Устройство обработки аналоговых сигналов

 

(19)SU(11)858495(13)A1(51)  МПК ⁵    _H01L27/148(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯк авторскому свидетельствуСтатус: по данным на 27.12.2012 - прекратил действиеПошлина:

(54) УСТРОЙСТВО ОБРАБОТКИ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ

Изобретение относится к области обработки аналоговых сигналов и может использоваться в устройствах обнаружения слабых сигналов от объектов среди фона, распознавания образов и других. Известно устройство обработки аналоговых сигналов в виде универсальных и специализированных вычислительных машин для обработки аналоговой информации, снабженных устройствами ввода-вывода сигналов и имеющих соответствующее программное обеспечение. Указанное устройство обработки аналоговых сигналов обеспечивает усиление контраста, однако оно громоздко и имеет низкое быстродействие (например, для обработки 100 последовательных аналоговых сигналов требуется 3-4 миллисекунды). Известно также устройство обработки аналоговых сигналов на ПЗС, содержащее входные электроды, присоединенные к общей шине, регистр сдвига аналоговых сигналов с ячейками, состоящими из электродов переноса заряда с системой шин тактового питания, и первый затвор, отделяющий входные электроды от ячеек регистра и обеспечивающий зарядовую связь между каждым входным электродом и соответствующей ячейкой. Устройство является ближайшим к изобретению по технической сущности и достигающему результату. Недостатком данной конструкции является невозможность усиления контраста в распределении входных сигналов. Целью изобретения является обеспечение возможности усиления контраста и распределения входных сигналов. Цель достигается тем, что устройство обработки аналоговых сигналов на ПЗС, содержащее входные электроды, присоединенные к общей шине, регистр сдвига аналоговых сигналов с ячейками, состоящими из электродов переноса заряда с системой шин тактового питания, и первый затвор, отделяющий входные электроды от ячеек регистра и обеспечивающий зарядовую связь между каждым входным электродом и соответствующей ячейкой дополнительно содержит второй регистр сдвига электродами переноса и второй затвор, обеспечивающий зарядовую связь между ячейками регистров, при этом электроды переноса второго регистра подключены к системе шин тактового питания в обратном порядке, а отношение суммарной площади одного электрода переноса первого и второго регистров и площади входного электрода меньше единицы. На фиг. 1,2 изображены возможные варианты конструкции предлагаемого устройства; на фиг. 3 и 4 - графики распределения сигналов на входе и выходе устройства обработки аналоговых сигналов. Устройство обработки аналоговых сигналов на ПЗС содержит входные электроды 1, которые присоединены к общей шине В1, регистр сдвига 2 аналоговых сигналов, ячейки которого содержат электроды 3-5 переноса заряда, и систему шин Ф1, Ф2, Ф3 тактового питания. Входной электрод 1 через затвор 6 имеет зарядовую связь с одним из электродов, например каждым первым (в нашем случае электрод 3) электродом каждой соответствующей ячейки регистра 2. Иногда число входных электродов может быть меньше ячеек регистра 2. В этом случае, часть ячеек регистра 2 не имеет зарядовую связь с входными электродами. В устройстве обработки аналоговых сигналов на ПЗС имеется также второй регистр 7 сдвига аналоговых сигналов, ячейки которого содержат электроды 8-10 переноса заряда. Регистр 7 отделен от регистра 2 затвором 11, который обеспечивает зарядовую связь между ячейками регистров. Электроды переноса регистра 7 подключены к той же системе шин тактового питания, но в обратном порядке, так, например, к одинаковым шинам тактового питания подключены следующие пары электродов: электрод 4 регистра 2 и электрод 10 регистра 7, электрод 5 регистра 2 и электрод 9 регистра 7, электрод 3 регистра 2 и электрод 8 регистра 7. Отношение суммарной площади электрода переноса 3 регистра 2 и электрод 8 регистра 7 и площади выходного электрода 1 меньше единицы. Кроме того, устройство обработки аналоговых сигналов на ПЗС может дополнительно содержать выходные электроды 12 в количестве, равном количеству входных, третий затвор 13, отделяющий выходные электроды от ячеек регистра 7 и обеспечивающий зарядовую связь между каждым выходным электродом и с одним из электродов, например каждым первым (в нашем случае электрод 8) каждой соответствующей ячейки регистра 7. Электрод 3 регистра 2 и электрод 8 регистра 7 разделены разделительными электродами 14 на две части, соответственно 3а и 3б, 8а и 8б. Зарядовая связь между ячейками регистров 2 и 7 обеспечивается между частями 3а и 8б электродов 3 и 8. Часть 3а электрода 3 имеет зарядовую связь с входными электродом 1, а часть 8б электрода 8 имеет зарядовую