Багатоканальний аналого-часовий фотоперетворювач

1. Багатоканальний аналого-часовий фотоперетворювач, який містить N аналого-часових перетворювачів, виходи яких є відповідно виходами 1...N фотоперетворювача, перші входи яких є електричними опорними входами аналого-часових перетворювачів 1 ... N, а другі входи яких є електричними сигнальними входами аналого-часових перетворювачів 1 ... N, та генератор лінійно наростаючого опорного сигналу, синхронізуючий вхід якого є синхронізуючим входом фотоперетворювача, який відрізняється тим, що в нього додатково введені N фотодіодів, оптичні входи яких є оптичними сигнальними входами 1 ... N фотоперетворювача, причому кожний фотодіод підключений катодом до електричного сигнального входу кожного з аналого-часових перетворювачів 1 ... N і підключений анодом до загальної шини джерела живлення, N-канальний віддзеркалювач струму, виходи 1 ... N якого з'єднані з електричними опорними входами відповідних аналого-часових перетворювачів 1 ... N, вхід N-канального віддзеркалювача з'єднаний з виходом генератора лінійно наростаючого опорного сигналу, причому генератор лінійно наростаючого опорного сигналу виконаний як генератор лінійно наростаючого струму, а кожний з N аналого-часових перетворювачів вико 2 (19) 1 3 75161 4 ків двох транзисторів, а стік вихідного транзистора тора, загальний провід віддзеркалювача підклюпідключений відповідно до виходу віддзеркалювачений до шини живлення і до витоків двох транзича, причому другий віддзеркалювач з одним вихосторів, а стік вихідного транзистора підключений дом виконаний на двох р-канальних МДНдо виходу віддзеркалювача, причому з'єднані витранзисторах, затвори яких з'єднані зі входом відходи першого і другого віддзеркалювачів утворюдзеркалювача, який є сигнальним електричним ють потенціальний вихід компаратора. входом компаратора, і зі стоком вхідного транзис Винахід належить до фотометрії, зокрема до оптоелектронних вимірювальних вузлів сприйняття, вимірювання та паралельної обробки оптичних сигналів, багатоелементних датчиків зображень, а також вузлів оптоелектронних обчислювальних пристроїв неперервної логіки та порогових нейронних елементів. Відомий широтно-імпульсний модулятор (авторське свідоцтво СРСР № 1665511, кл. Н 03 К 7/08), до складу якого входять біспін генератор у якості компаратора, генератор лінійно наростаючої напруги, діод та RS-тригер, на виході якого формується імпульс, тривалість якого пропорціональна величині вхідної напруги пристрою. Недоліками цього широтно-імпульсного модулятора є те, що: напруга вхідного сигналу цього широтно-імпульсного модулятора не може бути меншою, ніж 1,5-2,5В; при використанні його для лінійного перетворення оптичних сигналів мінімальної потужності у тривалість імпульса потрібно використовувати резистор великого номіналу, бо мінімальна напруга вхідного сигналу цього широтно-імпульсного модулятора не може бути меншою, ніж 1,5В. Тому для фотоструму фотодіода величиною 1мкА необхідно вибрати резистор величиною більшою, ніж 1,5мОм. Цей резистор утворює разом із власною ємністю р-n переходу фотодіода RC ланцюжок, який суттєво знижує швидкодію пристрою. Найбільш близьким до пристрою, що заявляється, є вимірювальна частина багатоканального вимірювально-контрольного пристрою індикації (відображення), далі - багатоканальний пристрій. Опубл. у міжвузівському збірнику наукових праць «Автоматизация экспериментальных исследований и испытаний» - Рязань, 1985, с. 36-40. До складу вказаного багатоканального пристрою входять N аналогочасових перетворювачів, перші входи яких є відповідно сигнальними входами 1...N пристрою, на які подаються вхідні напруги з датчиків, на виходах кожного з N аналогочасових перетворювачів формуються імпульси, тривалість яких пропорціональна величині вхідної напруги кожного з N аналогочасових перетворювачів, а на об'єднані другі входи N аналогочасових перетворювачів подається ступенево-лінійно наростаюча напруга з виходу цифро-аналогового перетворювача, який керується кодами з виходів лічильника, які виділяються на виходах лічильника при подачі на вхід лічильника прямокутних імпульсів з виходу генератора імпульсів. Недоліками цього багатоканального пристрою є те, що: він має низьку швидкодію у випадках використання у якості датчиків лінійних датчиків по тужності світлового потоку у вигляді послідовно з'єднаних фотодіода та резистора, напруга на якому є напругою датчика, через дію RC ланцюжків, утворених