Лазовский Л. Приборы с зарядовой связью (1095920), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Этот метод предложен М.Уайтом и другими из фирмы Westinghouse в 1974 и носит название двойнойкоррелированной выборки. Вдумаемся ещё раз в то, когда появляетсяустановочный шум: после размыкания транзистора сброса (отмечу ещё раз, что«после» не значит «из-за»; причина установочного шума - в фундаментальныхтермодинамических законах), но до поступления заряда в плавающий диод.Поступление сигнального заряда вызывает только изменение потенциалаплавающей диффузии, и если предварительно запомнить напряжениеустановочного шума, то потом его легко вычесть из результирующего сигнала итем самым полностью его (шум) устранить.
Метод двойной коррелированнойвыборки стал фактически стандартным методом предварительной обработкисигнала для всех малокадровых систем, работающих на сравнительно низкихтактовых частотах, да и во многих ТВ камерах.©Л. Лазовский, E-mail: leo@inbox.ru©АВТЭКС Санкт-Петербург, http://www.autex.spb.ru, E-mail: info@autex.spb.ru– 22 –ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ: ПРЕЦИЗИОННЫЙ ВЗГЛЯД НА МИРОстаётся только шум собственно выходного усилителя.
Он имеет две компоненты:так называемый шум 1/f, присущий МОП-транзисторам, спектральная плотностькоторого, как следует из названия, растёт в области низких частот и сильнозависит от степени совершенства технологического процесса, и тепловой шумканала транзисторов, имеющий равномерный (белый) спектр. Шум 1/f во многомподавляется схемой двойной коррелированной выборки, которая служитфильтром верхних частот, причём степень подавления зависит от соотношениятактовой частоты и частоты излома спектральной характеристики плотностишума.
Обычно конструкция выходного усилителя оптимизируется с точки зрениядостижения минимального эквивалентного шумового заряда для данных условийприменения, а полный эквивалентный шумовой заряд зависит ещё и от тактовойчастоты работы ПЗС. Для современных приборов на частоте порядка 100 КГцтиповым считается шум выходного усилителя 3-6 электронов (при охлаждении), ав лучших приборах достигается цифра 2 электрона. Поскольку заряд насыщения(максимальная величина зарядового пакета, передаваемого без искажений)составляет, как правило, 200-500 тыс. электронов, то динамический диапазон ПЗСдостигает примерно 100-110 дБ; это примерно 18 или 19 бит.
Кстати,динамический диапазон аудио-CD - всего лишь 16 бит. Впрочем, известныэкспериментальные конструкции усилителей с шумом... зажмурьтесь... 0,5электрона. То есть электроны считаются поштучно.Последнее, о чём хотелось бы рассказать в отношении параметров ПЗС, –4. Антиблюминг, или устойчивость к локальным пересветкам.Те, кто нашёл в себе силы дочитать до этого места, вероятно, ещё помнятзамечание о том, что из-за явления фиксации поверхностного потенциаласкрытый канал запереть нельзя.
Что же будет происходить в ячейке ПЗС, когдазаряд в ней будет расти и расти? Вернёмся к Рис.2. На нём показано, что с ростомсигнального заряда в потенциальной яме потенциал канала в ней уменьшается, икогда он достигнет значения потенциала в канале по соседним электродом, зарядпросто начнёт переливаться через этот незапертый участок канала в соседнийэлемент - причём в обе стороны.
На изображении это проявляется в видевертикального расплывания ярких деталей изображения. Это явление иназывается оптической пересветкой (blooming), и если в системах регистрациислабых сигналов с ним ещё можно мириться (в силу невысокой вероятности с нимстолкнуться и возможности изменить время накопления), то в камерах для ТВ оносовершенно недопустимо.Бороться с блюмингом можно только разработкой специальной конструкцииячейки. Первый способ (горизонтальный антиблюминг) состоит в том, что вдолькаждого столбца фоточувствительных ячеек прокладывается узкая стоковаяобласть, находящаяся под большим положительным потенциалом и отделённаяот накапливающей сигнальный заряд потенциальной ямы некоторым барьером,потенциал канала в котором (иногда управляемый отдельным затвором) выше,чем в запертом канале, отделяющем ячейки друг от друга.
В этом случаеизбыточный заряд будет переливаться в сток, и искажения сигнала в соседних©Л. Лазовский, E-mail: leo@inbox.ru©АВТЭКС Санкт-Петербург, http://www.autex.spb.ru, E-mail: info@autex.spb.ru– 23 –ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ: ПРЕЦИЗИОННЫЙ ВЗГЛЯД НА МИРэлементах не возникает. Если используется специальный затвор управленияантиблюмингом, то появляется возможность принудительной очистки заряда изнакопительной ячейки даже без её переполнения, что есть не что иное, какэлектронная регулировка экспозиции.Ценойгоризонтальногоантиблюмингаявляетсянекотороеснижениекоэффициента заполнения (область стока, ясно, не может дать вклад в сигнал), иувеличение размеров ячейки, что для приборов с малым размером ячейкинеприемлемо. В матрицах для ТВ, где размер ячейки, как правило, менее 10 мкм,для борьбы с блюмингом применяется другой, весьма изощрённый способ вертикальный антиблюминг.
