МНОГОКАНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО СЧИТЫВАНИЯ ДЛЯ ФОТОПРИЕМНИКОВ
MULTICHANNEL READOUT DEVICE FOR PHOTODETECTORS

Изобретение относится к интегральной микроэлектронике и может быть использовано в системах обработки оптической информации, а именно в качестве средств считывания сигналов с элементов фотоприемной матрицы.
Вырабатываемые фотосигналы элементами фотоприемной матрицы, в частности, инфракрасных фотоприемных устройств (ИК ФПУ) в особенности для среднего и дальнего ИК диапазонов характеризуются высоким уровнем «геометрического» шума и обуславливают низкую контрастность изображения. В связи с этим неотъемлемой частью современных многоэлементных ИК ФПУ третьего поколения является реализация функционально полных систем, включающих в себя предпроцессорную обработку информационного сигнала с фоточувствительных элементов фотоприемных матриц в цифровой форме (L.J.Kozlowski, К.Vural at all. Progress toward high-performance infrared imaging systems-on-a chip. Proceeding of SPIE, Vol.4130 (2000), p.245-253).
Известно многоканальное устройство считывания для фотоприемников (а.с. СССР №1702829, МПК 6 H01L 29/768), выполненное на полупроводниковой подложке и содержащее N канальную систему считывания, измерительную систему, связанные посредством общей шины считывания и шины коррекции. Система считывания выполнена в составе многовыходного коммутатора и линейки N усилителей. Измерительная система содержит блок предпроцессорной обработки сигналов с сигнальным входом и компенсирующим выходом.
Недостаток известного устройства заключается в ограничении рабочего интервала чувствительности фотоприемников и функциональных возможностей устройств предпроцессорной обработки фотосигналов. Указанный недостаток обусловлен недостаточностью динамического диапазона, быстродействия устройства считывания, в результате ограниченных возможностей предпроцессорной обработки сигналов. Информационный сигнал с фоточувствительных элементов фотоприемной матрицы и корректирующее напряжение передаются в аналоговой форме и привязаны к данному конкретному устройству считывания. Предпроцессорная обработка сигнала производится в аналоговой форме, последовательным преобразованием аналогового сигнала в цифровой, что и ограничивает динамический диапазона устройства считывания и его быстродействие.
Ближайшим техническим решением к заявляемому является многоканальное устройство считывания для фотоприемников (И.И.Ли, М.В.Попов. Многовходовый процессор с адаптивными устройствами предпроцессорной обработки сигналов для многоэлементных датчиков. Автометрия, №6, 1997 г., стр.20-25), выполненное на полупроводниковой подложке, и содержащее N канальную систему считывания, измерительную систему, связанные посредством общей шины считывания, соединяющей выход канала системы считывания и вход измерительной системы, и шины коррекции, соединяющей выход измерительной системы с управляющим входом канала системы считывания. В N канальной системе считывания выполнено N входных узлов, связанных с многовыходным коммутатором. Измерительная система выполнена в составе компаратора, арифметико-логического устройства (АЛУ), оперативно-запоминающего устройства (ОЗУ), причем из двух входов компаратора вход, предназначенный для подачи на него сигнала в цифровом коде, соединен с общей шиной считывания, другой вход компаратора предназначен для подачи опорного сигнала, выход компаратора соединен со входом арифметико-логического устройства. Входной узел канала выполнен в виде усилителя, имеющего вход, выход и управляющий вход, МДП-транзисторов, при этом затворы первых МДП-транзисторов соединены с выходом соответствующей ячейки многовыходного коммутатора, а стоки - с общей шиной считывания, затворы вторых МДП-транзисторов соединены с выходом следующей ячейки многовыходного коммутатора, а стоки - с шиной коррекции. Выход арифметико-логического устройства соединен со входом оперативно запоминающего устройства. Выход ОЗУ связан с шиной коррекции. Истоки первых МДП-транзисторов соединены с выходом усилителя, а истоки вторых МДП-транзисторов соединены с управляющим входом усилителя. Усилитель выполнен на основе блока ввода с прямой инжекцией на приборах с зарядовой связью и соединенных с ним трех МДП-транзисторов. Измерительная система кроме вышеуказанных элементов содержит цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), через который выход ОЗУ связан с шиной коррекции, при этом выход ОЗУ дополнительно связан с арифметико-логическим устройством. Один из входов компаратора, служащий для подачи сигнала в цифровом коде, соединен с общей шиной считывания через последовательно связанные аналого-цифровой преобразователь (АЦП), узел двойной коррелированной выборки и предусилитель.
