ES2301763T3 - Celula de fotodeteccion y detector de impulso de laser provisto de dicha celula asi como de un dispositivo de deteccion de impulso de laser que comprende una matriz de tales detectores. - Google Patents
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Abstract
Célula de fotodetección realizada bajo forma de un circuito integrado con tecnología CMOS y que comporta un fotodetector (3) que es susceptible de transformar una energía luminosa recibida en una corriente eléctrica y un medio de tratamiento (4) de la corriente eléctrica generada por dicho fotodetector (3), caracterizada porque dicho medio de tratamiento (4) comporta un amplificador inversor cascode (5) con bucle por una contrarreacción (6) del tipo seguidor lento que comprende un seguidor con transistores NMOS idénticos (10,11) montados en serie y alimentados por la corriente eléctrica generada por dicho fotodetector (3).
Description
Célula de fotodetección y detector de impulso
de láser provisto de dicha célula así como un dispositivo de
detección de impulso de láser que comprende una matriz de tales
detectores.
La presente invención se refiere a una célula de
fotodetección y a un detector de impulso de láser provisto de
dicha célula de fotodetección, así como un dispositivo de detección
de impulso de láser que comprende una matriz de detectores de este
tipo.
Aunque no exclusivamente, dicho dispositivo de
detección está destinado más particularmente a detectar un impulso
de láser de duración muy corta (por ejemplo 20 ns) que se emita en
un entorno luminoso ambiente de iluminación variable, con una
frecuencia predeterminada (por ejemplo 10 Hz). A título de
ilustración, el impulso de láser a detectar puede ser emitido por
una fuente de láser que apunte a un blanco, por ejemplo un tanque
(carro de combate), para designarlo con el fin de que pueda ser
localizado por un sistema de armamento, tal como un misil, que esté
equipado con dicho dispositivo de detección y que esté destinado a
destruir dicho blanco. Con este fin, dicho dispositivo de detección
de impulso de láser está por ejemplo asociado al autodirector del
misil, está dispuesto fijo en dicho misil y observa el espacio hacia
la parte delantera de dicho misil. Las informaciones relativas a la
localización del blanco, que genera este dispositivo de detección,
son proporcionadas al autodirector que las utiliza para guiar el
misil hacia el blanco.
Un inconveniente importante referente a la
utilización de un tal dispositivo de detección reside en la
presencia, además de los impulsos de láser de energía reducida y de
corta duración que se desee detectar, en numerosas iluminaciones en
particular solares que forman un ruido de fondo luminoso, que hacen
a menudo muy difícil la detección de dichos impulsos de láser que se
pretenden.
La patente US 5 376 813 describe una célula de
fotodetección que comprende un fotodetector y un medio de
tratamiento de la corriente eléctrica generada por el
fotodetector.
Por la patente FR-2 753 796, se
conoce un detector fotosensible para la detección de destellos
luminosos, comportando este detector fotosensible:
- -
- un diodo fotosensible susceptible de transformar la energía luminosa recibida en una corriente eléctrica o señal eléctrica; y
- -
- un medio de tratamiento de las señales eléctricas generadas por dicho diodo fotosensible, comprendiendo dicho medio de tratamiento un circuito eléctrico derivador que:
- \bullet
- por una parte, refuerza las señales eléctricas que presenten un tiempo de subida rápida y que correspondan a un destello luminoso buscado recibido por el diodo fotosensible; y
- \bullet
- por otra parte, atenúa las señales eléctricas que correspondan a iluminaciones más lentamente variables en intensidad, de dicho diodo fotosensible.
Este detector fotosensible permite por lo tanto
destacar un destello luminoso en relación con el ruido de fondo
luminoso.
Sin embargo, cuando se desee realizar un
detector fotosensible de este tipo, para una aplicación como la
anteriormente citada, se tropieza con varias limitaciones y en
particular:
- -
- una limitación de tamaño. El detector debe en efecto presentar un tamaño muy reducido, por ejemplo 70 \mum x 70 \mum;
- -
- una limitación de coste. Para que sea rentable, el detector debe presentar un coste de fabricación muy bajo; y
- -
- una limitación técnica. El detector debe poder detectar y extraer del fondo luminoso un impulso de láser de corta duración (por ejemplo 20 ns) y de energía muy reducida (por ejemplo 10^{-13} J).
La presente invención tiene por objeto remediar
estos inconvenientes. Se refiere a una célula de fotodetección tal
como se define en la reivindicación 1, de coste reducido, que
permite detectar de modo particularmente eficaz un impulso de láser
de duración muy corta y de energía reducida que es emitido, en un
entorno de ambiente luminoso, de iluminación variable.
