Аналоговые ПЗС-структуры

ПРИБОРЫИ УСТРОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Аналоговые приборы позволяют обрабатывать информационные сигналы, заданные в виде непрерывных функций. Особый интерес представляют ПЗС-структуры.

Приборы с зарядовой связью используются в различных системах для хранения и обработки цифровой и аналоговой информации.

ПЗС позволяют обрабатывать цифровую и аналоговую информацию, а именно: аналоговое и цифровое суммирование, деление и усиление сигналов; возможность неразрушающего считывания с необходимыми весовыми коэффициентами; возможность многократного ввода и вывода зарядовых пакетов.

Различают цифровые, аналоговые, фоточувствительные ПЗС. К аналоговым ПЗС следует отнести линии задержки (ЛЗ), фильтры, аналоговые процессоры. Линии задержки выполняют функцию задержки сигналов. Для приборов ПЗС линия задержки или регистр сдвига являются базовым элементом (рис.4.10.а). Различают последовательные, параллельные и последовательно-параллельные линии задержки. В ЛЗ с последовательной организацией (рис. 4.10.б) зарядовые пакеты последовательно сдвигаются через все N элементов ПЗС. Время задержки определяется тактовой частотой f_T и числом элементов N, а . Максимальная ширина полосы пропускания аналогового сигнала равна половине значения тактовой частоты . Такая простая организация ЛЗ при позволяет получить небольшую задержку сигнала.

Рис. 4.10 – Конструкция линий задержек на ПЗС

Для получения большей задержки используется последовательно-параллельная организация ЛЗ (рис. 4.10.г). Информационный поток последовательно вводится с частотой f_T во входную последовательную секцию, и после ее заполнения вся строка параллельно сдвигается в нижний регистр.

В выходной секции зарядовые пакеты в последовательной форме передаются на выход, воспроизводя исходный сигнал.

Фильтры на ПЗС являются дискретно-аналоговым прибором и служат для частотного разделения сигналов, определенного полосой пропускания. Входной сигнал в них дискретизируется во времени или представляется совокупностью значений (отсчетов, выборок). Выборки обрабатываются в фильтрах по определенным правилам. Различают трансверсальные, рекурсивные фильтры, а также корреляторы, в которых сигнал обрабатывается по определенным правилам.

Трансверсальные фильтры на ПЗС реализуются на основе ЛЗ с отводами, имеющими различные весовые коэффициенты в соответствии с требуемой полосой пропускания (рис. 4.11.а). Взвешивание сигналов в фильтрах осуществляется с помощью разделения элементов на две части. Величина зарядового пакета делится пропорционально площади электродов. Суммирование взвешенных сигналов осуществляется с помощью тактовых шин, на которые подаются идентичные тактовые импульсы. Протекающие токи считываются раздельно, и разность сигналов усиливается дифференциальным усилителем (ДУ). Такая конструкция называется трансверсальным фильтром и имеет точность взвешивания 1–2%. Трансверсальный фильтр может производить операцию свертки U₁(t)xU₂(t) входного сигнала U₁(t) с импульсной характеристикой фильтра U₂(t). Трансверсальный фильтр не имеет обратных связей.

Рис. 4.11 – Использование линий задержки в качестве фильтра (а) и коррелятора(б)

Рекурсивный фильтр характеризуется неограниченной во времени импульсной характеристикой. Такой фильтр получается путем соединения выхода трансверсального фильтра через цепь обратной связи со входом. Рекурсивные фильтры на ПЗС содержат несколько ЛЗ и внешние обрамляющие схемы.

Корреляторы предназначены для перемножения двух аналоговых сигналов, например, входного сигнала U(t) и опорного U(t+r), т.е. U(t)·U(t+r). Коррелятор конструктивно состоит из двух линий задержки на ПЗС с отводами, подключенных к умножителям и сумматору (рис. 4.11.б). Один входной сигнал вводится в JI3₁, и там хранится, другой - в Л3₂. Сигналы с соответствующих вводов перемножаются, суммируются и на выходе формируется свертка двух сигналов.

