Аналоговые процессоры на ПЗС-структурах

Аналоговые приборы предназначены дня обработки информационных сигналов, заданных 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 осуществлять обработку цифровой и аналоговой информации, 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 и 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. 4.11, а). Различают последовательные (рис. 4.11, б), параллельные (рис. 4.11, в) и последовательно-параллельные линии задержки. В ЛЗ с последовательной организацией зарядовые пакеты последовательно сдвигаются через все N-элементов ПЗС. Время задержки определяется тактовой частотой f_т и числом элементов N:

t_з = N / f_т.(4.11)

Максимальная ширина полосы пропускания аналогового сигнала равна половине значения тактовой частотыDf = f/2. Такая простая организация ЛЗ при N @ 10² - 10³ позволяет получить небольшую задержку сигнала.

Для получения большей задержки используется последовательно-параллельная организация ЛЗ (рис. 4.11, г).

Рис. 4.11. Конструкция линий задержек на ПЗС

Информационный поток последовательно вводится с частотой f_т 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.

Линия задержки на ПЗС-структурах позволяет регулировать задержку сигнала в пределах от звуковых частот до частот телевизионных и радиолокационных сигналов.

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). Выборкиобрабатываются 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. 4.12, 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) _* U₂(t) входного сигнала U₁(t) с импульсной характеристикой фильтра U₂(t). Трансверсальный фильтр не имеет обратных связей.

Рекурсивные фильтры на ПЗС содержат несколько ЛЗ и внешние обрамляющие схемы. Такой фильтр получается путем соединения выхода трансверсального фильтра через цепь обратной связи с 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) x U(t + r). Коррелятор конструктивно состоит из двух линий задержки на ПЗС с отводами, подключенными к умножителям и сумматору (рис. 4.12, б).

Рис. 4.12. Использование линий задержки в качестве фильтра (а) и коррелятора (б)

Один входной сигнал вводится в ЛЗ₁ и там хранится, другой - в JI3₂. Сигналы с соответствующих вводов перемножаются, суммируются и на выходе формируется свертка двух сигналов.

Тенденция развития 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.

Фоточувствительные приборы с зарядовой связью(ФПЗС) являются весьма перспективными процессорами.

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 проста, но в ней происходят искажения сигналов за счет засветки в процессе сканирования (рис. 4.13, а).

Целесообразно разделить функции накопления и сканирования. С этой целью вводят дополнительный регистр сдвига (рис. 4.13, б) 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.

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 около 5 ∙ 10² Вм²/Дж, динамический диапазон 60 - 70 дБ на частоте вывода информации 20 МГц.

Рис. 4.13. Конструкции линейных ФПЗС: а – без разделения

областей накопления и передачи; б - с дополнительным

регистром сдвига

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.

Рис. 4.14. Схема матричной ФПЗС с межкадровым

вычитанием: 1, 2, 3 - регистры; 4 - секция накопления;

5 - секция хранения

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.

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 + 1) 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:

DU'(t) = U'(t + пT_K) - U'(t),(4.12)

где U'(t) - видеосигнал i-го элемента текущего кадра; U'(t + пТ_к) - видеосигнал i-гo элемента, задержанный на время, кратное времени кадра п - целое число; DU'(t) - видеосигнал межкадровой разности i-гo 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 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.

Изготовление ФПЗС можно осуществлять по двум технологиям.

В приборах с поверхностным каналом перенос сигнальных зарядовых пакетов осуществляется на границе раздела «окисел – полупроводник». В этом типе ФПЗС легко управлять переносом, однако, взаимодействие зарядовых пакетов с поверхностным состоянием приводит к захвату и эмиссии носителей. Все это приводит к снижению эффективности переноса носителей при низких уровнях освещенности.

В технологии с объемным каналом переноса зарядовых пакетов предусмотрено заглубление канала путем его ионного легирования примесью с проводимостью, противоположной подложке. Этот технологический прием существенно увеличивает эффективность переноса, но несколько снижает управляемость.

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

На основе ФПЗС разрабатывается серия многоэлементных приемников изображения средневолнового и длинноволнового ИК диапазона длин волн. В их основе гибридные структуры с интегральными элементами считывания и предпроцессорной аналоговой обработкой видеосигнала на кристалле.

Тепловизионные системы на основе ИК ПЗС по пороговой температурно-пространственной чувствительности и быстродействию не уступают лучшим образцам современных тепловизоров.

Поиск по сайту: