Полупроводниковый преобразователь Советский патент 1985 года по МПК H01L31/04 

Изобретение относится к области безвакуумных фотоэлектрических сканируемых устройств. Известно, что передача икформаци об изображении в форме значений составляющих пространственно-частот ного спектра изображения, а ,не в форме видеосигнала, во многих случаях оказывается предпочтительной Известны как оптические, .так и опто электровные:методы разложения ана. лизируемойфункции.в обобщенньй ряд по полному ортогональному базису, например, построенному по базису Уолша-Адамара. Известно устройство, содержащее матрицу фотоприемных элементов, две линейки ключевых .элеметов, два гене ратора селекторных импульсов, общий усилитель считывания, совмещающее функции фотоприемного и маскирующег элементов ClJНедостатком этого устройства явл ется то, что синтезируются маски, содержащие невоспринимающие свет элементы: маски двуградационные О и 1, т.е. имеют место потери свет вой энергии. Известен полупроводниковьш преоб разователь энергии светового излучения в электрический сигнал, содер жащий матрицу элементарных ячеек с фотоприемными элементами и системой токоотводящих вертикальных и горизонтальнык шин, две линейки ключевых элементов, соединенных поэлементно с вьпсодами генераторов селекторных импульсов, включенных последоватедь с генератором тактовых импульсов, общий усилитель считывания с неинвертирующим и инвертирующим входами соединенными с выходами ключевых элементов одной из линеек, источник питания фотоприемных элементов матрицы 2J. В исходный момент времени на мат РИДУ фотоприемных элементов проецируется анализируемое распределение освещенности. На первом такте .на выходах генераторов селекторных импульсов формируется управляющая последовательность сигналов, распре деленная вдоль линеек ключевьк элементов. Через ключевые элементы линеек половина площадок фотоприемншсов одного столбца оказывается подключенными либо к положительному либо к отрицательному выходу дву12полярного источника питания Фотоприемники обладают симметрией к воздействию излу гения: генерируется ток положительной либо отрицательной полярности в зависимости от того к какому из выходов источника питания подключен данный столбец. Ключевые элементы второй линейки подключают строки матрицы либо к неинвертирующему, либо к инвертирующему входу общего усилия считывания. В усилителе сигналы суммируются и таким образом формируется иптегральньш сигнал, пропорциональный значению первой пространственио-частот пой составляющей спектра данного изображения. За NM тактов формируется полный . спектр изображения, NM.размерность матрицы. Недостатком устройства является ограниченное быстродействие: относительно большое время формирования каждого коэффициента, которое требует переключения полярности питающего напряжения на фотоприемном элементе. Переходные процессы проводят за время, сравниваемое с временем жизни неосновных носителей тока, созданных светом. Поскольку с целью повышения фоточувствительности время жизни носителей стремятся повысить, быстродействие оказывается ограниченным переходньп 1и процессами в фотоприемниках, а пе быстродействием обслуживающей схемы - усилителями и ключевы№1 элементами. Целью изобретения является повышение быстродействия путем уменьшения времени формирования коэффициентов пространственно-частотного разложения анализируемого изображения в обобщенный ряд Фурье при одновременном увеличении чувствительности. Поставленная цель достигается тем, что в известном полупроводниковом преобразователе энергии светового излучения в электрический сигнал, содержащем матрицу элементарных ячеек с фотоприемными элементами и с системой токоотводящих вертикальных и горизонтальных шин, две линейки ключевых элементов, соединенгшх поэлементно с выхЪдами генераторов селекторных импульсов, включенных последовательно с генераторами тактовых импульсов, общий усилитель считывания с неинвертирующим и инвертирующим