Координатный фотопреобразователь с цифровым выходом

 

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. Фотоприемник выполнен в виде МДП-транзистора с включенной в цепь затвора фотовольтаичёской батареей, состоящей из заданного числа последовательно соединенных р-ппереходдв, 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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК Ж 1725385 А1 (5))5 Н 03 К 17 /78

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБР ЕТЕ НИЯМ И ОТКР ЫТИ ЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОП И САН И Е И ЗОБРЕТЕ Н И Я

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 ...- . 2

;.(21) 4749т835/21: ..: . ты в устройствах точного поэиционирова(22) 17.10.89,:; - ния в качестве датчика микроперемещений. (46) 07,04.92.-Бюл. М 13: . - Целью изобретения является -упрощение.

: P1) Киевский политехнический институт.им;: фотопреобраэователя и повышение его чув50-летия Великой Октябрьской социалисти- ствительности в интегральном. исполнении, ческой революции и Производственное объ-.. В координатный фотопреобразователь, соединение "Киевский радиозавод" ::. держащий фотоприемник, введен -генера(72) П,A. Яганов, И,И. Клетченков и А;И. Би-, тор переменного. напряжения. Фотоприемдюк: ....,:; ник выполнен в виде. МДП-транзистора с (53) 621.382 (088.8) .:.:: включенной -в цепь затвора фотовольтаи(56) ПавловА.В. Оптико-электронные прибо- . ческой батареей, состоящей.из заданного ры.-M. Энергия, 1974; с. 348:358.: ..:: - числа последовательно соединенных р-и.,ЗинявичусДЛО. идр; Фоточувствитель- переходов, причем выход генератора подная микросхема КБ 11 30ПП1-3. — Электрой-. ключен к свободному полюсу фотобатареи, ная промышленность,1987, Q 2,.с 13.. второй полюс которай соединен с затвором

МДП-транзистора. Координатный фотопре(54) КООРДИНАТНЫЙ ФОТОПРЕОБРАЗО- образовательможетбытьихспольэован вкаВАТЕЛЬ С ЦИФРОВЫМ ВЫХОДОМ .. честве измерительного преобразователя (57) Координатный фотопреобразователь c неэлектрических величин (ускорения, давлецифровым выходом предназначен для рабо-: ния, и т.n.). 7 ил.

° ° ъ Ф 4

Изобретение относится к области; им-, фоточувствительной поверхности, выходhD пульсной техники и может быть использова-. ной сигнал такжеуменъшаетсяидля усиления но в устройствах измерения перемещений;:; -, . необходимо располагать приемно.-усилительуглов поворотов и других неэлектрических::. ными устройствами. Так, например, датчик . CO .величин в автоматизированных системах : линейных перемещений К849 ПП1, представ- (Л управления.. - . - .:.:: ляющий собой гибридную .:оптоэлектронную .Иаеестны координаткные.фотоприекм-: микросхему с открытым оптическим кананики, выходной сигнал которых.определя- . - лом, содержит.диодную позиционно-чувстет координатху светового пятна; лба ;:. вительную оптопару и сотгласованйый.с ней фоточувствительной поверхности. Этот. сиг.-: усилитель; Это усложняет устройство конст-. нал, как правило, является аналоговым, что. :: руктивно и схемотехнически, а представлеснижает его помехозащищенность поерав- ние выходного.сигйала в айалоговой форме нению с цифровым сигналом; К тому же при, . снижает его помехозащищенность, интегральном способе изготовления изве- . Наиболее близким к предлагаемому явстных координатных фотоприемников, ког-..: .:: ляется фотопреобразователь малых перемеда существенно снижается площадь .их : -- щений с цифровым выходом, выполненный

1725385

15

25

40 на кристалле кремния размером 2 2,5 мм и содержащий два биполярных фототранэистора, усилитель постоянного тока, со.стоящий иэ двух дифференциальных усилителей, схему смещения уровня, триггер Шмитта и формирователь прямоугольных импульсов.