A este efecto, según la invención, dicha célula
de fotodetección realizada bajo forma de un circuito integrado en
tecnología CMOS y que comporta un fotodetector que es susceptible de
transformar una energía luminosa recibida en una corriente eléctrica
y un medio de tratamiento de la corriente eléctrica generada por
dicho fotodetector, es notable porque dicho medio de tratamiento
comporta un amplificador inversor cascode, en bucle por una
contrarreacción de tipo seguidor lento, que es alimentada por la
corriente eléctrica generada por dicho fotodetector.
Así, se obtiene una célula de fotodetección que
es particularmente eficaz para aislar (y amplificar) la corriente
eléctrica relativa a un impulso luminoso de corta duración, en
relación con la corriente eléctrica global que genera dicho
fotodetector y que comprende igualmente el fondo luminoso, de modo
que pueda a continuación tratar la señal correspondiente con este
impulso luminoso.
Además, como se verá más detalladamente a
continuación, esta célula de fotodetección presenta numerosas
ventajas suplementarias. Es en particular compacta, fácil de
fabricar y poco sensible a las dispersiones tecnológicas.
Por otra parte, dicha célula fotoeléctrica
presenta un coste reducido, en particular debido a su realización
bajo forma de circuito integrado por un procedimiento de fabricación
CMOS usual.
Según la invención, dicha contrarreacción
comprende un seguidor (de tipo lento) que comporta varios
transistores NMOS idénticos, montados en serie y alimentados por la
corriente eléctrica generada por dicho fotodetector. De preferencia,
dicho seguidor comporta dos transistores NMOS.
Además, en un modo de realización preferido,
dicho fotodetector es un fotodiodo de tipo
caja-sustrato, que es particularmente apropiado para
la detección de un impulso de láser infrarrojo.
La presente invención comporta igualmente un
detector de impulso de láser que comporta una célula de
fotodetección tal como se ha descrito anteriormente.
Ventajosamente, dicho detector comporta
además:
- -
- un filtro de paso alto con amplificador inversor con bucle; y/o
- -
- un comparador con par diferencial PMOS con carga NMOS, para comparar la respuesta de la célula de fotodetección con un umbral ajustable; y/o
- -
- una célula de memorización.
Por otra parte, la presente invención se refiere
igualmente a un dispositivo de detección de impulso de láser, que es
notable porque comporta una pluralidad de detectores de impulso de
láser del tipo antes citado, que están formados en un circuito
integrado y que están dispuestos en líneas y en columnas bajo forma
de matriz.
Las figuras del dibujo adjunto harán comprender
como puede realizarse la invención. En estas figuras, referencias
idénticas designan elementos semejantes.
La figura 1 representa esquemáticamente una
célula de fotodetección según la invención.
Las figuras 2 y 3 muestran, de modo esquemático,
respectivamente un amplificador y un seguidor de la célula de
fotodetección de la figura 1.
La figura 4 representa esquemáticamente un
detector de impulso de láser según la invención.
La figura 5 muestra, esquemática y parcialmente,
un dispositivo de detección de impulso de láser según la
invención.
La célula de fotodetección 1 según la invención
y representada en la figura 1 está destinada más particularmente a
detectar un impulso de láser 2 de muy corta duración (por ejemplo 20
ns) y de energía reducida (por ejemplo 10^{-13} J), que es emitido
en un entorno luminoso ambiente de iluminación variable, con una
frecuencia predeterminada (por ejemplo 10 Hz).
Dicha célula de fotodetección 1 que está
realizada bajo forma de un circuito integrado de tecnología CMOS es
del tipo que comporta un fotodetector 3, que es susceptible de
transformar una energía luminosa recibida en una corriente eléctrica
y un medio 4 de tratamiento de la corriente eléctrica generada por
dicho fotodetector 3.
Según la invención, dicho medio de tratamiento 4
comporta un amplificador inversor cascode 5, con bucle por una
contrarreacción 6 de tipo seguidor lento, que es alimentada por la
corriente eléctrica generada por dicho fotodetector 3. Este medio de
tratamiento 4 emite a su salida una tensión Vs, en función de la
tensión de entrada Ve que le es aplicada.
El amplificador inversor cascode 5 comporta tal
como se representa en la figura 2, entre un transistor 7 de carga (a
la tensión de carga Vd, con una tensión de referencia Vref1) y un
transistor 8 de señal (que recibe como señal de entrada una tensión
Ve1) conectado a la masa M del circuito, un nivel de tipo rejilla
común compuesto por un transistor 9 del mismo tipo que el transistor
8 (por ejemplo un transistor NMOS, es decir un semiconductor con
óxido de metal con canal N), cuya rejilla está polarizada con una
tensión de referencia Vref2. La tensión de salida de este
amplificador 5 es señalada Vs1.