входами, соедине1П1ыми с выходами ключевых элементов одной н линеек источник фотоприем ных элементов матрицы, каждая элеме тарная ячейка матрицы содержит допо нительно два МОП-транзистора и дополнительно введены поканальные усилители считывания и неинвертирую щим и инвертирующим входами, источник управляющего напряжения транзис торов, дополнительная система верти кальных и горизонтальных шин и обща шина, к которой подключен источник питания фотоприемных элементов, при этом поканальные усилители подключены входами к горизонтальным шинам к которым подключены стоки транзист ров, а выходами - к той же из упомя нутых линеек ключевых элементов, которая срединена с общим усилителе считывания, источник же управляющег напряжения транзисторов через втору линейку ключевых элементов и вертикальные шины подключены к затворам транзисторов. На фиг. 1 изображена принципиальная блок-схема; на фиг. 2 карта суммирования фототоков элемен тарных ячеек с учетом знака фототок для положения ключевых элементов, -показанного на фиг. 1. к общей подложке 1, снабженной общей щиной 2, выполнена матрица элементарных ячеек 3. Каждая элементарная ячейка содержит фотоприем ный элемент 4 и два МОП-транзистора (ключи) 5 и 5 , имеющих исток 6, сток 7, затвор 8. Матрица снабжена двумя системами взаимно-ортогональных токоотводящих шин: вертикальньк 9 - Х„ и 10 - Xjl, , а также, горизонтальных 11 - У/„ и 12 -VJti Истоки ключей 5 подключены к фотоприемным элементам 4. Затворы 8 ключей 5 - к шинам 10. Стоки 7 ключей 5 подключены к шинам 11, а стоки 7 ключей 5 - к шинам 12. Линейка 13 ключевых элементов на. два положения Л и В соединена с вертикальными шинами: контакты А с шинами 90, а контакты В - с шинами 10. Линейка 14 ключевых элементов на два положения А и В соединена с поканальными усилителями считывания 15 входами. Иеинвертирующие входы усилителей 15 соединен с горизонтальными шинами 12, а инвертирующие входы с шинами 11. Линейка ключевых элементов 13 управляется многовыходным генератором селекторных импульсов 16, а линейка ключевых элементов 14 - генератором селекторных импульсов 17. Оба гене-, ратора 1 6 и 17 соединены с генератором тактовых импульсов 18. Выходы линейки ключевых элементов 14 А соединены с неинвертирующим входом общего усилителя считывания 19, а выходы В - с инвертирующим входом того же усилителя 19. Входы ключевых элементов 13 соединены с выходом источника 5 правляющего напряжения 20. Общая шина всех фотоприемных элементов 2 соединена с выходом однополярного источника питания 21. I В исходньй момент времени на матрицу проех ируется анализируемое распределениеосвещенности. На общую шину 2 подано напряжение пн- ( тания от источника 21. На первом такте работы устройства под воздействием запускающего импульса тактового генератора 18 на выходах генераторов селекторных импульсов 13 и 14 формируются две линейньк пространственно-распределенные последопательности сигналов: f, (х) и Y(V) Эти последовательности записаны в двоичном коде, например 1, -1, +1, -1..., где значению -1 соответствует, например, замыкание ключа на выходе А, а значению +1 замыкание ключа на выход В,того же ключа. Через ключевые- элементы 13 от источника управля ощего напряжения 20 смещение поступает на затворы 8 ключей 5. С выходов А напряжение замыкания поступает на ключи 5, а с выходов В. - на ключи 5. В каждой элементарной ячейке на каждом такте работы замкнут лишь один из двух ключей. Замкнутьй ключ соединяет фотоприемный элемент 4 либо с шиной 11 либо с шиной 12, и, следовательно, либо с неинвертирую- щим, либо с инвертирующим входом поканальиого усилителя считьрания 15. Таким образом, на входы ус1тителей 15 попадают все фототоки, генерируемые фотоприемными элементами 4-х строк. Величины этих фототоков пропорщюнальны освещенности элементарных площадок 4. В поканальных усилителях 15 фототокн суммируются либо со знаком (+), либо со знаком (-) в зависимости от toro, по какой из шш 11 или 12 они

