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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Photodetektorzelle, einen Laserimpulsdetektor
mit einer solchen Photodetektorzelle sowie eine Laserimpulsdetektor-Vorrichtung, die
eine Matrix von Detektoren dieses Typs umfasst.
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Die
Detektorvorrichtung ist insbesondere, aber nicht ausschließlich dazu
bestimmt, einen Laserimpuls von sehr kurzer Dauer (zum Beispiel
20 ns) zu erkennen, der in einer variabel beleuchteten Lichtumgebung
mit einer vorbestimmten Frequenz (zum Beispiel 10 Hz) ausgesendet
wird. Beispielsweise kann der zu ermittelnde Laserimpuls durch eine
Laserquelle ausgesendet werden, die auf ein Ziel, zum Beispiel einen
Panzer, gerichtet wird, um es zu kennzeichnen, damit es von einem
Waffensystem, wie z. B. einer Rakete, lokalisiert werden kann, die
mit der Detektorvorrichtung ausgestattet ist und die dazu bestimmt
ist, dieses Ziel zu zerstören.
Zu diesem Zweck ist die Laserimpulsdetektor-Vorrichtung zum Beispiel mit
dem Zielsuchkopf der Rakete verbunden, wobei sie an einer fixen
Stelle an der Rakete angeordnet ist und den vor der Rakete befindlichen
Raum beobachtet. Die Informationen bezüglich der Lokalisierung des
Ziels, die durch diese Detektorvorrichtung erzeugt werden, werden
an den Zielkopf gesendet, der sie verwendet, um die Rakete zu dem
Ziel zu führen.
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Ein
wesentlicher Nachteil bei der Verwendung einer solchen Detektorvorrichtung
besteht darin, dass zusätzlich
zu den Laserimpulsen von geringer Energie und kurzer Dauer, die
festgestellt werden sollen, zahlreiche Lichtquellen, insbesondere
Sonnenlicht, vorhanden sind, die ein Lichtrauschen bilden, das die
Erkennung der gesuchten Laserimpulse oft sehr schwierig macht.
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Das
Patent
US 5 376 813 beschreibt
eine Photodetektorzelle mit einem Photosensor und einem Mittel zur
Verarbeitung des elektrischen Stroms, der durch den Photosensor
erzeugt wird.
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Durch
das Patent
FR-2 753 796 ist
ein lichtempfindlicher Detektor zur Erkennung von Lichtsignalen
bekannt, wobei dieser lichtempfindliche Detektor umfasst:
- – eine
lichtempfindliche Diode, die geeignet ist, die empfangene Lichtenergie
in elektrischen Strom oder in ein elektrisches Signal umzuwandeln;
und
- – ein
Mittel zur Verarbeitung der elektrischen Signale, die durch die
lichtempfindliche Diode erzeugt wurden, wobei das Verarbeitungsmittel
einen Nebenschlussstromkreis umfasst, der:
• einerseits die elektrischen
Signale verstärkt,
die einen raschen Anstieg aufweisen und einem gesuchten Lichtsignal
entsprechen, das von der lichtempfindlichen Diode empfangen wird;
und
• andererseits
die elektrischen Signale abschwächt,
die Bestrahlungen der lichtempfindlichen Diode entsprechen, deren
Intensität
sich langsamer verändert.
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Dieser
lichtempfindliche Detektor ermöglicht es
daher, ein Lichtsignal aus dem Lichtrauschen heraus zu erkennen.
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Wenn
gewünscht
wird, einen lichtempfindlichen Detektor dieses Typs für eine Anwendung
herzustellen, wie sie oben beschrieben wurde, so stößt man jedoch
auf mehrere Probleme, insbesondere:
- – ein Größenproblem.
Tatsächlich
muss der Detektor eine sehr geringe Größe aufweisen, zum Beispiel
70 μm × 70 μm;
- – ein
Kostenproblem. Um rentabel zu sein, müssen die Herstellungskosten
für den
Detektor sehr gering sein; und
- – ein
technisches Problem. Der Detektor muss einen Laserimpuls von kurzer
Dauer (zum Beispiel 20 ns) und von sehr geringer Energie (zum Beispiel
10–13 J)
aus dem Lichthindergrund erkennen und extrahieren können.