Развитие фильтров на ПЗС будет идти по пути расширения универсальности, улучшения характеристик, а также максимальной интеграции электронного обрамления.

На аналоговых устройствах можно построить сложные многофункциональные системы обработки аналоговых сигналов - процессоры. Аналоговые процессоры являются высокопроизводительными, имеют малые габариты, массу и низкую потребляемую мощность, высокую надежность, характеризуются высокой степенью функциональной интеграции. К аналоговым процессорам относятся, например, программируемые трансверсальные фильтры. У таких фильтров весовые коэффициенты программируются с помощью микропроцессора, имеется регистр опорных напряжений.

Рис. 4.12 – Аналоговый видеопроцессор: а - схема на ПЗС; б - фрагмент изображения

Перспективным аналоговым процессором является устройство обработки видеосигналов. Это устройство позволяет улучшить качество изображения за счет подчеркивания контуров на изображении и подавления импульсных помех, выделять точечные цели, сокращать объем передаваемой информации в случае больших массивов. Например, обработка массива информации телевизионного кадра формата 500x500 по алгоритму выделения контуров занимает 10 с машинного времени быстродействующих ЭВМ. Ясно, что даже такие массивы не могут быть обработаны в реальном масштабе времени.

Эта задача может быть решена методами аналоговой обработки на ПЗС, другими словами, аналогового видеопроцессора (рис. 4.12). Зарядовые пакеты трех строк изображения попадают на затворы процессора. При этом используется алгоритм Зобеля, который для девятиточечного фрагмента изображения с центром в точке е может быть представлен в виде: S(e)=׀(a+2b+c)-(g+2h+i)+(a+2d+g)-(c+2f+i) ׀, где а, b, с, d, e, f, g, h, i - значения отсчетов.

Зарядовые пакеты первой и третьей строк нужно делить пополам для получения весовых коэффициентов алгоритма Зобеля. Сигналы считываются с помощью затворов и суммируются на плавающих шинах. С помощью разностной схемы осуществляется вычитание по правилам:

S_x= (a+2b+c)-(g+2h+i) и S_g = (a+2d+ g)-(c+2f+i).

На выходе процессора формируется сигнал S (е). Скорость обработки определяется тактовой частотой и для полноформатного кадра составляет ~12 МГц. Таким образом, кадр 500x500 с помощью такого процессора обрабатывается за время ~10^–7с, что в 4·10² раз быстрее, чем с помощью быстродействующей ЭВМ. Такой процессор может быть интегрирован с фоточувствительной схемой на ПЗС.

Весьма перспективными являются фоточувствительные приборы с зарядовой связью (ФПЗС).

ФПЗС является изделием функциональной электроники, предназначенным для преобразования оптического изображения в электрический сигнал, действие которого основано на формировании и переносе зарядовых пакетов под действием света по поверхности или внутри полупроводника.

Различают линейные и матричные ФПЗС. В линейных ФПЗС фоточувствительные элементы расположены в один ряд. За один период интегрирования линейный ФПЗС воспринимает изображение и преобразует в электрический (цифровой) сигнал одну строку оптического изображения.

В режиме накопления информации в потенциальных ямах ФПЗС накапливаются фотогенерированные зарядовые пакеты, а затем эти фоточувствительные элементы используются для транспортировки зарядовых пакетов к выходу. Эта конструкция линейных ФПЗС (рис. 4.13.а) проста, однако, в ней происходит искажение сигналов за счет засветки при сканировании.

Целесообразно разделить функции накопления и сканирования. С этой целью вводят дополнительный регистр сдвига (рис. 4.13.6) и разрешающий затвор. Фотогенерированные зарядовые пакеты формируются в фоточувствительных элементах секции накопления. Затем на разрешающий затвор поступает отпирающее напряжение, и весь массив информации параллельно переносится в соответствующие элементы регистра сдвига, защищенного от света. На следующем периоде накопления формируется новая конфигурация зарядовых пакетов, а предыдущие пакеты передаются на выход. В таком приборе устраняется влияние засветки.