сиг
оп
сиг
оп
сиг
оп
n
Приведенное устройство работает следующим образом. Вход усилителя подключают к фоточувствительному элементу. Многовыходной коммутатор обеспечивает последовательное подключение выходов усилителя через первый МДП-транзистор на общую шину считывания. Сигнал с фоточувствительного элемента фотоприемной матрицы в аналоговой форме поступает на вход АЦП, с выхода АЦП - на компаратор. На второй вход компаратора поступает опорный код. В зависимости от соотношения информационного сигнала и опорного кода на выходе компаратора будут сформированы коды: +1 при U<U; -1 при U>U; 0 при U=U. При коде +1 информация в i-й ячейке ОЗУ увеличивается на дискрету младшего разряда ОЗУ, а при коде -1 - уменьшается. В следующем такте при считывании информационного сигнала с i+1 ячейки усилителя (входного узла) откорректированное значение напряжения i-й ячейки усилителя, через шину коррекции и вторые МДП-транзисторы поступает в аналоговой форме на управляющий вход i-го усилителя, который хранит его в аналоговом виде до следующего цикла считывания (коррекции). При постоянном сигнале максимально через 2 циклов считывания, где n-разрядность ОЗУ, потенциалы на всех управляющих входах входных узлов будут сформированы таким образом, что выходные сигналы на общей шине считывания с точностью до младшего разряда АЦП будут равны опорному вне зависимости от вольтамперных характеристик присоединенных фоточувствительных элементов фотоприемной матрицы ко входам усилителей и неоднородности передаточных характеристик усилителей.
Недостаток известного устройства заключается в ограничении рабочего интервала чувствительности фотоприемников и функциональных возможностей устройств предпроцессорной обработки фотосигналов. Указанный недостаток обусловлен недостаточностью динамического диапазона, быстродействия устройства считывания, в результате ограниченных возможностей предпроцессорной обработки сигналов. Информационный сигнал с фоточувствительных элементов фотоприемной матрицы и корректирующее напряжение передаются в аналоговой форме. Необходимость последовательного преобразования аналогового сигнала в цифровую форму обуславливает ограничение скорости передачи сигналов. Предпроцессорная обработка сигнала производится в аналоговой форме, последовательным преобразованием аналогового сигнала в цифровой, что и ограничивает динамический диапазона устройства считывания и его быстродействие.
Техническим результатом изобретения является расширение рабочего интервала чувствительности фотоприемников и функциональных возможностей устройств предпроцессорной обработки фотосигналов.
Технический результат достигается тем, что в многоканальном устройстве считывания для фотоприемников, содержащем N канальную систему считывания, измерительную систему, связанные посредством общей шины считывания, соединяющей выход канала системы считывания и вход измерительной системы, и шины коррекции, соединяющей выход измерительной системы с управляющим входом канала системы считывания, каждый канал системы считывания снабжен аналого-цифровым преобразователем, соединенным выходом с общей шиной считывания, и корректирующим блоком, соединенным входом с шиной коррекции.
Многоканальное устройство считывания выполнено на полупроводниковой подложке.
В многоканальном устройстве считывания в системе считывания каждый канал выполнен в составе входного узла, соединенного с многовыходным коммутатором, а также соединенного с общей шиной считывания своим выходом и шиной коррекции своим управляющим входом.
В многоканальном устройстве считывания в канале входной узел выполнен в составе усилителя, имеющего вход, выход, и управляющий вход, первых МДП-транзисторов и второго МДП-транзистора, при этом затворы первых МДП-транзисторов соединены с выходом соответствующей ячейки многовыходного коммутатора, а стоки - с общей шиной считывания, затвор второго МДП-транзистора соединен с выходом следующей ячейки многовыходного коммутатора, а сток - с шиной коррекции, также канал дополнительно снабжен аналогово-цифровым преобразователем, имеющим разрядность К, с выходом, являющимся выходом канала системы считывания, и корректирующим блоком, со входом, являющимся управляющим входом системы считывания, при этом истоки первых МДП-транзисторов соединены с выходами аналого-цифрового преобразователя, вход которого соединен с выходом усилителя, исток второго МДП-транзистора соединен со входом корректирующего блока, а выход последнего соединен с управляющим входом усилителя.
