ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ФОРМИРОВАТЕЛЬ КОДИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ Советский патент 1995 года по МПК H01L27/148 

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

Целью изобретения является устранение указанного недостатка, а именно, повышение быстродействия.

Устройство поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлена электрическая схема; на фиг. 2, 3, 4 приведены структурная схема и эпюры потенциальных ям, индуцируемых в полупроводниковой подложке поданными на электроды напряжениями; на фиг. 5 представлены временные диаграммы напряжений.

Фотоэлектрический формирователь кодированных сигналов содержит ряд фотодиодов 1, ряд истоковых повторителей, составленных транзисторами Т₁, Т₂ и присоединенных стоками к выводной шине 2 ряд транзисторов сброса Т₃, затворы которых присоединены к выходной шине 3, а стоки к выводной шине 4. Секция кодирования этого формирователя составлена из ячеек, разделенных, например, стопорными диффузионными шинами, при этом каждая из ячеек содержит задающий электрод 5, базовый электрод 6, стоковый электрод 7, сток 8. В тех ячейках, которые должны участвовать в формировании импульсов выходного сигнала согласно заданной функции кодирования, имеется кодирующий электрод 9. Между электродами 5, 6, 7, 8 или 5, 6, 7, 8, 9, расположенными последовательно, имеется зарядовая связь. Задающие электроды 5, принадлежащие к одной строке секции кодирования, последовательно присоединены к выходу своего истокового повторителя, составленного транзисторами Т₁ и Т₂. Базовые электроды 6, стоковые шины 7 и стоки 8 присоединены к выводным шинам с той же нумерацией. Кодирующие электроды 9, принадлежащие к одной строке секции кодирования, присоединены к общей для них строчной шине, присоединенной к истоку транзистора сброса Т₄. Затворы транзисторов Т₄ присоединены к выводной шине 10, а стоки к выводной шине 11. К строчным шинам, объединяющим кодирующие электроды 9, присоединены выходные электроды 12.

Секция считывания содержит выходные электроды 12, опорные электроды 13, затворы стоков 14, стоки 15, барьерные электроды 16, накопительные электроды 17, затворные электроды 18, разделенные на строки соответственно выходным электродам 12 и объединенные выводными шинами с той же нумерацией. В секцию считывания входит также регистр, содержащий электроды переноса 19, 20, 21, разделительный электрод 22, плавающий электрод 23, затвор 24, сток 25, транзистор сброса Т₅, выходной транзистор Т₆, затвор транзистора сброса 26. На фиг. 2, 3, 4 слой диэлектрика 27, полупроводниковая подложка 28, t₁, t₂ и т.д. последовательные моменты времени, U напряжения на электродах, индексы U соответствуют номерам позиций. Штриховка показывает уровень заполнения потенциальных ям зарядами, а стрелки-направление переноса зарядов.

На выводные шины, отмеченные индексами на фиг. 5, кроме U_Т6 выходного напряжения, подают периодические импульсные напряжения, на остальные выводные шины постоянные напряжения.

Предлагаемое устройство функционирует следующим образом. В момент времени t₁ подают отпирающее напряжение через шину 3 на затворы транзисторов сброса Т₃. 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 задающих электродах 5. В этот же момент времени t₁ подают отпирающее напряжение через шину 10 на затворы транзисторов сброса Т₄, при этом на кодирующих электродах 9, на объединяющей их строчной шине и на выходных электродах 12 устанавливается то же самое напряжение, которое подают на шину 11. В этот же момент времени t₁ подают отпирающее напряжение на стоковые электроды 7 и затворы стоков 14.

В момент времени t₂ подают нулевое напряжение на стоки 8 и 15. Заряды из стоков 8 заполняют потенциальные ямы под электродами 5, 6, 7, 9. 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 8 и 15 возвращают к исходному значению. Происходит обратный отток зарядов в стоки 8 и 15 из потенциальных ям электродов 5, 6, 7, 9 и электродов 12, 13 14. При этом потенциальные ямы задающих электродов 5 оказываются заполненными зарядами до уровня потенциальных ям под базовыми электродами 6, а потенциальные ямы под выводными 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, на стоковые электроды 7, 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 р-n-переходе. В фотодиодах 1 происходит накопление зарядов, что приводит к изменению их потенциала на величину U_ф=Q_ф/С_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 выводах, к которым присоединены задающие электроды 5.

В момент времени t₅, который может совпадать с моментом времени t₁, подают запирающее напряжение на затворы 10 транзисторов Т₄. Присоединенные к истокам транзисторов Т₄ шины и связанные с ними кодирующие электроды 9 и выходные электроды 12 оказываются под плавающим потенциалом. Так как напряжение на задающем электроде 5 изменяется на величину U_ф, то из его потенциальной ямы в потенциальную яму кодирующего электрода 9 вытесняется заряд Q_к= U_фС₃, где С₃ емкость задающего электрода. Так как кодирующие электроды 9, выходной электрод 12 и связывающая их шина, имеющие суммарную емкость С находятся под плавающим потенциалом, то их потенциал, в том числе, потенциал выходного электрода 12 изменится на величину
U_кQ_ф, где суммирование происходит только по тем фотодиодам, для которых имеется кодирующий электрод 9 в том ряду кодирующих ячеек, к которому принадлежит данный выходной электрод 12. Суммирование осуществляется одновременно и раздельно для всех выходных электродов 12. Так как напряжение на выходном электроде 12 изменяется на величину U_к, то из его потенциальной ямы в потенциальную яму накопительного электрода 17 вытесняется заряд Q_н=U_кС_в, где С_в емкость выходного электрода 12. Из приведенных формул следует, что
Q_н= ΣQ_ф.