поступили. Суммарные сигналы с выходов усилителей 15 поступают на входы 1сп10чевых элементов линейки 14. Линейка 14 управляется от генератора селекторныхимпульсов 17, которьй на том же первом такте работы устройства перевел ключи, напримёр, в положение +1, -1,. -1, +1 . . ., т.е. замкнул их либо на контакт А, либо на контакт В. Таким образом, суммарные построчные сигналы с усилителей считьтания. 15 поступают как на инвертирующий так и на неинвертирующий входы общего усилителя считывания 19, где они суммируются. Токовьй сигнал на выходе общего ус1-тителя 19 оказывается пропорциональным интегралу

. (X,y)Y,;(X.Y), S

где-f (Х,У) - пространственное

распределение осве(ij щениости по матрице; fnhi UiY) - двумерная двуградационная базисная функция анализа, причем

)U;(J,.

На втором такте работы устройства .генераторы селекторных импульсов 16 и 17 в соответствии с программой генерируют две новые пространственные последовательности (X) и т (у) которые переводят ключевые элементы линеек-13 и 14 в новые положения. Соответственно та же самая анализируемая функция г(Х,У ) оказывается умноженной на новую функцию анализа 1()(, У ) . На выход общего усилителя считывания 19 форм руется второй токовый сигнал

(. JP ( X, уМл с1 У &

пропорциональный второму коэффициенту обобщенного ряда Фурье. За NM тактов формируются все NM коэффициентов г полный пространственно-час.тотный спектр анализируемого изоб-ралсения.о

Эта последовательность сигналов в дальнейшем может поступать в ЭЦВМ быть передана по каналу связи, запонена, обработана, из нее может быть

вновь восстановлено отфильтрованное с повьшенным отношением сигнала к шуму регистрируемое изображение.

Повышение быстродействия устройства достигается путем уменьшения времени формирования коэффициентов. В процессе работы устройства фотоприемные элементы не переключаются: они не переводятся из положения с отрицательным смещением в положение с п о лож ит е л ь ным смеще н нем., Умн оже н и е значения регистрируемого элементного фототока, на +1 или на -1 осуществляется только с помощью отдельных от фотоприемника ключевых элементов и усилителей-считывания. Фотоприемные элементы находятся под постоянным напряжением смещения от источника 21 .

Если в прототипе переходные процессы составляли десятки - единицы микросекунд, так как лимитировались временем жизни неосновных носителей, созданных светом, и переходными процессами в емкостях фотопрнемных элементов, то теперь время вычислени одного коэффициента ограничивается переходными процессами в ключевых элементах, где они специальными мерами ускорены до сотых-тысячных долей микросекунды без ущерба для пороговой чувствительности матрицы. Таким образом, получено повышение быстродействия на несколько порядков Кроме того, фотоприемная площадка элемента матрицы предлагаемого преобразователя на 80-90% занята собствен,но .фоточувствительиым элементом. Ключи (МОП-транзисторы) располагают под шинами. В прототипе фотоприемиый элемент должен обладать симметричной к воздействию света вольт-амперной характеристикой, что достигается конструированием этого элемента из двзгх одинаковых фотоприемников, например фотодиодов. На каждом такте работы фоточувствителен лишь один из .двух фотоприемников в каждой ячейке, и его фототоку приписывается знак + или -.

Использование изобретения позволяет повысить чувствительность в 2 раза. Расщирен круг фотоприемников, которые могут быть использованы в качестве элементарньгх матриц Снято требование симметричность вольт-амперной характеристики к воз действию света. Использование в качестве элемента матрицы p-i-n фотодиода, не обладающего сммметрично|стью, позволит регистрировать коэффициенты за время с. Помимо р-)--п фотодиодов в схем устройства могут быть исполь-зованы МДП-фотоприемники, 4к тосопротивле1ния, фотодиоды, фототранзисторы, болометрические датчики, тензометры и т.д., что расширяет круг анализируемых пространственно-распределенных воздействий f(х. У), как по спектральному составу для светового излучения, так и по физической природе воздействия, например, становится возможной регистрация распределения давлений.

ПОЛУПРОВОД1ШКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРПШ СВЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СИГНАЛ, содержащий матрицу элементарных ячеек с фотоприемными элементами и с системой токоотводящих вертикальных и горизонтальных шин, две линейки ключевых элементов, соединенных ноэлементно с выходами генераторов селекторных импульсов, включенных последовательно с генератором тактовых импульсов, общий усилитель считывания с неинвертирующим и инвертирующим входами, соединенными с выходами ключевых элементов одной из линеек, источник питания фотоприемных элементов матрицы, отличающийся тем, что, с целью повьппения быстродействия путем уменьшения времени формирования коэффициентов пространственно-частотного разложения анализируемого изображения в обобщенный ряд Ферье при одновременном увели,чении чувствительности, каждая элементарная ячейка матрицы содержит дополнительно два МОП-транзистора и дополнительно введены поканальные усилители считывания с неинвертирующим, и инвертирующим входами, источник управляющего напряжения транзисторов, дополнительная система вертикальных и горизонтальных шин и (Я общая шина, к которой подключен источник питания фотоприемных элементов, при этом поканальные усилители подключены входами к горизонтальным шинам,- к которым подключены стоки транзисторов, а выходами - к Од той из упомянутых линеек ключевых Од элементов, которая соединена с общим усилителем считывания, источ4 ник же управляющего напряжения транзисторов через вторую линейку ключевых элементов и вертикальные шины подключен к затворам транзисторов.