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Zweck
der vorliegenden Erfindung ist es, diese Probleme zu beseitigen.
Sie betrifft eine Photodetektorzelle, wie sie in Anspruch 1 definiert
ist, deren Kosten niedrig sind und die es ermöglicht, auf besonders wirksame
Weise einen Laserimpuls von sehr kurzer Dauer und geringer Energie
zu erkennen, der in einer variabel beleuchteten Lichtumgebung ausgesendet
wird.
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Zu
diesem Zweck ist die Photodetektorzelle, die in der Form eines integrierten
Schaltkreises in CMOS-Technologie ausgebildet ist und Folgendes umfasst:
einen Photosensor, der geeignet ist, eine empfangene Lichtenergie
in elektrischen Strom umzuwandeln, und ein Mittel zur Verarbeitung
des elektrischen Stroms, der durch den Photosensor erzeugt wurde,
dadurch gekennzeichnet, dass das Verarbeitungsmittel einen kaskodierten
invertierenden Verstärker
umfasst, der durch eine Gegenkopplung vom Typ langsamer Folger zur
Schleife geschaltet ist, die durch den elektrischen Strom gespeist
wird, der durch den Photosensor erzeugt wird.
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Auf
diese Weise wird eine Photodetektorzelle erzielt, die besonders
effizient darin ist, den elektrischen Strom in Verbindung mit einem
kurzzeitigen Lichtimpuls aus dem gesamten elektrischen Strom zu
isolieren (und zu verstärken),
der durch den Photosensor erzeugt wird und der auch den Lichthintergrund
umfasst, um in der Folge das Signal verarbeiten zu können, das
diesem Lichtimpuls entspricht.
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Wie
unten im Einzelnen zu sehen sein wird, weist die Photodetektorzelle
zahlreiche zusätzliche Vorteile
auf. Sie ist insbesondere kompakt, einfach herzustellen und wenig
empfindlich gegenüber
technologischen Streuungen.
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Darüber hinaus
sind die Herstellungskosten der Photodetektorzelle gering, vor allem
aufgrund ihrer Ausgestaltung in Form eines integrierten Schaltkreises
durch ein herkömmliches
CMOS-Herstellungsverfahren.
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Gemäß der Erfindung
umfasst die Gegenkopplung einen Folger (vom langsamen Typ), der mehrere
identische NMOS-Transistoren
umfasst, die in Serie geschaltet sind und durch den elektrischen Strom
gespeist werden, der durch den Photosensor erzeugt wird. Vorzugsweise
umfasst der Folger zwei NMOS-Transistoren.
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Außerdem ist
in einer bevorzugten Ausführungsform
der Photosensor eine Photodiode vom Typ Wanne-Substrat, die besonders
geeignet zur Erkennung eines Infrarot-Laserimpulses ist.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst auch einen Laserimpulsdetektor, der
eine Photodetektorzelle umfasst, wie sie oben beschrieben wurde.
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Vorteilhafterweise
umfasst der Detektor darüber
hinaus:
- – ein
Hochpassfilter mit zur Schleife geschaltetem invertierendem Verstärker; und/oder
- – einen
Vergleicher mit PMOS-Differentialpaar mit NMOS-Last, um die Reaktion der Photodetektorzelle
mit einer einstellbaren Schwelle zu vergleichen; und/oder
- – eine
Speicherzelle.
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Darüber hinaus
betrifft die vorliegende Erfindung auch eine Laserimpulsdetektor-Vorrichtung,
die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie eine Vielzahl von Laserimpulsdetektoren
von dem oben genannten Typ umfasst, die in einem integrierten Schaltkreis gebildet
sind und in Form einer Matrix in Zeilen und Spalten angeordnet sind.
