Устройство считывания для двумерных приемников изображения

 

Изобретение относится к интегральной микроэлектронике и может быть использовано в системах обработки оптической информации. Сущность изобретения: устройство считывания выполнено на полупроводниковой подложке и содержит матрицу входных устройств, многовыходной сдвиговый регистр с последовательным входом, первую, вторую и дополнительную шины управления, мультиплексор, каждая строка матрицы входных устройств содержит первый и второй МДП-транзисторы, первую и вторую строчные шины управления, каждый столбец матрицы входных устройств - столбцовую шину считывания, а каждое входное устройство содержит конденсатор, МДП-транзистор, при этом соединение истоков второго МДП-транзистора с периодом в четыре ячейки многовыходного сдвигового регистра с последовательным входом меняется: для первых двух выходов многовыходного сдвигового регистра с последовательным входом истоки второго МДП- транзистора соединены с второй шиной управления, для третьих и четвертых выходов многовыходного сдвигового регистра с последовательным входом истоки второго МДП-транзистора соединены с дополнительной шиной управления. 2 ил.

Изобретение относится к интегральной микроэлектронике и может быть использовано в системах обработки оптической информации.

Известно устройство считывания фотосигналов для двухмерных приемников изображения на основе МДП-фотоприемников [1].

Устройство считывания, выполненное на полупроводниковой подложке, содержит матрицу входных устройств, многовыходной сдвиговый регистр с последовательным входом, шину управления, мультиплексор, каждый столбец матрицы входных устройств содержит столбцовую шину считывания, а каждое входное устройство содержит МДП-транзистор, исток МДП-транзистора соединяется с фотоприемником, сток - со столбцовой шиной считывания, затвор - с шиной управления, столбцовые шины считывания соединены с соответствующими входами мультиплексора.

Устройство работает следующим образом.

При подаче управляющих напряжений на шины управления многовыходного сдвигового регистра с последовательным входом на соответствующих выходах последовательно (построчно) формируются открывающие напряжения. При подаче управляющего напряжения на шину управления фотоприемники соответствующей строки соединяются со столбцовыми шинами считывания и далее с соответствующими входами мультиплексора.

Недостаток такого устройства заключается в том, что отсутствует возможность регулирования времени накопления.

Известно устройство считывания фотосигналов для двухмерных приемников изображения на основе МДП-фотоприемников [2].

Данное устройство является ближайшим к предлагаемому техническому решению.

Устройство считывания, выполненное на полупроводниковой подложке, содержит матрицу входных устройств, многовыходной сдвиговый регистр с последовательным входом, первую и вторую шины управления, мультиплексор, каждая строка матрицы входных устройств содержит первый и второй МДП-транзисторы, первую и вторую строчные шины управления, каждый столбец матрицы входных устройств - столбцовую шину считывания, а каждое входное устройство содержит конденсатор, МДП-транзистор, причем одна обкладка конденсатора соединена с первой строчной шиной управления, исток МДП-транзистора соединен с второй обкладкой конденсатора, сток - со столбцовой шиной считывания, затвор - с второй строчной шиной управления, затворы первого и второго МДП-транзистора соединены с соответствующими выходами многовыходного сдвигового регистра с последовательным входом, исток первого МДП-транзистора соединен с первой строчной шиной управления, исток второго МДП-транзистора - с второй строчной шиной управления, столбцовые шины считывания соединены с соответствующими входами мультиплексора.

Устройство работает следующим образом.

При подаче управляющих напряжений на шины управления многовыходного сдвигового регистра с последовательным входом на соответствующих выходах последовательно (построчно) формируются открывающие напряжения. При подаче управляющего напряжения на первую шину управления МДП-фотоприемники соответствующей строки, находящиеся в режиме неравновесного обеднения МДП-транзистора, соединяются со столбцовыми шинами считывания. По второй шине управления через разделительный конденсатор на МДП-фотоприемник строки подается импульс инжекции, информационные сигналы МДП-транзистора передаются в столбцовые шины считывания и далее в соответствующие входы мультиплексора.