La contrarreacción 6 comprende, como se
representa en la figura 3, un transistor 10 sobre cuya rejilla el
sistema forma bucle y al menos un transistor 11, de preferencia
idéntico al transistor 10 que está montado en serie con dicho
transistor 10. Los diferentes transistores 10, 11 están alimentados
por la corriente eléctrica generada por el fotodetector 3. Este
seguidor de tipo lento puede comportar una pluralidad de
transistores NMOS. En un modo de realización preferido, comporta
únicamente dos transistores 10 y 11, como se representa en las
figuras 1 y 3.
Se observará que para unas variaciones lentas de
la corriente que alimenta la contrarreacción 6, el amplificador 5 es
contrarreaccionado mientras que, para una variación rápida, funciona
en bucle abierto. La célula de fotodetección 1 se caracteriza
entonces por una ganancia dinámica y una ganancia estática tales
como:
- -
- para la ganancia dinámica (respuesta de la célula de fotodetección 1 con un impulso de corriente iph generado por el fotodetector 3 tras su iluminación por un impulso de láser 2), sobre casi toda la gama de corriente de fondo a la cual se superpone el impulso de láser 2, la respuesta de la célula 1 es válida, si la ganancia en bucle abierto del amplificador 5 es independiente de esta corriente de fondo:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
- con:
- \bullet
- t, la duración del impulso 2;
- \bullet
- A, la ganancia del amplificador 5 en bucle abierto;
- \bullet
- C, la capacidad del fotodetector 3; y
- \bullet
- Vs, la amplitud de la respuesta en la salida de la célula 1;
- -
- para la ganancia estática, la evolución de la corriente que atraviesa el fotodetector de i0 a i1 modifica la tensión continua en la salida de la célula 1 de V0 a V1:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
- con:
- \bullet
- n, el número de transistores en el bucle (dos en el ejemplo de las figuras 1, 3 y 4); y
- \bullet
- Vt, el potencial termodinámico.
Esto corresponde a la respuesta no amplificada
de un detector logarítmico con corriente lenta. Se beneficia de la
gran dinámica de entrada que hace que este fotodetector sea
interesante, de manera casi independiente de la ganancia A del
amplificador.
Por otra parte, en el modo de realización
preferido representado en la figura 1, el fotodetector 3 es un
fotodiodo de tipo caja profunda que comprende una caja 12 de tipo N
que está formada en un sustrato 13 de tipo P y que está provista de
una superficie de iluminación 14. Dicho fotodetector 13 es
particularmente apropiado para la detección de un impulso de láser
infrarrojo.
Se observará que la célula de fotodetección 1
según la invención es capaz de detectar un impulso luminoso (de
láser) de 20 ns inferior a 0,1 \muW, lo que corresponde a una
energía del orden del femtojulio. Además, su sensibilidad es casi
independiente del nivel del fondo luminoso continuo, al que se
superpone el impulso luminoso 2 sobre una dinámica del fondo de 6
décadas.
Así, gracias a la invención, se obtiene una
célula de fotodetección 1 que es particularmente eficaz para aislar
(y amplificar) la corriente eléctrica relativa a un impulso luminoso
2 de corta duración, en relación con la corriente eléctrica global
que genera dicho fotodetector 3 y que comprende igualmente el fondo
luminoso, de modo que pueda tratarse la señal correspondiente con
este impulso luminoso 2.
Además, dicha célula de fotodetección 1 presenta
numerosas ventajas suplementarias. Es particularmente compacta, de
fabricación sencilla, poco sensible a las dispersiones tecnológicas,
y además presenta un coste reducido, en particular debido a su
realización bajo forma de circuito integrado con una tecnología CMOS
usual.
Dicha célula de fotodetección 1 puede estar
integrada en un detector 16 de impulso de láser representado según
un modo de realización preferido en la figura 4.
\vskip1.000000\baselineskip
Dicho detector 16, comporta además de dicha
célula de fotodetección 1, sucesivamente:
- -
- un medio de filtrado 17;
- -
- un comparador 18;
- -
- una célula de memorización 19; y
- -
- un medio 20 de selección de línea.
\vskip1.000000\baselineskip
Aunque su sensibilidad sea independiente del
nivel del fondo luminoso, la célula de fotodetección 1 no filtra el
componente lento del fondo. El medio de filtrado 17 que comprende un
filtro de paso alto tiene por objeto realizar este filtrado.
Dicho medio de filtrado 17 es un filtro de paso
alto con amplificador inversor con bucle que comporta, además de una
capacidad Cf, dos transistores 21 y 22 que constituyen el
amplificador y que están montados en diodo. La resistencia
equivalente es inversamente proporcional a la suma de su
transconductancia y las capacidades parásitas aportadas por el
amplificador a la salida de la célula son principalmente las
capacidades rejilla-fuente de los transistores 21 y
22. El transistor 21 está sometido a una tensión de polarización
Vf.
