us Unop.

Учитывая, что фото-ЭДС нелинейно зависит от освещенности Е (иф In E), ее величина при соответствующем подборе источника излучения 5 и МДП-транзистора 3 с требуемой крутизной достигает насыщения иФ.нас6 и мало меняется при дальнейшем увеличении освещенности (или тока в -выходной цепи МДП-транзистора 3)(фйг.4). На выходе устройства устанавливается низкий

(почти нулевой) потенциал (фиг.2). Такое состояние будет сохраняться до тех пор. пока напряжение на входе UBX фотоприемника не снизится до значения, при котором UBx +

5 ШФБ Unop. В этом случае уменьшение тока в выходной цепи фотоприемника и, следовательно, уменьшение яркости источника 5 приведет к падению фото-ЭДС фотобатареи 2 до уровня, при котором начнется лавино10 образный процесс запирания МДП-транзистора 3. Устройство переключится в исходное (темновое) состояние, а на его выходе снова установится высокий потенциал (фиг.2).

15 Количество p-n-переходов, входящих в состав фотовольтаической батареи 2, задают исходя из величины1 порогового напряжения Unop МДП-транзистора 3 и мощности излучения источника 5, Фото-ЭДС на фо0 тобатарее 2 определяется суммой УФ

N

Y фото-ЭДС Уф, входящих в ее состав N последовательно включенных р-п- переходов, и совместно с входным напряжением UB управляет работой МДП- транзистора 3. При этом ифБ должна находиться в пределах 0 Уф Unop- Учитывая, что Unop обычно равняется 2...6 В, а фото- ЭДС на p-n-переходе при облучении мини- атюрным маломощным источником излучения (например, светодиодом) состав- ,2...0,3 В, число р-п-переходов N фотобатареи выбирают от 10 до 20..

Подключение генератора 1 периодически изменяющегося переменного напряжения в качестве источника входного напряжения к свободному полюсу фото- вольтаической батареи 2. второй полюс которой соединен с затвором МДП-транзистора 3, создает возможность повышать и понижать потенциал затвора МДП-транзистора 3 до уровня, позволяющего получать на выходе предлагаемого устройства последовательность прямоугольных импульсов, длительность которых определится величиной фото-ЭДС фотобатареи 2 при неизменных характеристиках выходного сигнала генератора.:, :

Переключение из темнового в световое состояние происходит когда Ш UBX Упор. Так как в темнрвом состоянии.ифБ . 0, то UBX Упор. Из светового (ифБ т 0) в тем н о во е состоя н ие устрой ство пе ре кл юча- ется при;

Уз UBXI иФ1Б Unop,

Очевидно, что чем меньше фото-ЭДС на фотобатарее 2, тем больше напряжение UBX необходимо прикладывать для переключения устройства в исходное состояние. Так,

5

0

5

0

5

О

5

жается через открытый транзистор 9 до напряжения питания Цпит- После окончания импульса конденсатор-11 разряжается через транзистор 10, сопротивление канала которого RIO поддерживается на требуемом уровне делителем 12, 13 напряжения. Причем Rio «Rg, когда транзистор 9 закрыт,и Rio Rg, когда транзистор 9 открыт. Постоянная времени разряда конденсатора 11 Ts RiqCii.

Предлагаемое устройство по предлагаемой схеме изготавливают по стандартной интегральной КСДИ-технологии (кремниевая с диэлектрической изоляцией), приме-, няемой в микроэлектронике. На пластине из поликремния формируют заданное число изолированных слоем SlOa карманов, заполненных моиокристаллическим кремнием, например КДБ-4,5 с кристаллографической ориентацией (100), в которых формируют диффузией примеси требуемой концентрации элементы устройства. При этом обязательным условием является создание каждого р п-перехода фотобатареи, 2 в отдельном изолированном кармане, чем обеспечивается возможность их последовательной коммутации. После диффузии проводят операции окисления для создания подзатворного диэлектрика, химического травления, фотолитографии, химобработки поверхности пластины, напыления алюминия для металлизации, скрайбирования, корпусирования.