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Die
beiliegenden Zeichnungen werden gut verständlich machen, wie die Erfindung
ausgeführt werden
kann. In diesen Zeichnungen bezeichnen identische Bezugszeichen ähnliche
Elemente.
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1 zeigt
schematisch eine erfindungsgemäße Photodetektorzelle.
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2 und 3 zeigen
auf schematische Weise einen Verstärker bzw. einen Folger der
Photodetektorzelle von 1.
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4 zeigt
schematisch einen erfindungsgemäßen Laserimpulsdetektor.
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5 zeigt
schematisch und teilweise eine erfindungsgemäße Laserimpulsdetektor-Vorrichtung.
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Die
erfindungsgemäße und in 1 dargestellte
Photodetektorzelle 1 ist insbesondere dazu bestimmt, einen
Laserimpuls 2 von sehr kurzer Dauer (zum Beispiel 20 ns)
und geringer Energie (zum Beispiel 10–13 J)
zu erkennen, der in einer variabel beleuchteten Lichtumgebung mit
einer vorbestimmten Frequenz (zum Beispiel 10 Hz) ausgesendet wird.
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Die
Photodetektorzelle 1, die in Form eines integrierten Schaltkreises
in CMOS-Technologie ausgebildet ist, ist von dem Typ, der Folgendes
umfasst: einen Photosensor 3, der geeignet ist, eine empfangene
Lichtenergie in elektrischen Strom umzuwandeln, und ein Mittel 4 zur
Verarbeitung des elektrischen Stroms, der durch den Photosensor 3 erzeugt wurde.
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Gemäß der Erfindung
umfasst das Verarbeitungsmittel 4 einen kaskodierten invertierenden
Verstärker 5,
der durch eine Gegenkopplung 6 vom Typ langsamer Folger
zur Schleife geschaltet ist, die durch den elektrischen Strom gespeist
wird, der durch den Photosensor 3 erzeugt wird. Dieses
Verarbeitungsmittel 4 liefert an seinem Ausgang eine Spannung
Vs, die eine Funktion der daran angelegten Eingangsspannung Ve ist.
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Der
kaskodierte invertierende Verstärker 5 umfasst,
wie dies in 2 dargestellt ist, zwischen einem
Belastungstransistor 7 (mit der Ladespannung Vd, bei einer
Bezugsspannung Vref1) und einem mit der Masse M des Kreises verbundenen
Signaltransistor 8 (der als Eingangssignal eine Spannung
Ve1 empfängt)
eine Stufe vom Typ gemeinsame Gateschaltung, die aus einem Transistor 9 des
gleichen Typs wie der Transistor 8 gebildet ist [zum Beispiel
einem NMOS-Transistor,
d. h. einem Metalloxid-Halbleiter mit N-Kanal], dessen Gate auf
eine Bezugsspannung Vref2 polarisiert ist. Die Ausgangsspannung
dieses Verstärkers 5 wird
mit Vs1 bezeichnet.
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Die
Gegenkopplung 6 umfasst, wie dies in 3 dargestellt
ist, einen Transistor 10, an dessen Gate das System zur
Schleife geschaltet ist, und mindestens einen Transistor 11,
der vorzugsweise identisch mit dem Transistor 10 ist und
in Serie mit dem Transistor 10 geschaltet ist. Die verschiedenen
Transistoren 10, 11 werden durch den elektrischen
Strom gespeist, der durch den Photosensor 3 erzeugt wird. Dieser
Folger vom langsamen Typ kann eine Vielzahl von NMOS-Transistoren
umfassen. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst er nur zwei
Transistoren 10 und 11, wie dies in 1 und 3 dargestellt
ist.