Se observará además que el valor mínimo de la
capacidad Cf está impuesto por el tamaño de los transistores 21 y 22
del medio de filtrado 17 y el valor máximo depende de la superficie
de silicio que se quiera utilizar: las capacidades se realizan a
partir de la superposición de capas de polisilicio 1 y 2 por
ejemplo. Una capacidad de 180 fF ocupa una superficie del orden de
100 \mum^{2}.
Por otra parte, el comparador 18 tiene por
objeto reducir las detecciones parásitas elevando el umbral de
comparación, cuando la potencia de la energía luminosa es
importante. A este efecto, dicho comparador 18 es un comparador con
par diferencial PMOS (transistores 23 y 24) [PMOS: semiconductor con
óxido de metal con canal P] con carga NMOS (transistores 25 y 26),
para comparar la señal procedente del medio de filtrado 17 con un
umbral ajustable (Vumbral).
Se utiliza el transistor 25 (sometido a una
tensión de polarización Vpol) como fuente de corriente y el
transistor 26 es una resistencia accionada en tensión
(Vganancia).
En relación con la célula de memorización 19, se
realiza bajo forma de una memoria usual de tipo "latch", que
comporta unos transistores 27 a 34 y asociada a una tensión de mando
Vlatch. Esta célula de memorización 19 tiene por objeto memorizar el
paso del comparador 18 por un nivel bajo que corresponde a la
detección de un impulso luminoso.
Por otra parte, el medio 20 de selección de
línea comporta dos transistores 35 y 36 y está asociado a una
tensión de mando Vsel. Dicho medio 20 emite entonces la señal de
salida (Vs2) de dicho detector 16 de impulso lasérico.
Por consiguiente, el detector 16 comporta cinco
tensiones de polarización (Vref1, Vref2, Vf, Vganancia, Vpol) y tres
tensiones de mando (Vumbral, Vlatch, Vsel).
Dicho detector 16 puede formar parte de un
dispositivo 38 de detección de impulso de láser. A este efecto, este
dispositivo 38 comporta, tal como se representa parcialmente en la
figura 5, una pluralidad de detectores 16 de impulso de láser, tales
como el anteriormente citado, que están formados en un circuito
integrado y que están dispuestos en líneas L1, L2, L3, L4, L5, L6
(con unas conexiones de salida L1 a L6) y en columnas
C1, C2, C3, C4, C5 (con unas conexiones de salida e1 a e5), bajo
forma de matriz.
\newpage
Esta lista de documentos indicados por el
solicitante se ha recogido exclusivamente para información del
lector, y no es parte constituyente del documento de patente
europeo. Ha sido recopilada con el mayor cuidado; sin embargo, la
EPA no asume ninguna responsabilidad por posibles errores u
omisiones.
- \bullet US 5376813 A [00046]
- \bullet FR 2753796 [0005]
Claims (8)
1. Célula de fotodetección realizada bajo forma
de un circuito integrado con tecnología CMOS y que comporta un
fotodetector (3) que es susceptible de transformar una energía
luminosa recibida en una corriente eléctrica y un medio de
tratamiento (4) de la corriente eléctrica generada por dicho
fotodetector (3),
caracterizada porque dicho medio de
tratamiento (4) comporta un amplificador inversor cascode (5) con
bucle por una contrarreacción (6) del tipo seguidor lento que
comprende un seguidor con transistores NMOS idénticos (10,11)
montados en serie y alimentados por la corriente eléctrica generada
por dicho fotodetector (3).
2. Célula de fotodetección según la
reivindicación 1, caracterizada porque dicho seguidor
comporta dos transistores NMOS (10, 11).
3. Célula de fotodetección según una de las
reivindicaciones 1 y 2,
caracterizada porque dicho fotodetector
(3) es un fotodiodo de tipo caja-sustrato.
4. Detector de impulso lasérico,
caracterizado porque comporta una célula
de fotodetección (1) tal como se especifica en una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3.
5. Detector según la reivindicación 4,
caracterizado porque comporta además un
filtro de paso alto (17) con amplificador inversor con bucle.
6. Detector según una de las reivindicaciones 4
y 5,
caracterizado porque comporta además un
comparador (18) con par diferencial PMOS con carga NMOS, para
comparar la respuesta de la célula de fotodetección (1) con un
umbral ajustable.
7. Detector según una de las reivindicaciones 4
a 6,
caracterizado porque comporta además una
célula de memorización (19).
8. Dispositivo de detección de impulso de
láser,
caracterizado porque comporta una
pluralidad de detectores (1) de impulso lasérico, tales como el
especificado en una cualquiera de las reivindicaciones 4 a 7, que
están formados en un circuito integrado y que están dispuestos en
líneas (L1 a L6) y en columnas (C1 a C5) bajo forma de matriz.
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