Устройство считывания на приборах с зарядовой связью

 

Изобретение относится к интегральной микроэлектронике и может быть использовано в системах обработки оптической информации. Цель изобретения повышение чувствительности и обеспечение первичной обработки сигнала в фокальной плоскости. Устройство содержит матрицу входных устройств, каждое из которых имеет входную диффузионную область противоположного подложке типа проводимости и расположенные на слое диэлектрика входной затвор накопления, затвор переноса, которые образуют цепочку зарядно-связанных элементов. Входные затворы, затворы накопления соединены с общими шинами управления. Для повышения чувствительности и обеспечения первичной обработки сигналов в фокальной плоскости устройство дополнительно содержит два многовыходных коммутатора, а в каждой строке два МДП-транзистора. Каждое входное устройство матрицы дополнительно содержит затвор и диффузионную область, причем затвор переноса, дополнительные затвор и диффузионная область образуют цепочку зарядно-связанных элементов. Затворы переноса электрически соединены с соответствующими выходами первого коммутатора, дополнительные затворы со стоком первого дополнительного МДП-транзистора затвор которого электрически соединен с соответствующим выходом второго коммутатора, а исток с второй общей шиной считывания, выходные диффузионные шины считывания с вторым МДП-транзистором, затвор которого электрически соединен с затвором первого МДП-транзистора, а исток с второй общей шиной считывания. 1 ил.

Изобретение относится к интегральной микроэлектронике и может быть использовано в системах обработки оптической информации. Цель изобретения повышение чувствительности и обеспечение первичной обработки сигналов фокальной плоскости фотоприемного устройства. На чертеже приведена принципиальная схема предлагаемого устройства. Устройство содержит контактную площадку 1 к фотоприемнику, входную диффузионную область 2, входной затвор 3, затвор 4 накопления, дополнительный затвор 5, затвор 6 переноса, дополнительную диффузионную область 7, шину 8 управления входными затворами, шину 9 управления затворами накопления, первую общую шину 10 считывания, общую шину 11 записи, вторую общую шину 12 считывания, многовыходной коммутатор 13 (столбцов), многовыходной коммутатор 14 (строк), выходы 15 и 16 коммутатора 13, выходы 17 и 18 коммутатора 14, МПД-транзисторы 19 и 20, вход 21, шины 22 и 23 управления коммутатора 13, вход 24, шины 25 и 26 управления коммутатора 14, блок 27 предпроцессорной обработки. Область 2, затворы 3-6 и область 7 образуют цепочку зарядно-связанных элементов. Затворы 3 и 4 соединены с общими шинами 9 и 10 управления соответственно. Дополнительные затворы входных устройств каждой строки соединены со стоком транзистора 19, затвор которого соединен с соответствующим выходом 18 коммутатора 14, а исток с общей шиной 11 записи, затворы переноса устройств считывания каждого столбца соединены с соответствующим выходом 15 коммутатора 13, выходные диффузионные области каждой строки соединены со стоком транзистора 20, затвор которого соединен с соответствующим выходом 17 коммутатора 14, а исток с общей шиной считывания. Устройство работает следующим образом. На затворы 3 и 4 и на общую шину считывания подаются постоянные напряжения U₃, U₄, U₁₂, причем U₁₂ > U₄ > U₃. На входной диффузионной области 2 и соответственно на фотоприемнике, соединенном с устройством считывания через контактную площадку 1, устанавливается напряжение смещения U_A, определяемое поверхностным потенциалом под входным затвором 3. Часть тока, протекающего через фотодиод, ответвляется через канал под входным затвором 3 и интегрируется в потенциальной яме под затвором 4 накопления. При подаче управляющих напряжений U_1x, U Φ_1x, U Φ_2x, U_1y, U Φ_2y на выходах 18 и 15 формируются напряжения, открывающие затвор переноса и транзисторы 19 и 20 соответственно. Если на шину записи подается высокое напряжение U₁₅ > U₄, то в ячейке устройства ввода, находящегося на пересечении выбранной строки и столбца, одновременно на затворы 6 и 5 подаются открывающие напряжения и заряд, интегрированный под затвором накопления, передается на выходную диффузионную область и далее через открытый транзистор 20 на общую шину считывания. Устройство может также обеспечить первичную обработку фотосигналов. Для этого при считывании сигналов с компенсирующего выхода блока предпроцессорной обработки по общей шине записи подается потенциал, обеспечивающий передачу только информационной части сигналов и из сравнения величины считываемого сигнала с опорным, коррекция этого потенциала индивидуальна для каждого фотоприемного канала двумерного приемника изображения для следующего цикла считывания. При этом после считывания по общей шине записи подается высокий потенциал и заряд, остающийся под затвором накопления, вытягивается в выходную диффузионную область, с окончанием которого начинается новый цикл накопления. Калибровка устройства происходит следующим образом. Очередной код на ОЗУ блока предпроцессорной обработки поступает в ЦАП и на общую шину записи многоканального устройства считывания, для коррекции потенциала на затворе 5. При этом потенциал на дополнительном затворе 5 корректируется в сторону более точного соответствия зарядовой емкости второго входного затвора 4, определяемой произведением С₄( ϕ₄- ϕ₅), где ϕ₄ и ϕ₅ поверхностные потенциалы под затворами 4 и 5, величине вводимого в устройства считывания сигналов. После нескольких циклов считывания зарядовая емкость второго входного затвора 4 с точностью до младшего разряда блока предпроцессорной обработки соответствует вводимому в устройство ввода сигналу, а при изменениях входных сигналов на общую шину считывания проходят только информационные компоненты. Преимущество изобретения заключается в следующем. Для некоторых многоэлементных систем, например ФПУ, сигналы характеризуются низкой контрастностью, высоким уровнем "геометрических" шумов, неотъемлемой частью которых является блок предпроцессорной обработки, обеспечивающий формирование видеосигнала, причем величина информационных компонент, как правило, составляет всего 1-10% от общего сигнала. В предлагаемом устройстве на общую шину считывания поступают только информационные компоненты сигналов, что позволяет снизить на 6-7 разрядов требования к динамическому диапазону блока предпроцессорной обработки. Снижение требований к динамическому диапазону блока предпроцессорной обработки имеет принципиальное значение, так как реализовать блок с динамическим диапазоном 12-14 разрядов при времени выборки 1 мкс практически невозможно, особенно для бортовых систем, характеризующихся жесткими ограничениями на весогабаритные показатели. Снижение требований к динамическому диапазону на 6-7 разрядов обеспечивает практическую реализацию предпроцессорной обработки сигналов в режиме реального времени с меньшим энергопотреблением, с лучшими показателями и с большими функциональными возможностями. Режим предпроцессорной обработки задается блоком предпроцессорной обработки. Так, например, по окончании калибровочных циклов считывания АЛУ блока предпроцессорной обработки может быть отключено и на выходе формироваться сигнал, в котором индивидуально для каждого фотоприемного канала вычтены постоянные, неинформационные компоненты сигналов. Если устройство записи не отключать, то многоканальное устройство ввода с блоком предпроцессорной обработки отслеживает медленные изменения постоянной составляющей, например, на младший разряд ЦАП в каждом цикле считывания. Это может оказаться полезным в тех случаях, когда с фотодатчиков поступают слабые, но быстроменяющиеся сигналы на фоне больших и нестабильных во времени постоянных составляющих. Скорость адаптации можно менять, изменяя режим работы блока предпроцессорной обработки, что позволяет за один цикл установить зарядовую емкость второго входного затвора, равную заряду, введенному в предыдущем цикле считывания, и таким образом сформировать, так называемую, первую конечную разность. Устройство считывания обеспечивает возможность работы с произвольной выборкой. Сигналы с каждой ячейки устройства считывания по общей шине считывания непосредственно передаются к выходному устройству, без последовательного переноса в строчном и общем ПЗС регистре считывания, как известно, многократный перенос заряда в ПЗС регистре сдвига приводит к увеличению так называемых шумов переноса, что ограничивает размерность (количество фотоприемных элементов двухмерного приемника изображения) и снижает ее чувствительность. Кроме того, необходимость в каждой ячейке устройства считывания строчного ПЗС регистра считывания, занимающего значительную часть площади, приводит соответственно к увеличению геометрических разрядов ячейки, ограничивают зарядовую емкость устройства считывания (емкость затвора 4 накопления), и соответственно, время накопления фотосигналов, являющегося одним из основных причин, ограничивающих чувствительность.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО СЧИТЫВАНИЯ НА ПРИБОРАХ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ для двумерных приемников изображения, выполненное на полупроводниковой подложке и содержащее матрицу входных устройств, каждое входное устройство содержит входную диффузионную область противоположного подложке типа проводимости, и расположенные на слое диэлектрика входной затвор, затвор накопления, затвор переноса, причем входная диффузионная область, входной затвор, затвор накопления, затвор переноса образуют цепочку зарядно связанных элементов, а входные затворы и затворы накопления соединены с общими шинами управления, отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительности и обеспечения первичной обработки сигналов в фокальной плоскости, оно дополнительно содержит два многовыходных коммутатора, а в каждой строке два МДП транзистора, каждое входное устройство матрицы дополнительно содержит затвор и диффузионную область, причем затвор переноса, дополнительные затвор и диффузионная область образуют цепочку зарядно связанных элементов, затворы переноса электрически соединены с соответствующими выходами первого коммутатора, дополнительные затворы со стоком первого дополнительного МДП транзистора, затвор которого электрически соединен с соответствующим выходом второго коммутатора, а исток с второй общей шиной считывания, затвор второго МДП транзистора электрически соединен с затвором первого МДП транзистора, исток с второй общей шиной считывания, а сток с дополнительной диффузионной областью.

РИСУНКИ

Рисунок 1