Рис. 4.13 – Конструкции линейных ФПЗС: а - без разделения областей накопления и передачи; б - с дополнительным регистром сдвига

Линейные ФПЗС используются в системах, где движется объект либо сам прибор. В настоящее время разработаны линейные ФПЗС, имеющие 2048 элементов разложения с шагом 12 мкм, интегральную чувствительность ~5–10² В·м²/Дж, динамический диапазон 60–70 дБ на частоте вывода информации 20 МГц.

Матричные ФПЗС представляют собой фоточувствительные приборы с переносом заряда, в которых фоточувствительные элементы организованы в матрицу по строкам и столбцам. За один период интегрирования матричный ФПЗС преобразует в электрический сигнал один кадр оптического изображения. В этом приборе зарядовые пакеты передаются на выход путем перемещения потенциальных ям, вызываемого периодическим изменением амплитуды управляющих импульсов.

В конструкции ФПЗС с кадровой организацией различают секцию накопления, секцию хранения, входные и выходные регистры сдвига (рис.4.14). Секции накопления и хранения образуются трехфазными поликремниевыми электродами, имеющими, например, 288 строк и 360 столбцов каждая. В малокадровом режиме изображение можно проектировать на обе секции. Все регистры имеют идентичные входные устройства, работающие по методу уравнения потенциалов инжекции - экстракции.

Обычно обработка видеосигналов ведется внешними устройствами на дискретных элементах. В приборах с зарядовой связью заложены возможности обработки видеосигнала непосредственно в кристалле. В этом случае можно говорить о встроенном процессоре, который может производить межкадровую обработку видеосигнала, подчеркивание контуров, устранение точечных дефектов, распознавание образов. Другими словами, процессор представляет собой устройство функциональной электроники, осуществляющее процесс одномоментной обработки большого информационного массива в реальном масштабе времени.

Рис. 4.14 – Схема матричной ФПЗС с межкадровым вычитанием: 1,2, 3 -регистры; 4 — секция накопления; 5 - секция хранения

С целью выделения информации о движущихся объектах на сложном стационарном фоне стараются подавить изображение его стационарных частей в обоих полукадрах.

Режим работы ФПЗС состоит из следующих циклов. Информация в виде i-го кадра накапливается в секции накопления, а затем переносится в секцию хранения; информация (i+Н) кадра накапливается в секции накопления и происходит синхронная передача зарядов i-го и (i+1)-го кадров на выход через регистры (2) и (3).

Таким образом, матричная структура запоминает оба кадра видеоинформации и одновременно выводит их на дифференциальный усилитель, в котором происходит поэлементное, межкадровое вычитание. Операция межкадрового вычитания может быть представлена в виде:

где – видеосигнал i-го элемента текущего кадра; - видеосигнал i-го элемента, задержанный на время, кратное времени кадра Т_к; n - целое число; - видеосигнал межкадровой разности i-го элемента.

Таким образом, реализован режим обработки разностной информации в большом информационном массиве.

Существует также фоточувствительный прибор с зарядовой инжекцией (ФПЗИ), в котором перемещение зарядового пакета происходит внутри фоточувствительного элемента с последующей инжекцией в подложку или в область стока заряда. Такие структуры имеют следующие достоинства: практическое отсутствие потерь передачи; возможность использования в качестве фоточувствительных элементов фотодиодов, имеющих большую по сравнению с МДП-структурами чувствительность; возможность организации произвольной выборки любого элемента или группы элементов.

В последнее время весьма перспективны ФПЗС для цветного телевидения, конструктивно оформленные в виде строчных или строчно-кадровых матриц с числом элементов 500x500 и совмещенных с цветокодирующим фильтром.