При освещении фототранзисторов возникающий в эмиттерных цепях фототок поступает 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 выхода триггера сигнал, преобразованный в прямоугольный импульс, поступает на формирователь импульсов, где усиливается до амплитуды, соответствующей ТТЛ уровню, формируется и подается на выход микросхемы, При изменении освещенности фототранзисторов меняется фототок, что приводит к изменению длительности прямоугольного выходного импульса, Однако при интегральном способе изготовл ения микросхемы фототранзисторы имеют фоточувствительную поверхность малых размеров. Поэтому генерируемый ими фототок, пропорциональный фоточувствител ьной поверхности фотоприемника, имеет малую величину и для его усиления необходимо использовать в составе микросхемы два дифференциальных усилителя, зеркальный канал, источник 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 требуется 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 фотопреобраэователь имеет световой порог срабатывания 20 . Вт/м (это соответствует освещенности .2 . примерно 400 лк), определяемйй входным током первого дифференциального усили- теля„который должен быть меньше, чем фототок транзисторов. 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 исполнении известного устройства происходит снижение его чувствительности (увеличение светового порога чувствительности), которое приходится компенсировать применением ОУ с большим коэффициентом усиления, Цель изобретения — повышение чувствительности в интегральном исполнении.

Поставленная цель достигается тем, что предлагаемый координатный фотопреобра- . зователь с цифровым выходом, содер>кащий фотоприемник, допол нител ь но содержит генератор переменного напряжения, а фо топриемник выполнен в.виде МДП-транзи-, стора с включенной в цепь затвора фотовольтаической батареей, состоящей иэ последовательно соединенных р-и-переходов, 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 фотопреобразователя; на фиг,2 — передаточная характеристика МДПфотоприемника с источником излучения в выходной цепи; на фиг.З вЂ” 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,б— 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 к,свободному полюсу фотовольтаической батареи 2, второй полюс которой соединен с затвором МДП-транзистора 3. Фотобатарея

2 состоит иэ заданного числа последовательно соединенных р — n-переходов, при1725385

5 6 чем полярность включения фотобатареи 2, {почти нулевой) потенциал (фиг.2), Такое соопределяется типом проводимости канала стояние будет сохраняться до тех пор. пока

МДП-транзистора 3: Фотобатарея 2 и напряжение нха входе»Овхфотоприемника не

МДП-транзистор 3 составляют МДП-фото-. снизится до значения, при котором 0»< + . приемник, в выходную цепь которого после-. 5 Ф ОФ = Unop. В этом:случае: уменьшение тока Б довательно с нагрузочным резистором 4 - в выходной цепи фотойриемника и, следова. включен источник 5 излучения (светодиод: тельно, уменьшение яркости источника 5 или миниатюрная лампа накаливайия).; приведет к падению фото-ЭДС фвотобатареи

Между источником 5 излучения и фотобата- 2 до уровня,:при которам -начнется лавинореей 2 размещен подвижный световой эк-: 10 образный процесс запирания МДП-транзиран. 6 со щелью, жестко. связанный с стора 3. УстройcTio переключится в объектом, перемещение которого необхо- ..исходное (темновое) состояние, а на его выдимо измерить. ходе снова установитСя высокий потенциалКоординатный фотопреобразователь- .. (Фиг.2). работает следующим образом.,:.: 15 Количество р — п-.переходов, входящих s