Так как p-n-переходы фотовольтаиче- ской батареи 2 включены в затворную цепь МДП-транзистора 3, то работают они практически в режиме холостого хода (входной ток МДП-транзистора 3 составляет порядка - 10И2 А). Для фотобатареи 2 из N последовательно включенных идентичных p-n-переходов в режиме холостого хода ифБ, как известно, определяется соотношением

Б

N

,„ (&.,),

- фототек, пропорциональный освещенности Ё;

.Ь-ток насыщения.

Отношение токов через p-n-переход не зависит от его площади, поэтому при со хранении высокой фбточувствительности батареи 2 отдельные p-n-переходы ее формируют в карманах не более мкм . При этом фотобатарею 2 выполняют в виде линейки р-п-переходов на площади не более мкм2 по поверхности пластины. Учет этого обстоятельства позволяет спроектировать топологию микросхемы для полупроводникового кристалла размером

2x3 мм , разместив его в одном из стандартных корпусов для ИМС, например, типа

то-5. .. : :-,.. . .... .

Источник 5 излучения - светодиод со 5 спектрально согласованной с фототранзистором характеристихо й излучения (Ят - 0,8...0,9 мкм), например, АЛ 103 А или АЛ 106 А, располагают над полупроводниковым кристаллом, закрепляя его на расстоя0 нии 3-5 мм от его Поверхности, обеспечивая возможность размещения в указанном зазоре подвижного светового экрана со щелью 6. , V - ;

Применение координатного фотр5 преобразователя с цифровым выходом в контроль-измерительной аппаратуре различного Назначения упрощает его конструктивно и схемотехнически при одновременном обеспечении высокой

0 чувствительности. Выходной сигнал предлагаемого устройства обладает мощностью, достаточной для его считывания непосредственно индикаторными устройствами без предварительного усиления. Цифровая фор5 ма выходного сигнала существенно упрощает его преобразование в цифро-буквенную индикацию, обеспечивая высокую разрешающую способность и помехозащищенность. Координатный фотспреобразователь может

0 быть без труда реализован технологическими средствами современной микроэлектроники на серийном оборудовании, применяемом при производстве МДП- структур. По сравнению с известной мйк5 росхемой, выполненной на основе биполярных транзисторов, предлагаемое устройство на МДП-структурах требует для своего изготовления примерно на 30% меньше технологических операций, что сни0 жает затраты на его производство. Формула изобретения Координатный фотопреобразователь с цифровым выходом, содержащий фотоприемник, отличаю щи и с я тем, что, с целью

5 повышения чувствительности в интегральном исполнении, в него введен генератор переменного напряжения, фотоприемник выполнен в виде МДП-транзистора, в цепь затвора которого включена фото вольта иче0 екая батарея, состоящая из последовательно соединенных р- п пёреходов. причем полярность включения фЬтовольтаической батареи определяется типом проводимости канала МДП-транзистора, источник излуче5 ния, оптически связанный с фотовольтаиче- ской батареей через экран с щелью, включен в выходную цепь МДП-транзистора последовательно с нагрузочным резистором, выход генератора переменного

напряжения подключен к свободному полюсу фото врльтаичес кой батареи, два других вывода генератора переменного напряжения соединены с соответствующими шинами питания, к одной из которых подключен свободный вывод источника излучения;

Координатный фотопреобразователь с цифровым выходом предназначен для работы в устройствах точного позиционирования в качестве датчика микроперемещений. Целью изобретения является упрощение фртопреобразователя и повышение его чувствительности в интегральном .исполнении. В координатный фотопреобразователь, содержащий фотоприемник, введен генератор переменного напряжения. Фотоприем- ник выполнен в виде МДП-транзистора с включенной в цепь затвора фотовольтаи- чёской батареей, состоящей из заданного числа последовательно соединенных р-п- переходдв, причем выход-генератора подключен к свободному полюсу фотобатареи, второй полюс которой соединен с затвором МДП-транзистора. Координатный фотопреобразователь может Сыть использован в качестве измерительного преобразователя неэлектрических величин (ускорения, давления, и.т.п.). 7 ил. 5S Ё

Ри.2

Ј/

#х

ъ0

ftst. 5

,

Y

Риг.4

. :