резисторами з ємностями фотодіодів, що особливо помітно при низьких потужностях світлового потоку (малих фотострумах фотодіодів); він має підвищену нелінійність цифроаналогового перетворювача через те, що до його виходу підключені всі N аналогочасові перетворювачі; він має підвищену складність у випадках використання фотодіодів як датчиків вхідних сигналів, бо потребує додаткового введення N резисторів. В основу винаходу поставлена задача створення пристрою, який має підвищену швидкодію при низьких потужностях світлового потоку і меншу нелінійність цифро-аналогового перетворювача. Вказана задача вирішується тим, що у відомий багатоканальний аналогочасовий фотоперетворювач, який містить N аналогочасових перетворювачів, виходи яких є відповідно виходами 1...N пристрою, перші входи яких є електричними опорними входами аналогочасових перетворювачів 1...N, а другі входи яких є електричними сигнальними входами аналогочасових перетворювачів 1...N, та генератор лінійно наростаючого опорного сигналу, синхронізуючий вхід якого є синхронізуючим входом пристрою, додатково введені N фотодіодів, оптичні входи яких є оптичними сигнальними входами 1...N пристрою, причому кожний фотодіод підключений катодом до електричного сигнального входу кожного з аналогочасових перетворювачів 1...N і підключений анодом до загальної шини джерела живлення, М-канальний віддзеркалювач струму, виходи 1...N якого з'єднані з відповідними електричними опорними входами аналогочасових перетворювачів 1...N, вхід Nканального віддзеркалювача з'єднаний з виходом генератора лінійно наростаючого опорного сигналу, причому генератор лінійно наростаючого опорного сигналу виконаний як генератор лінійно наростаючого струму, а кожний з N аналогочасових перетворювачів виконаний як компаратор струму з потенціальним виходом. Крім того, N-канальний віддзеркалювач з N виходами виконаний на N+1 р-канальних МДНтранзисторах, затвори яких з'єднані зі входом віддзеркалювача і зі стоком вхідного транзистора, загальний провід віддзеркалювача підключений до шини живлення і до витоків N+1 транзисторів, а стоки N вихідних транзисторів підключені відповідно до виходів 1...N віддзеркалювача. Крім того, генератор лінійно наростаючого 5 75161 6 струму містить цифро-аналоговий перетворювач із Надсумарний ефект винаходу виявляється струмовим виходом та лічильник імпульсів відпопри побудові пристрою з кількома, наприклад, з відної розрядності, лічильний вхід якого є синхродвома піддіапазонами. У прототипі для цього ненізуючим входом генератора лінійно наростаючого обхідно використати 2N прецизійних резисторівструму та пристрою, а виходи лічильника підклюдатчиків фотоструму. У запропонованому пристрої чені до відповідних цифрових входів цифродля цього досить використати 2 прецизійні струмоаналогового перетворювача із струмовим вихозадаючі резистори джерела лінійно наростаючого дом. струму у генераторі лінійно наростаючого струму. Крім того, генератор лінійно наростаючого Те, що поставлена задача вирішується всією струму містить генератор постійного стабільного сукупністю ознак винаходу, доведено розкриттям струму, хронуючий коденсатор, комутуючий вузол принципу роботи пристрою. та джерело лінійно наростаючого струму, яке кеТе, що наявність нових ознак винаходу є прирується лінійно наростаючою напругою хронуючочиною появи нових властивостей об'єкту винахого коденсатора, причому позитивна обкладка хроду, очевидно при порівнянні винаходу з прототинуючого коденсатора підключена до виходу пом та з аналогом. Адже тільки завдяки генератора постійного стабільного струму, до визастосуванню компараторів струму (а не напруги) ходу комутуючого вузла та до входу джерела ліотримано всі переваги винаходу стосовно аналога нійно наростаючого струму, вихід якого є виходом та прототипа. генератора лінійно наростаючого струму, комутуТаким чином, отриманий технічний результат ючий вузол підключений паралельно хронуючому доводить вирішення поставленої задачі. конденсатору, а керуючий вхід комутуючого вузла Суть винаходу пояснюється кресленнями. На є синхронізуючим входом генератора лінійно накресленні фіг. 1 зображена електрична схема приростаючого струму та пристрою. строю, у якого генератор лінійно наростаючого Крім того, кожний з N аналогочасових перетструму виконаний за п. 3 формули (містить цифроворювачів, виконаний як компаратор струму з поаналоговий перетворювач із струмовим виходом). тенціальним виходом, побудовано на