Лазовский Л. Приборы с зарядовой связью (1095920), страница 3
Текст из файла (страница 3)
н. защитныйинтервал), максимальный уровень видеосигнала (уровень белого) – 1,00 В. Когдапереданы сигналы всех строк одного поля, начинается формирование кадровогогасящего интервала. Строчные синхроимпульсы в это время продолжаютформироваться, чтобы не сбивать схемы строчной развёртки кинескопа (вреальности их частота на короткое время, равное 2,5 длительности строки,удваивается, а полярность инвертируется, чтобы обозначить кадровыйсинхроимпульс), а видеосигнал не формируется.
Затем, по окончании кадровогогасящего, начинается прямой ход по кадру для следующего поля. По принятому,например, в Европе стандарту период строчной развёртки составляет 64 мкс,длительность прямого хода по строке – 52 мкс, длительность обратного хода построке – 12 мкс, а длительность кадрового гасящего – 25 строк. При этом вкаждом поле имеется 312,5 строки, из которых 287,5 – активные, т. е. имеющиевидеосигнал (полстроки возникает из-за того, что полное число строк в кадре длячересстрочной развёртки нечётное – 625).Теперь вернёмся к структуре двумерной матрицы ПЗС. Простейший её вариантизображён на Рис.4а.
В нём можно выделить два вертикальных регистра сдвигана ПЗС, образующие секцию накопления и секцию хранения с равным числомстрок (каждая строка секции образована одной тройкой электродов),горизонтальный регистр сдвига и выходное устройство. Рассмотрим подробнееработу такой структуры.©Л. Лазовский, E-mail: leo@inbox.ru©АВТЭКС Санкт-Петербург, http://www.autex.spb.ru, E-mail: info@autex.spb.ru– 10 –ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ: ПРЕЦИЗИОННЫЙ ВЗГЛЯД НА МИРРис.4а. Простейшая структура двумерной матрицы ПЗС.В течение времени прямого хода по кадру секция накопления стоит, т.
е. на неёподаются неизменные напряжения, формирующие потенциальные ямы толькопод одним электродом каждой тройки, скажем, под электродом первой фазы(VS1), причём потенциальные ямы образуются во всех элементах всех строксекции. По горизонтали отдельные ячейки накопления отделены стоп-каналами(выделены на рисунке красным цветом). Изображение, проецируемое на секциюнакопления, вызывает фотогенерацию - образование электронно-дырочных пар.При этом фотогенерированные электроны остаются в потенциальной яме, дыркиже, соответственно, уйдут в подложку или в вдоль поверхности в стоп-каналы.Таким образом, под действием света в ячейках накапливается зарядовый рельеф,т.е.
в каждой ячейке собирается заряд, пропорциональный её освещённости ивремени накопления.©Л. Лазовский, E-mail: leo@inbox.ru©АВТЭКС Санкт-Петербург, http://www.autex.spb.ru, E-mail: info@autex.spb.ru– 11 –ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ: ПРЕЦИЗИОННЫЙ ВЗГЛЯД НА МИРПо окончании прямого хода по кадру на обе секции подаются тактовые импульсы,вызывающие синхронный перенос заряда, при этом важно (и это показано нарисунке), что обе секции образуют непрерывный регистр сдвига.
После числатактов, равного числу строк в каждой секции (напомним, что каждая строкаобразована тремя электродами), весь накопленный зарядовый рельеф целикомпереместится в секцию памяти, закрытую от света, а секция накопления будеточищена от заряда. Этот перенос секции в секцию происходит достаточно быстро(фактически он занимает малую часть времени обратного хода по кадру). Теперь,во время следующего цикла накопления (это следующее поле кадровойразвёртки), секция накопления накапливает следующий кадр изображения, а изсекции памяти заряды построчно, во время обратного хода по строке, передаютсяв горизонтальный регистр (каждый элемент регистра имеет зарядовую связь ссоответствующим столбцом секции памяти, и за один раз передаётся однастрока), и затем выводятся в выходное устройство регистра за время прямогохода по строке, формируя видеосигнал.
О выходном устройстве мы подробнеепоговорим ниже.Сразу отметим одно важное обстоятельство. Первые матрицы выглядели именнотак, как показано на рисунке, с электродами, сформированными из металла(молибдена). Понятно, что для обеспечения зарядовой связи и возможно полногопереноса заряда от затвора к затвору зазор между ними не мог быть большим,что приводило к крайне низкой чувствительности: действительно, почти всяплощадь элемента оказывалась непрозрачной для света.