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Es
ist festzustellen, dass bei langsamen Schwankungen des Stroms, der
die Gegenkopplung 6 speist, der Verstärker 5 rückgekoppelt
ist, während er
bei einer raschen Schwankung in offener Schleife funktioniert. Die
Photodetektorzelle 1 ist daher durch eine dynamische Verstärkung und
eine statische Verstärkung
gekennzeichnet, so dass:
- – bei der dynamischen Verstärkung (Reaktion
der Photodetektorzelle 1 auf einen Stromimpuls iph, der
durch den Photosensor 3 infolge seiner Beleuchtung durch
einen Laserimpuls 2 erzeugt wurde) die Reaktion der Zelle 1 über praktisch
den gesamten Bereich des Hintergrundstroms, über den der Laserimpuls 2 gelagert
ist, folgende ist, wenn die Verstärkung des Verstärkers 5 in
offener Schleife unabhängig
von diesem Hintergrundstrom ist: wobei:
• t die Dauer
des Impulses 2 ist;
• A die Verstärkung des
Verstärkers 5 in
offener Schleife ist;
• C
die Kapazität
des Photosensors 3 ist; und
• Vs die Amplitude der Reaktion
am Ausgang der Zelle 1 ist;
- – bei
der statischen Verstärkung
die Veränderung des
den Photosensor durchquerenden Stroms von i0 zu i1 die kontinuierliche
Spannung am Ausgang der Zelle 1 von V0 auf V1 ändert: wobei:
• n die Anzahl
der Transistoren in der Schleife ist (zwei in dem Beispiel von 1, 3 und 4);
und
• Vt
das thermodynamische Potential ist.
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Dies
entspricht der nicht verstärkten
Reaktion eines logarithmischen Detektors auf einen langsamen Strom.
Die hohe Eingangsdynamik, die die Bedeutung dieses Photodetektors
ausmacht, wird auf praktisch unabhängige Weise von der Verstärkung A des
Verstärkers
genutzt.
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In
der in 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsform
ist der Photosensor 3 eine Photodiode vom Typ tiefe Wanne,
die eine Wanne 12 vom Typ N umfasst, die in einem Substrat 13 vom
Typ P gebildet ist und die mit einer Beleuchtungsfläche 14 versehen
ist. Ein solcher Photosensor 13 ist besonders geeignet
zur Erkennung eines Infrarot-Laserimpulses.
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Es
ist festzustellen, dass die erfindungsgemäße Photodetektorzelle 1 geeignet
ist, einen Lichtimpuls (Laser) von 20 ns unter 0,1 μW zu erkennen,
was einer Energie in der Größenordnung
eines Femtojoule entspricht. Darüber
hinaus ist ihre Empfindlichkeit praktisch unabhängig von der Stärke des kontinuierlichen
Lichthintergrunds, über
den der Lichtimpuls 2 gelagert ist, und dies über eine
Hintergrunddynamik von 6 Dekaden.
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Somit
wird dank der Erfindung eine Photodetektorzelle 1 erzielt,
die besonders effizient darin ist, den elektrischen Strom in Verbindung
mit einem kurzzeitigen Lichtimpuls 2 aus dem gesamten elektrischen
Strom zu isolieren (und zu verstärken),
der durch den Photosensor 3 erzeugt wird und der auch den
Lichthintergrund umfasst, um in der Folge das Signal verarbeiten
zu können,
das diesem Lichtimpuls 2 entspricht.
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Darüber hinaus
weist die Photodetektorzelle 1 zahlreiche zusätzliche
Vorteile auf. Sie ist insbesondere kompakt, einfach herzustellen
und wenig empfindlich gegenüber
technologischen Streuungen, wobei zudem die Herstellungskosten gering
sind, und zwar vor allem aufgrund ihrer Ausgestaltung in Form eines
integrierten Schaltkreises in einer herkömmlichen CMOS-Technologie.
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Die
Photodetektorzelle 1 kann in einen Laserimpulsdetektor 16 integriert
werden, der in einer bevorzugten Ausführungsform in 4 dargestellt
ist.
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Der
Detektor 16 umfasst neben der Photodetektorzelle 1 in
aufeinanderfolgender Weise:
- – ein Filtermittel 17;
- – einen
Vergleicher 18;
- – eine
Speicherzelle 19; und
- – ein
Mittel 20 zur Zeilenauswahl.