двох віддзеНа кресленні фіг. 2 зображена електрична схема ркалювачах з одним виходом, причому перший генератора лінійно наростаючого струму, виконавіддзеркалювач з одним виходом виконаний на ного за п. 4 формули. двох п-канальних МДН-транзисторах, затвори яких До складу пристрою входять такі функціоназ'єднані зі входом віддзеркалювача, який є опорльні вузли: компаратори струму 11...1N з потенціаним електричним входом компаратора, і зі стоком льним виходом, фотодіоди 21...2N, N-канальний вхідного транзистора, загальний провід віддзеркавіддзеркалювач 3 з N виходами та генератор 4 лювача підключений до загальної шини і до витолінійно наростаючого струму. Виходи компаратоків двох транзисторів, а стік вихідного транзистора рів струму 1N...1N є відповідними виходами 1...N підключений відповідно до виходу віддзеркалювапристрою. Оптичні входи фотодіодів 21...2N є оптича, причому другий віддзеркалювач з одним вихочними сигнальними входами 1...N пристрою. Пердом виконаний на двох р-канальних МДНші входи компараторів струму 11...1N є електричтранзисторах, затвори яких з'єднані зі входом відними опорними входами компараторів струму. дзеркалювача, який є сигнальним електричним Другі входи компараторів струму 11...1N є електривходом компаратора, і зі стоком вхідного транзисчними сигнальними входами компараторів струму. тора, загальний провід віддзеркалювача підклюКожний з 21...2N фотодіодів підключений аночений до шини живлення і до витоків двох транзидом до загальної шини джерела живлення. Катод сторів, а стік вихідного транзистора підключений кожного з фотодіодів 21...2N підключено до електдо виходу віддзеркалювача, причому з'єднані виричного сигнального входу відповідного компараходи першого і другого віддзеркалювачів утворютора струму 11...1N. ють потенціальний вихід компаратора. N-канальний віддзеркалювач 3 виконаний на Розглянемо основний технічний результат і N+1 р-канальних МДН-транзисторах 31...3N+1, задоведемо, що поставлена задача досягнута. твори яких з'єднані зі входом віддзеркалювача 3 і Отримана підвищена швидкодія пристрою при зі стоком вхідного транзистора 3N+!, загальний низьких потужностях світлового потоку за рахунок провід віддзеркалювача 3 підключений до шини виконання N аналогочасових перетворювачів як живлення і до витоків усіх N+1 транзисторів компараторів струму з потенціальним виходом, що 31...3N+1, а стоки N вихідних транзисторів 31...3N є привело до виключення із схеми прототипа резисвиходами відповідно 1...N віддзеркалювача 3. торів датчиків потужності світлового потоку, які Кожний з компараторів струму 11...1N з потенутворювали паразитні RC ланцюжки разом з ємноціальним виходом виконаний на двох віддзеркастями фотодіодів. лювачах з одним виходом, причому перший відОтримана менша нелінійність (похибка, визвадзеркалювач з одним виходом виконаний на двох на зміною величини струмового навантаження n-канальних МДН-транзисторах 5 і 6, затвори яких цифро-аналогового перетворювача) через те, що з'єднані зі входом віддзеркалювача, який є опорйого вихід навантажений не на входи всіх N аналоним електричним входом компаратора, і зі стоком гочасових перетворювачів, а тільки на еквівалент вхідного транзистора 5, загальний провід віддзервходу одного з цих аналогочасових перетворювакалювача підключений до загальної шини і до вичів і цим зменшено діапазон зміни струмового натоків двох транзисторів 5 і 6, а стік вихідного транвантаження цифро-аналогового перетворювача зистора 6 є виходом віддзеркалювача, причому та, як наслідок, його нелінійність порівняно з продругий віддзеркалювач з одним виходом виконатотипом. ний на двох р-канальних МДН-транзисторах 7 і 8, 7 75161 8 затвори яких з'єднані зі входом віддзеркалювача, 1982, с. 174). який є сигнальним електричним входом компараКомутуючий вузол 13 є загальновідомим вузтора, і зі стоком вхідного транзистора 7, загальний лом і може бути виконаний як транзисторний ключ провід віддзеркалювача підключений до шини жина біполярному транзисторі із загальним емітером влення і до витоків двох транзисторів 7 і 8, а стік або транзисторний ключ на МДН-транзисторі із вихідного транзистора 8 є виходом віддзеркалюзагальним витоком. вача, причому з'єднані виходи першого і другого Тривалість синхронізуючих імпульсів, а тому і віддзеркалювачів утворюють потенціальний вихід ємність хромуючого коденсатора, і струм генеракомпаратора. тора стабільного струму необхідно мати мінімальГенератор 4 лінійно наростаючого