Недостаток такого устройства заключается в том, что исключает широко используемый способ увеличения размерности матриц путем гибридной сборки из четырех фрагментов, необходимым условием в этом случае является отсутствие конструктивных элементов на кремниевом устройстве считывания по крайней мере на двух сторонах кристалла. В данном устройстве при изменении уровня фонового излучения для достижения максимальной чувствительности фотоприемного устройства (ФПУ) необходимо регулировать время накопления. Это особенно актуально для ФПУ на основе МДП-фотоприемников вследствие ограничения их зарядовой емкости. В прототипе эта проблема решается путем введения дополнительного многовходового коммутатора, двух дополнительных МДП-транзисторов, двух дополнительных шин управления, размещенных на противоположной стороне от коммутатора, обеспечивающего формирование импульса инжекции, т.е. заняты по крайней мере три стороны кристалла. Кроме того, необходимость введения дополнительного регистра, шин управления существенно усложняет электронную систему управления.

Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности увеличения размерности фотоприемных матриц за счет возможности гибридной сборки из четырех фрагментов, существенное уменьшение количества управляющих напряжений кремниевым процессором.

Технический результат достигается тем, что в устройстве считывания, выполненном на полупроводниковой подложке и содержащем матрицу входных устройств, многовыходной сдвиговый регистр с последовательным входом, первую и вторую шины управления, мультиплексор, каждая строка матрицы входных устройств содержит первый и второй МДП-транзисторы, первую и вторую строчные шины управления, каждый столбец матрицы входных устройств - столбцовую шину считывания, а каждое входное устройство содержит конденсатор, МДП-транзистор, причем одна обкладка конденсатора соединена с первой строчной шиной управления, исток МДП-транзистора соединен с второй обкладкой конденсатора, сток - со столбцовой шиной считывания, затвор - с второй строчной шиной управления, затворы первого и второго МДП-транзистора соединены с соответствующими выходами многовыходного сдвигового регистра с последовательным входом, исток первого МДП-транзистора соединен с первой шиной управления, сток первого МДП-транзистора соединен с первой строчной шиной управления, сток второго МДП-транзистора - с второй строчной шиной управления, столбцовые шины считывания соединены с соответствующими входами мультиплексора. Кроме того, устройство считывания содержит дополнительную шину управления, причем для первых двух выходов каждой последовательной четверки выходов многовыходного сдвигового регистра истоки вторых МДП-транзисторов соединены с второй шиной управления, а для третьего и четвертого выходов истоки вторых МДП-транзисторов соединены с дополнительной шиной управления.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема устройства считывания для двухмерных приемников изображения; на фиг. 2 - временная диаграмма управляющих напряжений.

На фиг. 1 цифрой 1 отмечена контактная площадка к фотоприемникам, 2 - МДП-транзистор входного устройства, 3 - конденсатор, 4 - первая строчная шина управления, 5 - вторая строчная шина управления, 6 - столбцовая шина считывания, 7 - первый МДП-транзистор, 8 - второй МДП-транзистор, 9 - первая шина управления, 10 - вторая шина управления, 11 - дополнительная шина управления, 12 - многовыходной сдвиговый регистр с последовательным входом, 14 и 15 - шины управления многовыходным сдвиговым регистром с последовательным входом, 16 - вход многовыходного сдвигового регистра с последовательным входом, 17 - мультиплексор, 18 - вход мультиплексора.

Контактная площадка 1 соединена с одной из обкладок конденсатора 3 и истоком МДП-транзистора 2, другая обкладка конденсатора соединена с первой строчной шиной 4 затвора, затвор МДП-транзистор соединен с второй строчной шиной 5 управления, а сток - со столбцовой шиной 6 считывания. Исток первого МДП-транзистора 7 соединен с первой шиной 9 управления, сток - с второй строчной шиной 5 управления, сток второго МДП-транзистора 8 соединен с первой строчной шиной 4 управления, затворы первого и второго МДП-транзисторов соединены с соответствующими выходами 13 многовыходного сдвигового регистра с последовательным входом 12. Соединение истоков второго МДП-транзистора выполняется с периодом в 4 ячейки многовыходного сдвигового регистра с последовательным входом: для первых двух выходов многовыходного сдвигового регистра с последовательным входом, истоки второго МДП-транзистора соединены с второй шиной 10 управления, для третьих и четвертых выходов многовыходного сдвигового регистра с последовательным входом истоки второго МДП-транзистора соединены с дополнительной шиной 11 управления. Столбцовые шины 6 считывания соединены с соответствующими входами 18 мультиплексора 17.