Включение. источника 5 излучения в вы- . состав фотовольтайчесской:батареи 2; задаходную цепь фотоприемника; образующего ют исходя из величины.порогового напряжес ним оптическую обратную связь (в Рас- ния Ugpp МДП-транзистора 3 и мощности сматриваемом примере — положительную),: - излучения источника 5; Фото-ЭДС на Фопозволяет получить спусковое устройство,. 20 тобатарее 2 определяется суммой Ue обладающее двумя устойчивыми состояни-. ями равновесия. Ояределяют исходное со-: = $ Ug rpoTo-3ELC Uyэ входя дня s ee ca стоЯние как темновое (источник 5. не став N последовательно включенных р — иизлучает), а второе устой ивое состояние — переходов, и совместно с входным световое(источник 5 излучает). В исходном, 25 напряжением О управляет:работой МдПсостоЯнии на вхоДе: фотопРиемника и на транзистора 3. При.этом ОфБ должна нахозатвоРе МДП-транзистоРа 3 напРЯжение диться в пределах 0 <ОфE .<О, учитывая, близко нулю(или, по крайней мере, меньше что Uïpð обычно равняется 2 6 В, а фотоnoPorosoro ОпоР) и в его выходной цепи тока ЭДС на р — и-переходе при облучении мининет. Следовательно, источник 5 излУчениЯ 30. атюрным MGJIo îùíûì источнико не излучает и на фотобатарее 2 фото-ЭДС излучения (например, светодиодом) составРавна нулю. ПРи Увеличении потенЦиала на ляет 0,2...0 3 В, число р-и-переходов N ФозатвоРе (например, от Дополнительного ис- тобатареи выбирают от 10 до 20, To IHuKa) До напрЯжения Pa o o Po oso- Под пючение генератора 1 периодиMYUnaP s s IxoAH0A Wee IMQf1 TPàHa ñT0Ðà 35 ecm aMeHslo егоcs nepeMeHHoro Ha

3 начинает протекать ток, вызывающий по- пряжения в качестве источника входного . Явление излучениЯ, попадающего на фото- напряжения к свободному полюсу фотобатаРею 2. ПРи.соответствующем выбоРе вопьтаической батареи 2, второй полюс количества включенных в фотобатаРею 2 Р- которой соединен с затвором Мдп,ранэии- еРехоДОВ поД Действием ИЗЛУчениЯ От 40 стора 3. создает возможность повышать и источника 5 возникает Фото-ЭДС, Усипива- понижать потенциал затвора МдП-транзиющая процесс открывания МДП-транзисто- стара 3 до уровня, позволяющего получать ра 3 и, следовательно, излучающую на выходе предлагаемогоустройства послеспособность источника изпУ е ИЯ 5 ПРоис- довательность прямоугольных импульсов, ХОДИТ скачкообРаз ь1Й пеРехоД УСТРОйс ва -45 длительность которых Определится вепичи иэ ОднОГО устойчивоГО сОстОЯниЯ в другое ной «То ЭдС фотобатареи 2 при неизмен

На затворе МДП-транзистора 3 устанавли-..ных характеристиках выходного сигнала. ваетсЯ напРЯжение Оэ, Равное сУмме напря- енера ора генератора. жения фото-ЭДС фотобатареи 2 ОФ и:: Переключение изтемновоговсветовое входного напРяжения Овх, э = ОФ вх, 5О состояниепроисходиткогда ОЗ=ОФБ+Ов =

Б+вв .= Оп0р. Так как в темновом состоянии.ОФ

УчитываЯ, что фото-ЭДС нелинейно эа-..: = 0 то Оы = ОП0р. Из светового (ОФБ Ф p) в висит от освещенности Е (Оф 1п Е),:ее;. Темновое состояние устройство переключавеличина при соответствующем подборе ис- я при точника излучения.5 и МДП-транзистора 3 с. 55 О О „+ О Б» О

3 = ВХ1+ Ф1. = ПОР» ой KPyr"aHoA P®cTI raeT насыщениЯ Q,les Ho qyo pep I4eHbILIe фотодЭд

ОФ.нас и мало. менЯетсЯ при дальнейшем: фотобатарее 2, тем больше напряжение О

Увеличении освещенности (или тока в;вы-.. необходимо прикладывать для переключеходной цепи МДП-транэистора3)(фиг;4), На: ния устройства в исходное состояние. Тако выходе устройства устанавливается низкий, 1725385 если в результате: перемещения светового экрана 6 изменится освещейность фотобатареи 2 (например, уменЬшитаат Е Et др Еа то. снизится и фото-ЭДС с ОФ1 до Ue2 (фиг.4), В этом случае переключение в световое состояние произойдет йри входном напряжении.0вхг .> О х1 (фиг.. 2).

Если напряжение U8X является перио.дически меняющимся (например, линейно меняющимся, фиг.5), то на выходе МДПтранзистора 3 будет наблюдаться последовательность прямоугольных импульсов (фиг.3), Длительность импульса хопределится моментом совпадения напряжения генератора с пороговйм напряженим

Unop/t>, и напряжением Овх1 переключения в исходное состояние (ti), («2):

7= ti — «о (Т = t2 — to), Приведем аналитическую зависимость длительности выходного импульса от освещенности, Для этого рассмотрим эпюры напряжений на выходе генератора (фиг.5) и затворе МДП-транзистора. (фиг.6).