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Obwohl
ihre Empfindlichkeit unabhängig vom
Ausmaß des
Lichthintergrunds ist, filtert die Photodetektorzelle 1 nicht
die langsame Komponente des Hintergrunds. Es ist der Zweck des Filtermittels 17,
das ein Hochpassfilter umfasst, diese Filterung durchzuführen.
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Das
Filtermittel 17 ist ein Hochpassfilter mit zur Schleife
geschaltetem invertierendem Verstärker, das neben einer Kapazität Cf zwei
Transistoren 21 und 22 umfasst, die den Verstärker bilden
und diodengeschaltet sind. Der entsprechende Widerstand ist umgekehrt
proportional zur Summe ihres Gegenwirkleitwerts, und die parasitären Kapazitäten, die durch
den Verstärker
am Ausgang der Zelle eingebracht werden, sind im Wesentlichen die
Gate-Source-Kapazitäten der
Transistoren 21 und 22. An den Transistor 21 wird
eine Polarisierungsspannung Vf angelegt.
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Es
ist darüber
hinaus festzustellen, dass der Mindestwert der Kapazität Cf durch
die Größe der Transistoren 21 und 22 des
Filtermittels 17 vorgegeben wird, und dass der Höchstwert
von der Siliciumfläche
abhängt,
die man verwenden will: Die Kapazitäten werden zum Beispiel durch
die Übereinanderlagerung
von Polysiliciumschichten 1 und 2 gebildet. Eine
Kapazität
von 180 fF belegt eine Fläche
in der Größenordnung
von 100 μm2.
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Darüber hinaus
ist es der Zweck des Vergleichers 18, die parasitären Erkennungen
zu reduzieren, indem die Vergleichsschwelle erhöht wird, wenn die Stärke der
Lichtenergie groß ist.
Zu diesem Zweck ist der Vergleicher 18 ein Vergleicher
mit PMOS-Differentialpaar (Transistoren 23 und 24) [PMOS:
Metalloxid-Halbleiter mit P-Kanal] mit NMOS-Last (Transistoren 25 und 26),
um das vom Filtermittel 17 ausgegebene Signal mit einer
einstellbaren Schwelle (Vseuil) zu vergleichen.
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Der
Transistor 25 (an dem eine Polarisierungsspannung Vpol
anliegt) wird als Stromquelle verwendet, und der Transistor 26 ist
ein spannungsgeregelter Widerstand (Vgain).
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Was
die Speicherzelle 19 betrifft, so ist diese in Form eines
herkömmlichen
Speichers vom Typ "Latch" ausgebildet, der
Transistoren 27 bis 34 umfasst und mit einer Steuerspannung
Vlatch verbunden ist. Zweck dieser Speicherzelle 19 ist
es, den Durchgang des Vergleichers 18 durch ein niedriges Niveau
zu speichern, das der Erkennung eines Lichtimpulses entspricht.
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Darüber hinaus
umfasst das Mittel 20 zur Zeilenauswahl zwei Transistoren 35 und 36 und
ist mit einer Steuerspannung Vsel verbunden. Das Mittel 20 liefert
somit das Ausgangssignals (Vs2) des Laserimpulsdetektors 16.
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Folglich
umfasst der Detektor 16 fünf Polarisierungsspannungen
(Vref1, Vref2, Vf, Vgain, Vpol) und drei Steuerspannungen (Vseuil,
Vlatch, Vsel).
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Ein
solcher Detektor 16 kann Teil einer Vorrichtung 38 zur
Erkennung eines Laserimpulses sein. Zu diesem Zweck umfasst diese
Vorrichtung 38, wie dies insbesondere in 5 dargestellt
ist, eine Vielzahl von Laserimpulsdetektoren 16 wie den
oben beschriebenen, die in einem integrierten Schaltkreis gebildet
sind und in Form einer Matrix in Zeilen L1, L2, L3, L4, L5, L6 (mit
Ausgangsverbindungen l1 bis l6) und Spalten C1, C2, C3, C4, C5 (mit
Ausgangsverbindungen e1 bis e5) angeordnet sind.