струму за п. но можливою. Період синхронізуючих імпульсів, 3 формули містить цифро-аналоговий перетворюємність хронуючого коденсатора та величина вач 9 із струмовим виходом та лічильник імпульсів струмозадаючого резистора джерела лінійно на10 відповідної розрядності, лічильний вхід якого є ростаючого струму розраховуються таким чином, синхронізуючим входом пристрою та генератора щоб максимальна величина струму генератора лінійно наростаючого струму, а виходи лічильника лінійно наростаючого струму перевищувала мак10 підключені до відповідних входів цифросимальну величину фотоструму фотодіода на 5аналогового перетворювача 9 із струмовим вихо10%. дом. Принцип роботи розглянемо для варіанту приГенератор 4 лінійно наростаючого струму за п. строю, визначеному у пунктах 1, 2, 4, 5, коли гене4 формули містить генератор стабільного струму ратор лінійно наростаючого струму виконано ана11, хронуючий коденсатор 12, комутуючий вузол логовим. Робота пристрою синхронізується 13 та джерело лінійно наростаючого струму 14, імпульсами синхронізації. Лінійно наростаючий яке керується лінійно наростаючою напругою хрострум з виходу генератора лінійно наростаючого нуючого коденсатора 12, причому позитивна обструму 4 поступає на вхід N-канального віддзеркакладка хронуючого коденсатора 12 підключена до лювача 3 і з його виходів 1...N поступає на опорні виходу генератора стабільного струму 11, до вивходи відповідних компараторів струму 11...1N для ходу комутуючого вузла 13 та до входу джерела порівняння з фотострумом відповідного фотодіода лінійно наростаючого струму 14, вихід якого є ви21...2N, величина якого пропорціональна величині ходом генератора лінійно наростаючого струму 4, потужності світлового потоку, який падає на фотокомутуючий вузол 13 підключений паралельно діод у місці контролю світлового потоку. Синхроніхронуючому коденсатору 12, а керуючий вхід козуючий імпульс розряджає хронуючий коденсатор мутуючого вузла 13 є синхронізуючим входом ге12, а тому струм генератора 4 лінійно наростаючонератора лінійно наростаючого струму 4 та приго струму стає рівним нулю і меншим фотоструму строю. фотодіодів 21...2N (бо фотодіоди мають незначний Компаратори струму 11...1N з потенціальним темновий фотострум коли вони навіть не освітлевиходом є відомими вузлами, які описано у попені). Тому на виходах 1...N пристрою буде сигнал редній заявці авторів на пристрій «Двопороговий одиничний логічний. Після закінчення синхронізукомпаратор» МПК6 Н 03 К 5/24, G 05 В 1/01. На ючого імпульсу на виходах 1...N пристрою почнуть виході компаратора струму буде сигнал одиничний формуватись імпульси високого рівня, тривалість логічний, коли струм електричного сигнального яких пропорціональна фотоструму фотодіода, підвходу компаратора перевищує струм електричного ключеного до кожного з компараторів струму. У опорного входу, або сигнал нульовий логічний, моменти, коли величина лінійно наростаючого коли струм електричного сигнального входу комструму на опорних входах компараторів струму паратора менше струму електричного опорного перевищить фотоструми відповідних фотодіодів, входу. на виходах компараторів струму будуть сформоЦифро-аналоговий перетворювач 9 із струмовані задні (від'ємні) фронти вихідних імпульсів вивим виходом є загальновідомим вузлом, який високого рівня (рівня логічної одиниці), тривалість конується як мікросхеми (наприклад К572ПА1, яких пропорціональна фотоструму фотодіода. ВиМХ565А, МХ566Ата інші). хідні імпульси нульовго рівня (рівня логічного нуГенератор стабільного струму 11 є загальновіля), закінчать формуватись черговим імпульсом домим вузлом. Найпростішим його варіантом мосинхронізації. Далі робота пристрою буде повтоже бути відома схема рис. 5.11 (Титце У., Шенк К. рятись з кожним черговим імпульсом синхронізаПолупроводниковая схемотехника: Справочное ції. руководство. Пер. с нем.-М.: Мир. 1982, с. 63). У всіх випадках на виходах 1...N пристрою буДжерело лінійно наростаючого струму 14 є заде сигнал одиничний логічний, якщо фотострум гальновідомим вузлом. Найпростішими його варівідповідних фотодіодів 21...2N перевищує опорний антами можуть бути схеми рис. 12.11 а, б (Титце струм та сигнал нульовий логічний, якщо опорний У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: струм перевищує фотострум фотодіодів 21...2N. Справочное руководство. Пер. с нем. -М.: Мир. 9 Комп’ютерна верстка M. Клюкін 75161 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601