B отсутствие фотобатареи, подключе ной к затвору МДП-транзистора, открыв ние последнего будет происходить в маме совпадения напряжения генератора Ог с п роговым U>

Благодаря включению фотобатареи н пряжение на затворе МДП-транзистора о ределяется суммой: Оз = U + ОФР, Прй это за счет оптической положительной обра ной связи напряжение на затворе в моме равенства Оз = 01р меняется скачком величину фото-ЭДС фотобатареи U (фиг.6).

Пусть напряжение генератора период чески меняется с периодом Т по зако (фиг.5): где

25 а- С = Т.— Опор (). + К1 нт

Кг К1 .

Таким образом, длительность выходноое го импульса z предлагаемого устройства однозначно определяется освещенностью

30 фотобатареи, которая в свою очередь зависит от величины перемещения Ь Х щели в световом экране относительно поверхности фотоприемника, тте. t =. f(E) = фЬХ). Зависимость освещенности Е фотобатареи от

35 перемещения Л Х объекта определяется конкретными условиями эксплуатации устройства (линейными размерами щели, рас-.

Б стоянием между источником излучения и фотобатареей, ориентацией в пространстве

40 светового экрана и т,п.).

На фиг.7 представлена одна из возможных принципиальных электрических схем реализации предлагаемого устройства в интегральном исполнении, Генератор 1 линей45 но изменяющегося напряжения (ГЛИН) соединен со свободным полюсом фотовольтаической батареи 2, состоящей из десяти последовательно включенных р-п-переходов. Второй полюс фотобатареи 2 подклю- .

50 чен к затвору МДП-транзистора 3; в выходную цепь которого последовательно с сопротивлением нагрузки 4 включают источник 5 излучения — светодиод. ГЛИН 1 состоит 1.з несимметричного мультивибра55 тора на МДП-транзисторах 7 и 8. Короткий выходной импульс мультивибратора поступает на вход ключевой схемы на МДП-транзисторах 9 и 10. Транзистор 9 открывается на время длительности импульса. При этом конденсатор 11 емкостью С11 быстро заряПри этом

1= К2 ..Т

К1+Кг

В этом случае напряжение на затворе при наличии оптической ПОС между источником .излучения и фотобатареей описывается сложной функцией (фиг,6): .

0« <«

Kit -K2(t — t) t <«.=Т

K1 t: «<«о, Uy + K1 t; «, < « < «

Ue .+Kit K2(t «); t

K1 t . K2 (t « ) t1 <« Т.

Момент времени tp определяют из равенства Опор = Оз = Kit . СлеДовательно, tp = Опор/К1. Аналогично длЯ t1:

Б, К2

5 К1+ Кг

Опор=Оз=ОФ +К1 — Т.— — Кг(ti — Т ) ..

К1+ Кг

Решив уравнение относительно ti, получают

К2, К1

«1 — К +К2 Т+К1+К ° Т+

0 Б

Кг К2

Длительность импульса

Т= «1 tp = T Опар ()+ 0Ф /К2.

К2+К1 .Б

К2 K.1

Фото-ЭДС фотобатареи Ue, зависящую от освещенности Е, можно представить

20 в виде ОФ = Aln (1 + BE), где А и В— эмпирические постоянные (фиг.4).

Тогда

r = C + A ln (1 + BE), 1725385 жается через открытый транзистор 9 до напряжения питания Ц ит. После окончания импульса конденсатор 11 разряжается через транзистор 10, сопротивление канала которого R1p поддерживается на требуемом уровне делителем 12, 13 напряжения,:Причем R>p «Rg, когда транзистор 9 закрыт,и

Rip» Rg, когда транзистер 9 открыт. Постоянная времени разряда конденсатора 11 т= й1оСл.