В многоканальном устройстве считывания корректирующий блок выполнен в составе цифроаналогового преобразователя, имеющего разрядность L и оперативно запоминающего устройства с той же разрядностью, при этом вход цифроаналогового преобразователя с разрядностью L соединен с выходом оперативно запоминающего устройства той же разрядности, а выход цифроаналогового преобразователя, являющийся выходом корректирующего блока, соединен с управляющим входом усилителя, вход оперативно запоминающего устройства, являющийся входом корректирующего блока, соединен с шиной коррекции через второй МДП-транзистор.
В многоканальном устройстве считывания общая шина считывания выполнена из индивидуальных шин количеством, равным разрядности аналого-цифрового преобразователя и количеству первых МДП-транзисторов, соединенных стоками с соответствующими индивидуальными шинами общей шины считывания.
В многоканальном устройстве считывания шина коррекции выполнена в виде единой шины.
В многоканальном устройстве считывания измерительная система выполнена в составе компаратора, арифметико-логического устройства, причем из двух входов компаратора вход, предназначенный для подачи на него сигнала в цифровом коде, являющийся входом измерительной системы, соединен с общей шиной считывания, а другой вход компаратора предназначен для подачи опорного сигнала, выход компаратора соединен со входом арифметико-логического устройства, выход которого, являющийся выходом измерительной системы, соединен с шиной коррекции.
Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемым чертежом, на котором приведена принципиальная схема предлагаемого устройства считывания для двухмерных датчиков с адаптивной обработкой сигналов в цифровой форме, где 1 - многовыходной коммутатор, 2 - усилитель, 3 - компаратор, 4 - арифметико-логическое устройство (АЛУ), 5 - корректирующий блок (КБ), 6 - общая шина считывания, 7 - шина коррекции, 8 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП), 9 - вход усилителя, 10 - управляющий вход усилителя, 11 - выход усилителя, 12 - первый МДП-транзистор, 13 - второй МДП-транзистор.
Предлагаемое многоканальное устройство считывания для фотоприемников обеспечивает предпроцессорную обработку сигналов с фоточувствительных элементов фотоприемной матрицы в реальном масштабе времени. Она заключается в вычитании индивидуально для каждого канала аддитивных компонент сигналов, которые для многоэлементных фотоприемников, как правило, являются неинформационными компонентами. При считывании информации с фоточувствительных элементов фотоприемных матриц в диапазоне длин волн 5-14 мкм неинформационные компоненты сигналов, обусловленные фоновым излучением, составляют от 80 до 90% от полного сигнала. Предлагаемое техническое решение дает возможность отслеживать низкочастотные изменения характеристик фоточувствительных элементов, передаточных характеристик усилителей и т.д., таким образом, реализуя функцию фильтра для высоких частот, причем с индивидуальной для каждого канала считывания возможностью адаптивной регулировки характеристик такого фильтра.
Дополнительное комплектование каждого канала считывания АЦП и корректирующим блоком (КБ), выполненным в составе ЦАП и ОЗУ (см. чертеж), по сравнению с вышеприведенными техническими решениями обеспечивает достижение выхода на высокую чувствительность многоэлементных фотоприемников в результате достижения достаточного для этой цели динамического диапазона многоканального устройства считывания. Для реализации многоэлементных ИК ФПУ, работающих в дальнем ИК диапазоне с выходом на высокую чувствительность, необходим цифровой считывающий канал с числом разрядов не менее 16, который предназначен обеспечить требуемый динамический диапазон. Известно, что при создании систем цифровой обработки сигналов с фоточувствительных элементов наиболее проблемным в реализации узлом является аналого-цифровой преобразователь, который обеспечивает тот или иной динамический диапазон. Именно этот узел ограничивает разрядность цифровых систем обработки сигналов и, таким образом, является причиной отсутствия выхода на желаемую высокую чувствительность фотоприемников. При жестких ограничениях на занимаемую одной ячейкой устройства считывания площадь и потребляемую мощность, применение последних достижений кремниевых технологий для многоканальных устройств считывания до настоящего времени не дает возможности реализовать АЦП с разрядностью более 10 с сигналом на выходе в цифровой форме и получить достаточный динамический диапазон, чтобы обеспечить реализацию высокой чувствительности многоэлементных ИК ФПУ третьего поколения. В предлагаемом техническом решении данная задача решается тем, что требуемый динамический диапазон устройства считывания достигается суммарной разрядностью АЦП и КБ, размещенных в каждом канале. Как известно ЦАП в составе КБ значительно проще в реализации, чем АЦП.