Устройство работает следующим образом.

При подаче управляющих напряжений на шины 14 и 15 управления многовыходного сдвигового регистра с последовательным входом 12 и открывающего напряжения (лог "1") на последовательный вход 16, на соответствующих выходах 13 последовательно (построчно) формируются открывающие напряжения. При подаче открывающего напряжения на первую шину 9 управления через контактные площадки 1 на МДП-фотоприемники соответствующей строки, находящиеся в режиме неравновесного обеднения, через первый МДП-транзистор 7, вторую строчную шину 5 управления и через МДП-транзистор 2 соединяются со столбцовыми шинами 6 считывания. Для считывания фотосигналов с первых и вторых строк по второй шине 10 управления, через второй МДП-транзистор 8 и первой строчной шине 4 управления через разделительный конденсатор 3 на МДП-фотоприемники подается импульс инжекции, информационные сигналы через МДП-транзистор 2 передаются в столбцовые шины 6 считывания и далее в соответствующие входы 18 мультиплексора 17. Для считывания фотосигналов с третьих и четвертых строк импульс инжекции подается по дополнительной шине 11 управления. Таким образом, на вторую и дополнительную шины 10 и 11 управления попеременно подаются по два импульса инжекции, затем два импульса сброса. Импульс сброса отличается от импульса инжекции только временным положением. В момент подачи импульса сброса входы мультиплексора переводятся в режим блокировки и считываемые сигналы на выход мультиплексора не поступают. Регулирование времени накопления осуществляется следующим образом.

На вход многовыходного сдвигового регистра с последовательным входом с задержкой на четное количество тактов от лог "1" на вход 16 подается вторая лог "1", что обеспечивает последовательную (построчную) подачу импульса сброса на МДП-фотоприемники. Время накопления определяется временем между подачей импульса сброса и импульса инжекции и может регулироваться временем задержки второй лог "1" на вход 16.

Предлагаемое техническое решение имеет следующие преимущества: обеспечивается возможность регулировать время накопления фотосигналов независимо от времени считывания кадра, что позволяет реализовать ФПУ на их основе в длинноволновой области инфракрасного спектра, где уровень фонового излучения, как правило, не позволяет копить фотосигналы в течение всего времени кадра; с возрастанием размерности двухмерных приемников изображения увеличивается время считывания кадра и ограничение зарядовой емкости МДП-фотоприемников, устройство считывания становится одним из основных факторов, ограничивающих их дальнейший рост; для увеличения размерности матриц также широко используются гибридные сборки из четырех фрагментов; необходимым условием в этом случае является отсутствие конструктивных элементов на кремниевом устройстве считывания по крайней мере на двух сторонах кристалла; совмещение устройств формирования импульсов инжекции и импульсов сброса дает принципиальную возможность конструктивно реализовать кремниевое устройство считывания для двухмерных приемников изображения с двумя свободными от конструктивных элементов сторонами кристалла.

Формула изобретения

Устройство считывания для двухмерных приемников изображения, выполненное на полупроводниковой подложке и содержащее матрицу входных устройств, многовыходной сдвиговый регистр с последовательным входом, первую и вторую шины управления, мультиплексор, каждая строка матрицы входных устройств содержит первый и второй МДП-транзисторы, первую и вторую строчные шины управления, каждый столбец матрицы входных устройств - столбцовую шину считывания, а каждое входное устройство - конденсатор, МДП-транзистор, причем одна обкладка конденсатора соединена с первой строчной шиной управления, исток МДП-транзистора соединен с второй обкладкой конденсатора, сток - со столбцовой шиной считывания, затвор - с второй строчной шиной управления, затворы первого и второго МДП-транзисторов соединены с соответствующими выходами многовыходного сдвигового регистра с последовательным входом, исток первого МДП-транзистора соединен с первой шиной управления, сток - с первой строчной шиной управления, сток второго МДП-транзистора - с второй строчной шиной управления, столбцовые шины считывания соединены с соответствующими входами мультиплексора, отличающееся тем, что оно содержит дополнительную шину управления, причем для первых двух выходов каждой последовательной четвертки выходов многовыходного сдвигового регистра истоки вторых МДП-транзисторов соединены с второй шиной управления, а для третьего и четвертого выходов истоки вторых МДП-транзисторов соединены с дополнительной шиной управления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2