Предлагаемое устройство по преф1фгаемой схеме изготавливают по стандартной интегральной КСДИ-технологии (кремние= вая с диэлектрической изоляцией), приме-. няемой.в микроэлектронике. На Пластинеиз поликремния формируют заданное чиню изолированных слоем SlOj "карманов", заполненных монокристаллическим кремнием, например КДБ 4;5 с кристаллографической ориентацией (100), -в которых формируют диффуэией примеси требуемой концентрации элементы устройства. При этом обязательным условием является создание каждого р-и-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 р-и-переходы фотовольтаической батареи 2 включены в затворную цепь

МДП-транзистора З,.то работают они практически в режиме холостого хода (входной ток МДП-транзистора 3 составляет порядка

10 — 10 2 А). Для фотобатареи 2 из N последовательно включенных идентичных р-и-переходов е режиме холостого хода

Оф, как известно, определяется соотношением

Ue =N 1и(— +1), 5 kT Tcp

g где 1ф — фототок, пропорциональный ocseщенностй Е; . Ь -ток насыщения.

Отношение токов через р-п-переход не зависит от его площади, поэтому при со. хранении высокой фоточувствительности батареи 2 отдельные р-и-переходы ее формируют в "карманах" не более 100х100 мкм, При этом фотобатарею 2 выполняют е виде линейки р-и-переходов на площади не бо, лее 100 1100 мкм по поверхности пластины. Учет этого обстоятельства позволяет спроектировать топологию микросхемы для полупроводникового кристалла размером

2х 3 мм, размеСтив его е одном иэ стандартных корпусов для ИМС, например, типа

T0 — 5.

Источник 5 излучения — светодиод со

5 спектрально согласованной с фототранэистором характеристикой излучения (Я, ==0.,8;..0,9 мкм), например, АЛ 1:03 А или АЛ

106 А, располагают над полупроводнико-. вым кристаллом, закрепляя его на расстоя10 нии 3 — 5 мм от t:ro поверхности, обеспечивая возможность размещения е указанном зазоре подвижного светового экрана со щелью 6.

Применение координатного фото lG .преобразователя с цифровым выходом в ко нтроль-.измерительной- аппаратуре различного назначения упрощает его конструктивно -и схемотехнически при одновременном обеспечении высокой

20 чувствительности. Выходной сигнал предлагаемого устройства обладает мощностью, достаточной для его считывания непосредственно индикаторными устройствами без предварительного усиления. Цифровая фор25 ма выходного сигнала существенно упрощает его преобразование е-цифро-буквенную индикацию, обеспечивая. высокую разрешающую способность и:помехозащищенность.

Координатный фотспреобразователь может

30 быть без труда. реализован технологическими средствами современной микроэлектроники на серийном оборудовании, применяемом при производстве МДП.структур. По сравнению с известной мик35 росхемой, выполненной на основе биполярных транзисторов, предлагаемое устройство на МДП-структурах требует для своего изготовления. примерно на 30% меньше технологических операций, что сни40 жает затраты на его производство.

Формула изобретения

Координатный фотопреобраэователь с цифровым выходом, содержащий фотоприемник, отл ич а ю щий с я тем;что, с целью

45 повышения чувствительности в интегральном исполнении, в него введен генератор переменного напряжения, фотоприемник выполнен е виде МДП-транзистора, в цепь затвора которого включена фотовольтаиче50 ская батарея, состоящая из последователь, -. но соединенных р-п-переходов, причем полярность включения фотовольтаической батареи определяется типом проводимости канала МДП-транзистора, источник излуче55 ния, оптически связанный с фотовольтаической батареей через экран с щелью, включен в выходную цепь МДП-транзистора последовательно с иагрузочным резистором, выход генератора переменного

1725385

12 напряжения подключен к свободному полюсу фотовольтаической батареи,. два других вывода генератора переменного напряжеФ / ния соединены с соответствующими вина- . ми питания; к одной из которых подключен свободный вывод источника излучения;

1725385 пор

Fcf8. Ð

Редактор Е.Папп

Корректор О.Ципле

Заказ 1185 Тираж : Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета йо изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, .Ж-35; Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, уп.Гагарина, 101

+no+ о б .г

Составитель П,йганов

Техред М.Моргентал