В момент времени t₁₂ на барьерные электроды 16 подают запирающее напряжение. Накопление зарядов Q_н под накопительными электродами 17 прекращается. В этот 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 13. С момента времени t₁₃ начинается очередной цикл формирования зарядов Q_н. Далее под действием фазных напряжений, подаваемых на шины 19, 20, 21 заряды Q_н последовательно перемещаются вдоль регистра к его выходному устройству, которое формирует импульсы выходного сигнала соответствующие Q_н. Это происходит следующим образом. В момент времени t₁₃ на затвор 26 транзистора сброса Т₅ 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 изменяет плавающий потенциал электрода 23 на величину U_Т6=Q_н/С_т, где С_т суммарная емкость электрода 23, затвора транзистора Т₆, истока транзистора Т₅ и соединяющей их шины. Транзистор Т₆ обычно ставится в режим истокового повторителя так, что U_Т6 дает значение U_с напряжения импульсов выходного сигнала. Из приведенных формул следует, что
U_c=U= Q_ф
Для однородности преобразования во всех столбцах устройства требуется иметь одинаковым для них значение коэффициента С₃С_в/СС_фС_т. Этот коэффициент будет одинаковым при равенстве площадей соответствующих электродов и соединяющих их шин. Это требование выполнимо, так как в предлагаемом устройстве имеет место топологическая идентичность всех его столбцов и строк.

В предлагаемом устройстве кодирование проводится не по классическим, а по модифицированным функциям Уолша. Пусть k обозначает порядковый номер фоточувствительного элемента отсчитанный по оси k, а К обозначает порядковый номер элементарной функции из семейства функций Уолша. Числа k, К принимают значения от 0 до N 1. Разложение по модифицированным функциям Уолша имеет вид
U(K) F(k)wal^* (K,k), где wal^* (K,k) wal (K,k)+1 модифицированная функция Уолша, wal(K, k) классическая функция Уолша, F(k) величина пропорциональная освещенности фоточувствительного элемента с координатой k, U(K) величина выходного напряжения (кодированного сигнала), соответствующего элементарной функции с порядковым номером К.

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 кодированных сигналов изображения, состоит в том, чтобы на выходе прибора получить сигналы, величина которых представляет значения трансформант, т.е. U(K) для К от 0 до N-1.

Функция Уолша wal(K, k) принимает только два значения +1 или -1, см. например (3, 4). Поэтому модифицированная функция Уолша
wal^* (K, k) wal (K,k)+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, k)=1.

Заметим, что разложение по классическим функциям Уолша, т.е. по wal(K, k), как в известных аналогах (2, 3) требует большего числа действий; надо получить сумму сигналов с тех фоточувствительных элементов, для которых wal(K, k)>0, получить сумму сигналов с тех фоточувствительных элементов, для которых wal(K, k)<0, вычесть из первой суммы вторую. Троекратное уменьшение числа необходимых действий соответственно упрощает само устройство и управление им. Такое преобразование называют прямым в отличие от обратного, когда по известным значениям U(K) восстанавливают функцию F(k). Обратное преобразование может, например, производить представленное в (2) устройство. Заметим следующее. Обратное преобразование по модифицированным функциям Уолша имеет следующий вид
F^*(k)U(K) wal^* (K,k)
U(K)wal (K,k)+1U(K)wal (K,k + U(K)
Первая сумма дает F(k), а вторая независящую от координаты 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 преимущества устройства, основанного на модифицированных функциях Уолша, существенно превышают его недостаток.

В настоящем устройстве связанная с выходным электродом шина 12 объединяет кодирующие электроды 9. Каждая такая шина расположена вдоль той же оси, что и фотодиоды. При этом координате кодирующего электрода 9 соответствует такая же координата k фотодиода 1. Наличие или отсутствие в ячейке кодирующего электрода 9 соответствует заданной для данного столбца функции wal*(K, k). Для тех k, при которых wal*(K, k)=1, кодирующий электрод в ячейке имеется, а для тех k, для которых wal*(K, k)=0, такого электрода в ячейке нет. Поэтому здесь напряжение импульсов выходного сигнала определяется формулой
U_c(K) Q_ф(k) wal^* (K,k)
Так как Q_ф(k) ≈F(k), то это означает, что импульсы выходного напряжения U_с(К) представляют собой трансформанты разложения функции F(k) по модифицированным функциям Уолша.

Использование: фотоэлектрический формирователь кодированных сигналов относится к устройствам для преобразования оптических изображений в электрический сигнал. Сущность изобретения: с целью повышения быстродействия в фотоэлектрический формирователь кодированных сигналов, содержащий ряд фотодиодов, секцию кодирования и секцию считывания с преобразователями напряжения в заряд, секция кодирования выполнена в виде ячеек, каждая из которых содержит задающий, базовый, кодирующий, стоковые электроды и сток. Все электроды имеют последовательную зарядовую связь. Задающие электроды, принадлежащие к одному столбцу секции кодирования, присоединены через истоковый повторитель к фотодиоду этого столбца. Базовые, стоковые электроды и стоки всех ячеек присоединены к выводным шинам, а кодирующие электроды объединены стоковыми шинами. 5 ил.

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ФОРМИРОВАТЕЛЬ КОДИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ, содержащий ряд фотодиодов, секцию кодирования и секцию считывания с преобразователями напряжения в заряд, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, секция кодирования выполнена в виде ячеек, каждая из которых содержит задающий, базовый, кодирующий, стоковый электроды и сток, имеющие последовательную зарядовую связь, при этом задающие электроды, принадлежащие к одному столбцу секции кодирования, присоединены через истоковый повторитель к фотодиоду этого столбца, базовые стоковые электроды и стоки всех ячеек присоединены к выводным шинам, а кодирующие электроды объединены стоковыми шинами.