Semiconductor Light-Controlled Instrument Transducer with Direct PWM Output for Automatic Control Systems

 

O. Malik*, F. J. De la Hidalga-W.

 

Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE) Departamento de Electrónica Puebla, México *amalik@inaoep.mx

 

ABSTRACT

This work shows that the direct PWM output electric signal, with a duty cycle controlled by light intensity, can be obtained using a circuit containing a saw-tooth voltage generator connected in series with a dc voltage source and a metal (semitransparent gate) oxide semiconductor capacitor (MOS-C).

The internal PWM signal conversion occurs by the use of non-equilibrium physical processes in the semiconductor substrate of the MOS-C. The 10-20 V amplitude limited square PWM output signal is obtained by the amplification of the sensor signal with a standard 60 dB transimpedance amplifier. The amplified output signal presents positive and negative PWM waveforms that can be easily separated using diodes. The duty of the positive part is proportional to the light intensity, whereas the negative part is inversely proportional to the intensity. The frequency operating range of this proposed instrument varies from 1 Hz to a few kilohertz. The duty cycle of the PWM output signal varies from 2% to 98% when the incident light intensity varies in the microwatts range. These new transducers or sensors could be useful for automatic control, robotic applications, dimmer systems, feedback electronic systems, and non-contact optical position sensing for nulling and centering measurements.

Keywords: MOS-C transducer, light controlled, PWM output.

 

RESUMEN

Cualquier sistema de instrumentación consiste de tres elementos: el sensor o dispositivo de entrada, el procesador de señales, y el receptor o dispositivo de salida. Diversos sistemas de control automático o con retroalimentación requieren una señal eléctrica de salida en forma de pulsos con modulación en su ancho (PWM). Generalmente la señal analógica de salida se transforma usando un convertidor de señal PWM.

En este trabajo se muestra que una señal de salida PWM, con una razón ancho-de-pulso/período (duty cycle) controlado por la intensidad de la iluminación, puede obtenerse directamente utilizando un circuito que contiene un capacitor metal (compuerta semitransparente) -óxido-semiconductor (MOS-C) conectado en serie con una fuente de DC y un generador de funciones que proporciona un voltaje periódico en forma de dientes de sierra.

Internamente, la conversión de señal a PWM se logra explotando los procesos físicos fuera de equilibrio que se presentan dentro del sustrato de silicio del MOS-C. La señal cuadrada PWM, cuya amplitud está limitada a 10-20 V, se obtiene mediante la amplificación de la señal de transductor usando un amplificador estándar de transimpedancia de 60 dB. La señal de salida amplificada presenta una forma de onda PWM positiva y negativa que pueden separarse usando diodos.

La razón ancho-de-pulso/período de la parte positiva es proporcional a la intensidad de la iluminación, mientras que la parte negativa es inversamente proporcional a dicha intensidad. La frecuencia de operación de este instrumento se encuentra en el rango de 1 Hz hasta algunos kilohertz. La razón ancho-de-pulso/período de la señal de salida PWM varía entre 2 y 98% cuando la potencia de la iluminación es del orden de microwatts.

Este nuevo transductor o sensor podría ser útil para aplicaciones en control automático, en robótica, control de iluminación, sistemas de retroalimentación, y para la detección óptica de posición sin contacto para mediciones de centrado y anulación. Finalmente, se presenta una descripción detallada de los principios físicos y de operación de este nuevo transductor.

 

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Acknowledgements

Authors thank the technicians of the Microelectronics Laboratory at the National Institute for Astrophysics, Optics and Electronics. This work was partially supported by CONACyT Mexico under grant 102397.

 

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