К факторам, способствующим расширению функциональных возможностей, относится переход от последовательного преобразования аналогового сигнала в цифровую форму к параллельному и передача информационного сигнала и корректирующего напряжения в цифровой форме, приводящие к достижению быстродействия. Указанное преобразование и передачу сигнала осуществляют в каждом канале считывания посредством АЦП и КБ. В результате существенно увеличивается скорость передачи сигналов по общей шине считывания и шине коррекции, обеспечивая быстродействие многоканального устройства считывания и в свою очередь это расширяет функциональные возможности и область применения различных ИК ФПУ. Так, введение по шине коррекции через КБ в цифровой форме сигналов, характеризующих изображение какого-либо объекта, дополнительно к аддитивным, вычитаемым из общего сигнала неинформационным компонентам, обеспечивает более широкие возможности систем распознавания образов.
Устройство считывания для двумерных фотоприемных матриц с адаптивной обработкой сигналов в цифровой форме выполнено на полупроводниковой подложке. Заявляемое устройство содержит конструктивные элементы: многовыходной коммутатор (1), усилитель (2), компаратор (3), арифметико-логическое устройство (АЛУ) (4), корректирующий блок (КБ) (5), общую шину считывания (6), шину коррекции (7), аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) (8), первые МДП-транзисторы (12), второй МДП-транзистор (13) (см. чертеж).
Усилитель (2) со входом (9), выходом (11) и управляющим входом (10), аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) (8), корректирующий блок (5) в составе ЦАП и ОЗУ, первые МДП-транзисторы (12), второй МДП-транзистор (13) образуют входной узел (ячейку усилителя) канала считывания. Устройство содержит N каналов и, следовательно, N входных узлов (ячеек усилителя). Входной узел, соединенный с соответствующими ячейками многовыходного коммутатора (1), представляет собой канал считывания.
Компаратор (3) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) (4) представляют собой измерительную систему.
Многовыходной коммутатор имеет 1÷(N+1) ячеек и 1.1÷1.(N+1) выходов.
Входной узел в канале устройства считывания выполнен следующим образом. Вход (9) усилителя (2) соединен с фоточувствительным элементом фотоприемной матрицы, выход (11), усилителя (2) связан со входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП) (8) с разрядностью К, а управляющий вход (10) усилителя (2) - с выходом корректирующего блока, выполненного в составе цифроаналогового преобразователя (ЦАП) с разрядностью L, входы которого соединены с выходами ОЗУ. Выход АЦП (8) является выходом канала системы считывания. Вход корректирующего блока (5) является управляющим входом канала системы считывания. Исток каждого первого МДП-транзистора (12) соединен со входом АЦП (8), выход которого соединен с выходом (11) усилителя (2), затвор соединен с соответствующим выходом многовыходного коммутатора (1), а сток связан с соответствующей индивидуальной шиной считывания, составляющей общую шину считывания (6). Исток второго МДП-транзистора (13) связан со входом корректирующего блока (5), являющегося входом ОЗУ, затвор связан с выходом следующей ячейки многовыходного коммутатора (1), а сток связан с шиной коррекции (7). Общая шина считывания (6) выполнена в составе индивидуальных шин количеством, равным разрядности АЦП (8). Количество во входном узле первых МДП-транзисторов (12) T1.1÷T1.K, соединенных затворами с выходом соответствующей ячейки многовыходного коммутатора (1), стоками с соответствующими индивидуальными шинами общих шин считывания (6), истоками с соответствующими входами АЦП (8), также равно К. Шина коррекции (7) выполнена в виде единой шины. Количество во входном узле вторых МДП-транзисторов (14), соединенных стоками с шиной коррекции (7), затворами - с выходом следующей ячейки многовыходного коммутатора (1), истоками - со входом корректирующего блока (5), являющегося входом ОЗУ, равно единице. МДП-транзисторы (12 и 13) предназначены для коммутации.