При этом стоковая область располагается не рядом,а под накопительной ячейкой, следовательно, увеличения площади ячейки нетребуется. Ячейка здесь имеет структуру не просто n+p, как в обычном скрытомканале, а n+pn–, причём средний p-слой служит как бы «подложкой», асобственно n--подложка – стоком антиблюминга.
Как можно догадаться, вотсутствие заряда вертикальное распределение потенциала в такой структурепри ступенчатой аппроксимации распределения примесей по глубине будеткусочно-параболическим с одним максимумом и одним минимумом потенциала, ипри правильном выборе параметров легирования слоёв (и при тщательном ихсоблюдении в процессе изготовления!) избыточный заряд из ячейки будетсливаться не вбок, а вниз. Платой за это, помимо сложной технологии, являетсясильный спад ИК чувствительности прибора (большая часть ИК фотонов, еслипомните, поглощается на заметной глубине от поверхности) и некоторый спад вкрасной области, впрочем, волне приемлемый.
Потеря же ИК чувствительностидля приборов цветного телевидения, право же, беда невеликая.©Л. Лазовский, E-mail: leo@inbox.ru©АВТЭКС Санкт-Петербург, http://www.autex.spb.ru, E-mail: info@autex.spb.ru– 24 –ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ: ПРЕЦИЗИОННЫЙ ВЗГЛЯД НА МИРЧТО ЕЩЁ?Многообразие ПЗС не исчерпывается рассмотренными в этом обзоре типами.
Так,широкое распространение находят линейки ПЗС - как для считыванияодномерных изображений (например, штрих-коды), так и в системах, где имеетсямеханическая развёртка по одной координате. Простейшие примеры - телефакс исканер. Менее очевидные применения - системы наблюдения за земнойповерхностью с космических аппаратов или самолётов, где используетсядвижение самого аппарата относительно Земли. Как правило, накопительнымиэлементами в ПЗС-линейках служат фотодиоды; по обе стороны от линейкинакопительных элементов располагаются регистры считывания (соответственнодля чётных и нечётных элементов – билинейная организация). Номенклатуравыпускаемых сейчас линеек довольно широка, а число элементов колеблется от1024 до 8192.Разновидностью приборов для систем с механической развёрткой являютсяприборы ВЗН – с временной задержкой и накоплением.
Их организациятождественна односекционным ПЗС с КП, но отличаются они режимом тактировкипо вертикали: секция тактируется непрерывно, причём тактовая частотаподбирается такой, что скорость перемещения зарядового рельефа равнаскорости перемещения изображения; при этом каждый элемент изображения даётвклад в один и тот же зарядовый пакет, что, очевидно, увеличиваетчувствительность ВЗН по сравнению с обычными линейками в число строк раз.Именно ВЗН широко применяются в космической аппаратуре для наблюдения заземной поверхностью. Число строк в таких приборах колеблется от 64 до 256, ачисло элементов по горизонтали – от 1024 до 4096.А вообще приёмники изображения – не единственное применение ПЗС.
Так,добавив к регистру ПЗС устройство ввода электрического сигнала, мы получиманалоговую линию задержки, причём время задержки определяется как числомэлементов регистра, так и тактовой частотой, а значит, может легко изменяться.Далее. В качестве элемента регистрации зарядового пакета можно использоватьне только плавающую диффузию, но и плавающий затвор, характеризующийсянеразрушающим считыванием, т.е. получить регистр с отводами.
Такие регистрыявляются основой трансверсальных фильтров, широко применявшихся, например,в обработке радиолокационных сигналов.©Л. Лазовский, E-mail: leo@inbox.ru©АВТЭКС Санкт-Петербург, http://www.autex.spb.ru, E-mail: info@autex.spb.ru– 25 –ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ: ПРЕЦИЗИОННЫЙ ВЗГЛЯД НА МИРЧТО ДАЛЬШЕ?Нельзя сказать, что сейчас ПЗС достигли совершенства, хотя за истекшие годы втехнологии их изготовления и был достигнут потрясающий прогресс. Диапазонвыпускаемых приборов охватывает как миниатюрные матрицы с шагом элементовпримерно 3 на 5 мкм (одна из последних разработок Sony), так и гигантскиекристаллы форматом 5 тыс.
на 5 тыс. элементов и размером кристалла почти 8 на8 см (фирма DALSA, Канада). Не за горами и появление однокристальныхприборов форматом 8 на 8 тысяч элементов, тогда как сейчас приборысверхбольшого формата (эти астрономы ненасытны...) собираются из двух иличетырёх отдельных кристаллов, монтируемых встык на общее основание.Разумеется, у ПЗС есть и свои проблемы. Самая серьёзная из них специфическая, ни на что не похожая технология изготовления и чрезвычайножёсткие требования к однородности исходного кремния и степени совершенстватехнологического процесса.
Если при производстве цифровых приборов разброспараметров по пластине может достигать нескольких крат без заметного влиянияна параметры получаемых приборов (поскольку работа идёт с дискретнымиуровнями напряжения), то в ПЗС изменение, скажем, концентрации легирующейпримеси на 10% уже заметно на изображении. Свои проблемы добавляет иразмер кристалла, и невозможность резервирования, как в БИС памяти, так чтодефектные участки приводят к негодности всего кристалла. Специфическимограничением является и присущий им по принципу действия последовательныйвывод информации, тогда как в ряде применений (например, оптические системынаведения или устройства ориентации космических аппаратов) удобнее иметьдатчики с произвольным опросом.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