Кроме того, при ширинезазора 2 микрона и суммарной его длине для всей матрицы несколько метроввесьма вероятно замыкание металлических фаз друг на друга, что приводит кпотере работоспособности матрицы.Радикальным выходом стало предложенное в 1974 г. К. Секеном и М. Томпсеттомиз Bell Labs использование электродов из поликристаллического кремния,прозрачного почти во всём видимом диапазоне. В таких приборах дляформированиятрёхфазнойсистемыэлектродовиспользуютсятрипоследовательно наносимых на подложку уровня поликремния, каждый для своейфазы, которые после формирования электродного рисунка окисляются. Чтобыпри окислении поликремния не изменялась толщина подзатворного диэлектрика,в современных приборах он делается двухслойным – окисел + нитрид кремния(Si3N4).
Первые же приборы с поликремниевыми затворами превзошли почувствительности вакуумные трубки и даже фотоэмульсию. Кроме того,выращенный на каждом слое поликремния изолирующий окисел (см Рис.5а) резкоснизил вероятность межфазного замыкания, а межфазный зазор уменьшился до0,2 мкм - толщины межфазного окисла.Теперь, мне кажется, настало время поговорить о достоинствах и ограниченияхПЗС вообще и данной структуры в частности. Разумеется, общие преимуществаперехода от вакуумных приборов сразу к ИС высокой степени интеграцииочевидны и не нуждаются в комментариях. Остановимся на менее очевидных (адля непосвящённых, возможно, и просто новых) моментах.©Л.
Лазовский, E-mail: leo@inbox.ru©АВТЭКС Санкт-Петербург, http://www.autex.spb.ru, E-mail: info@autex.spb.ru– 12 –ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ: ПРЕЦИЗИОННЫЙ ВЗГЛЯД НА МИРПрежде всего отметим жёсткий растр. В трубках растр создавался сканирующимэлектронным лучом, и его геометрическое качество зависело от массы факторов линейности напряжений развёрток, стабильности питающих напряжений,температурных эффектов и т. д. В твердотельных приборах растр задаётся свысокой точностью в процессе изготовления структуры прибора, так чтогеометрические искажения получаемого изображения определяются толькокачеством оптики.С жёсткостью растра связаны и такие достоинства, как отсутствие микрофонногоэффекта (т.е. изменения параметров электровакуумного прибора из-заакустического воздействия) и нечувствительность к магнитным полям – а ведьискажения в трубках, если не принимать специальных мер, могли возникать дажеот изменения её положения относительно магнитного поля Земли!Ещё одно достоинство – отсутствие эффекта выжигания.
В трубках чрезмернояркий свет (например, случайно попавший в поле зрения яркий источник светаили, не приведи бог, Солнце), приводил к выжиганию – длительному, а иногда инеобратимому изменению параметров фотокатода – и изображение этогоисточника (причём негативное) ещё долгое время можно было наблюдать, дажене открывая объектив... Ещё один неприятный эффект, свойственный трубкам(кстати, и фоторезисторным матрицам) и полностью отсутствующий в ПЗС –инерционность.
Многие, вероятно, видели хвост, тянущийся за изображениемяркой лампы при панорамировании камеры. Именно так проявляетсяинерционность трубки – даже после исчезновения освещенности данной точкифотокатода сигнал с неё не спадает мгновенно. В матрицах ПЗС накопленныйсигнальный заряд полностью выводится при переносе кадра – и к началуследующей экспозиции секция накопления как новенькая.По сравнению с твердотельными приборами с координатной адресацией (КА) ПЗСсильно выигрывают в однородности сигнала, так как все зарядовые пакетыдетектируются одним усилителем (вспомним, что в приборах с КА каждыйстолбец имеет свой усилитель - со своим коэффициентом усиления). Помимоодинакового для всех зарядовых пакетов коэффициента преобразования заряднапряжение, усилитель ПЗС характеризуется и значительно меньшим посравнению с матрицами с КА шумом (это связано с величиной ёмкостипреобразования, о чём мы ещё поговорим).И ещё одно достоинство по сравнению с конструкцией, о которой речь пойдётниже: вся площадь секции накопления является фоточувствительной, т.
е.коэффициент заполнения (fill factor) равен 100%. Эта особенность делаетприборы данной организации монополистами в астрономии и вообще везде, гдеидёт борьба за чувствительность.При всей несомненной простоте, у матриц с рассмотренной организацией (ониназываются ПЗС с кадровым переносом) есть один существенный недостаток –собственно, сам кадровый перенос (КП).©Л. Лазовский, E-mail: leo@inbox.ru©АВТЭКС Санкт-Петербург, http://www.autex.spb.ru, E-mail: info@autex.spb.ru– 13 –ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ: ПРЕЦИЗИОННЫЙ ВЗГЛЯД НА МИРТактовая частота, подаваемая на секции во время КП, составляет, как правило,несколько сот КГц (редко 1-2 МГц), что связано с большой ёмкостью фаз секций(до 10 000 пФ) и тем, что сами электроды имеют распределённые параметры(RC), и тактовые импульсы при их высокой частоте могут просто не дойти досередины электрода.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
