Прибор с зарядовой связью

Рефераты / Коммуникации, связь и радиоэлектроника / Прибор с зарядовой связью

Еще одно расширение функциональных возможностей ПЗС связано с тем, что глубина обедненного слоя, образующегося под затвором, зависит от напряжения на нем. Учитывая также сильную зависимость коэффициента поглощения света от длины волны l можно создать спектрально-чувствительные ФСИ, позволяющие выделять определенные цвета в видимой части спектра.

Наиболее очевидной областью применения ФСИ на

ПЗС являются передающие телевизионные камеры. Однако современные образцы формирователей с наибольшей разрешающей способностью пока не удовлетворяют требованиям телевизионного стандарта и не обеспечивают неискаженную передачу изображений с яркими участками. Ожидается, что в ближайшее время эти трудности будут преодолены.

На основе существующих ФСИ можно создавать портативные и энергоэкономичные передающие камеры с меньшей разрешающей способностью, предназначенные для промышленного применения, учебных, медицинских и спортивных целей. Уже упоминалось о черно-белой передающей камере MV-100, в которой .используется ФСИ на ПЗС с разрешающей способностью 100ХЮ0 элементов. На основе приборов с инжекцией заряда на кристалле 8,4X11,2 мм2 разработана многоэлементная матрица, которая при использовании чересстрочной развертки дает разрешающую способность 512X256 элементов. Размер кристалла позволяет использовать оптику от 16-мм кинокамер.

На основе ФСИ на ПЗС можно построить цветную передающую телевизионную камеру. Для этого используются три кристалла ФСИ и стандартный цветоделительный блок, в котором световой поток изображения расщепляется на три цвета, поступающих на соответствующие кристаллы ФСИ. В ФСИ эти световые потоки преобразуются в видеосигналы. Благодаря фиксированной конфигурации матриц и тактируемому самосканированию в ФСИ на ПЗС устраняется трудность точного совмещения развертываемых изображений, существующая в цветных телевизионных камерах с тремя трубками и вызывающая появление «цветной бахромы» на воспроизводимом изображении.

Передающие камеры для малых уровней освещенности являются еще одной перспективной областью применения ПЗС. Основной проблемой, возникающей при малых уровнях освещенности, являются шумы, которые становятся сравнимыми с сигналом. Собственные шумы ПЗС, обусловленные флюктуациями фонового заряда и флюктуациями зарядовых потерь при передаче, позволяют достичь минимального уровня освещенности, соответствующего 60—100 электронам водном зарядовом пакете. При таком малом сигнале определяющую роль начинают играть шумы выходного усилителя. Эти шумы могут быть значительно снижены с помощью многократного неразрушающего считывания и последующего сложения выходных сигналов, в результате которого флюктуации усредняются и отношение сигнал/шум ks/N увеличивается. Подобный принцип реализуется с помощью многоразрядного усилителя, так называемого «распределенного усилителя с плавающим затвором» (РУПЗ) (рис.20). К каждому биту последние Nвых разрядов выходного сдвигового регистра подключен усилитель зарядов с плавающим затвором.

Рис.20. Схема многоразрядного распределенного усилителя с плавающими затворами:

1 - выходной сдвиговой регистр; 2 - дополнительный сдвиговой регистр с увеличенной площадью ПЗС-элементов; 3 - усилители зарядовых сигналов.

Усиленные зарядовые сигналы поступают в дополнительный сдвиговой регистр с большей площадью затворов. Оба регистра управляются одинаковыми тактовыми импульсами и передача зарядов в них осуществляется синхронно. В каждом бите дополнительного регистра к передаваемому зарядовому пакету добавляется соответствующий ему усиленный заряд. Так как усиление выходных сигналов осуществляется многократно, в различных элементах, и в разные моменты времени, то все флюктуации усредняются.

Структура усилителя (рис.21а) включает в себя тактовый электрод, под которым расположен плавающий затвор. При поступлении тактового импульса зарядовый пакет из предыдущего ПЗС-элемента перетекает (в направлении, перпендикулярном плоскости рисунка) в потенциальную яму рассматриваемого ПЗС-элемента и вызывает изменение потенциала на плавающем затворе, который выступает из-за плоскости ПЗС-элемента. Выступающая часть является затвором МДП-транзистора, контролирующего передачу усиленного зарядового пакета (также в направлении, перпендикулярном плоскости рисунка) в выходные ПЗС-элементы большей площади.

Рис.21. Структура (а) и эквивалентная схема (б) усилителя с плавающим затвором: 1 - тактовый электрод; 2 - плавающий затвор; 3 - потенциальная яма ПЗС; 4 - канал МДП-транзистора; 5 - каналоограничивающие n+-области

В соответствии с эквивалентной схемой усилителя (рис.21,б) начальное напряжение, устанавливающееся на плавающем затворе (узел I) после прихода тактового импульса (но до наступления зарядового пакета Q), равно:

φ1 = U'фС2/[С2 + С1 С3(С1 + С3) + С4 + Свх], (8)

где С2 — емкость конденсатора, образованного тактовым электродом и перекрывающейся частью плавающего затвора; d— емкость диэлектрика, расположенного под перекрывающейся частью плавающего затвора; С3 - емкость поверхностного обедненного слоя ПЗС-элемента; С4 -емкость между плавающим затвором и каналоограничивающей п+- диффузионной областью; Свх - емкость выступающего участка плавающего затвора на подложку. Нетрудно убедиться, что после прихода Q изменение потенциала Δφ1 составляет:

Δφ1/Q= -[ С2 + С4 + Свх+ х(С1 + С2 + С4 + Свх)]-1 (9)

Знак минус в (7) отражает тот факт, что увеличение заряда Q вызывает уменьшение потенциала плавающего затвора.

Изменение потенциала Δφ1 вызывает изменение тока стока МДП-транзистора. Если его крутизна равна g = dIc/dU3, то коэффициент усиления заряда AQ равен:

AQ = QY/Q( Δφ1/Q)·g·ty . (10)

где Qy — усиленный заряд, ty — длительность стробирующего импульса, открывающего цепь передачи заряда через МДП-транзистор.

Кроме усиленного информационного заряда в ПЗС-элементы выгодного регистра поступает фоновый заряд Qф, обусловленный начальным смещением φ1 затвора МДП-транзистора:

Qф=ICtY (11)

Величина фонового заряда флюктуирует и связанные с этим шумы равны:

. (12)