Два входа компаратора (3) являются первым и вторым входами измерительной системы, первый из которых предназначен для подачи на него сигнала в цифровой форме, поступающего по общей шине считывания (6), а второй - для подачи опорного кода. Выход компаратора (3) связан со входом АЛУ (4), выход которого, являющийся выходом измерительной системы, соединен с шиной коррекции (7).
В качестве конструктивных элементов предлагаемого многоканального устройства считывания могут быть использованы, например, элементы известного технического решения (И.И.Ли, М.В.Попов. Многовходовый процессор с адаптивными устройствами предпроцессорной обработки сигналов для многоэлементных датчиков. Автометрия, №6, 1997 г., стр.20-25).
Устройство работает следующим образом.
сиг
оп
сиг
оп
сиг
оп
L
На входы усилителей (2) поступают сигналы с фоточувствительных элементов фотоприемной матрицы. Подача управляющих напряжений на многовыходной коммутатор (1) на выходах 1.1÷1.N+1 формирует импульсы напряжений, последовательно открывающие первые и вторые МДП-транзисторы (12, 13). Усиленные сигналы с выходов (11) усилителей (2) поступают на вход АЦП (8) и с выхода АЦП (8), являющегося выходом канала системы считывания, далее последовательно, через первые МДП-транзисторы (12) Т1.1÷Т1.К сигналы в цифровой форме поразрядно поступают на общую шину считывания (6). Далее сигналы по общей шине считывания (6) поступают на один из входов компаратора (3) измерительной системы. На другой вход компаратора (3) измерительной системы поступает постоянный опорный код. В зависимости от соотношения информационного сигнала и опорного кода на выходе компаратора (3) будут сформированы коды +1 при U<U; -1 при U>U; 0 при U=U. Корректирующий сигнал с выхода измерительной системы, являющегося выходом АЛУ (4), через шину коррекции (7) и второй МДП-транзистор (13) поступает на вход корректирующего блока (5), являющийся входом ОЗУ и управляющим входом канала системы считывания. При коде +1 информация в i-й ячейке ОЗУ корректирующего блока (5) канала считывания увеличивается на дискрету младшего разряда ОЗУ, при коде -1 - уменьшается. В следующем такте при считывании информационного сигнала с i+1 ячейки усилителя (2) откорректированное значение соответствующей ячейки ОЗУ корректирующего блока (5) для i-й ячейки усилителя (2) поступает на вход ЦАП корректирующего блока (5) и далее в аналоговой форме на управляющий вход (11) i-го усилителя (2), который хранит его в аналоговом виде до следующего цикла считывания (коррекции). При постоянных сигналах на входах (9) усилителей (2) максимально через 2 цикла считывания потенциалы на всех управляющих входах (10) входных узлов будут сформированы таким образом, что выходные сигналы на общей шине считывания (6) с точностью до младшего разряда АЦП (8) будут равны опорному вне зависимости от вольтамперных характеристик присоединенных фоточувствительных элементов фотоприемной матрицы ко входам усилителей (2) и неоднородности передаточных характеристик усилителей (2).
Многоканальное устройство считывания может быть использовано для считывания сигналов с фотоприемных матриц, как линейчатого типа, так и двухмерных. При считывании информации с двухмерных матриц многоканальное устройство считывания должно быть дополнено матрицей предусилителей, при этом на входы усилителей последовательно будут поступать сигналы со столбцовой шины считывания, то есть с разных строк и, следовательно, с разных фоточувствительных элементов. В этом случае необходимо изменить только формат ОЗУ. При считывании сигналов с двухмерной матрицы фоточувствительных элементов организация ОЗУ должна быть MxL, где М - количество строк в двухмерной матрице фоточувствительных элементов. При считывании сигнала с (i+1, j) ячейки, где i - номер элемента строки, j - номер строки с ОЗУ, на ЦАП должна поступать информация об элементе (i, j+1).