связь с выходным электродом 12. Часть 3б электрода 3 имеет непосредственную зарядовую связь с электродом переноса 4, на который подключена последующая шина тактового питания Ф2. Часть 8а электрода 8 имеет непосредственную зарядовую связь с электродом переноса 10, на который подключена последующая шина тактового питания Ф2. Входные и выходные электроды могут располагаться по одну сторону от одного из регистров. Устройство обработки аналогового сигнала работает следующим образом. На входные электроды 1 подаются входные сигналы в виде зарядовых пакетов. Эти сигналы имеют определенное распределение амплитуд по оси Х. Сигналы можно подавать на вход устройства в параллельном или последовательном коде, при этом под входными электродами посредством питающего напряжения В1 созданы потенциальные ямы. Затем открываются затворы 6 и 11 посредством питающих напряжений U₁ и U₂, и входной сигнал в виде заряда распределится под входным электродом 1, электродом 3 регистра 2 и электродом 8 регистра 7 пропорционально площади электродов. Далее затворы 6 и 11 закрываются. Поскольку площади электродов 3 и 8 равны, а отношение суммарной площади этих электродов к площади входного электрода 1 равно К₁, где К₁ - коэффициент, меньший единицы, то под электродами 3 и электродом 8 находится по K₁/2 части от каждого входного заряда Q_i, а под входным электродом 1 находится К₀ = 1 - К₁, часть этого заряда, где К₀ - коэффициент меньший единицы. Далее производится сдвиг зарядов в регистрах на одну ячейку. Поскольку электроды переноса второго регистра 7 подключены к одной и той же системе шин тактового питания, что и первого регистра, но в обратном порядке, то K₁/2 часть каждого входного заряда Q₁ сдвигается в одном направлении на одну ячейку в первом регистре и такая же часть этого заряда сдвигается в противоположном направлении на одну ячейку во втором регистре. Далее затвор 11 открывается, и заряды под электродами 3 и 8 складываются. Таким образом, под входными электродами мы имеем заряды величины К₁Q_i, а под соответствующими электродами 3 и 8 - суммарный заряд величины K₁/2·Q_i-1 + K₁/2·Q_i+1, где Q_i-1, Q_i, Q_i+1 - заряды на соответственно i-1, i, i+1 входах устройства. Теперь, считывая потенциалы с входных электродов и с электродов 3 и 8 и производя на внешних цепях соответствующее вычитание потенциалов, получим выходные сигналы, пропорциональные Q^*_i = K_oQ_i- (Q_i-1+Q_i+1) Устройство обработки аналогового сигнала, изображенное на фиг. 2, работает следующим образом. Входные сигналы подаются на вход устройства так же, как в основном устройстве. После того как входной сигнал в виде заряда распределился под электродами 3 и 8, затворы 6,11,13 закрываются. Поскольку площади электродов 3 и 8 равны, а отношение суммарной площади этих электродов к площади входного электрода 1 равно К₁, то под электродами 3 и 8 находится K₁/2 часть от каждого входного заряда Q_i, а под входным электродом 1 находится К₀ = 1-К, часть от каждого входного заряда Q_i. После этого производится сдвиг зарядов в регистрах на одну ячейку, причем K₁/2 часть каждого входного заряда сдвигается в одном направлении в первом регистре и такая же часть этого заряда сдвигается в противоположном направлении во втором регистре. Далее затвор 14 закрывается, K₁/2 часть каждого входного заряда под каждым разделенным электродом делится в отношении 1: К^*₁ , где К^*₁ - коэффициент, меньший единицы. Затем производится сдвиг K₁/2·(1-К^*₁) частей каждого входного сигнала в противоположные стороны в разных регистрах, а K₁/2·К^*₁ часть каждого входного сигнала под частью 3а электрода 3 и такая же часть каждого входного сигнала под частью 8б электрода 8 сливаются под выходные электроды 12. Таким образом, под входными электродами мы имеем заряды величины К₀Q_i, а под соответственными выходными электродами - суммарный заряд величины K₁/2·(1-К^*₁)Q_i-1 + K₁/2·(1-К^*₁)Q_i+1. Продолжая разделение, сдвиг и слив оставшихся зарядов в регистрах дальше, мы получим под соответствующими выходными электродами заряды величины, равной К^*₁^* (Q_i+1 + Q_i-1) + К^*₂^* (Q_i+2 + Q_i-2 + +К^*_n^* (Q_i+n+Q_i-n), где К^*₁^* , К^*₂^*. . . . К^*_n^*, все уменьшающие коэффициенты, меньшие 1. Теперь считывая потенциалы с входных и выходных электродов и производя на внешних цепях соответствующее вычитание потенциалов, получим выходной сигнал, пропорциональный Q^*_i = K_oQ_i - [K^*₁^*(Q_i+1 + Q_i-1) + . . . K^*_n^*(Q_i+n - Q_i-n)] Считывание потенциалов с входных и выходных электродов можно производить в параллельном или последовательном коде. Таким образом, выходные сигналы с прибора с зарядовой связью, соответствующие большим входным, уменьшены по сравнению с входными на меньшую величину, чем выходные сигналы соответствующие меньшим входным (фиг. 3), т. е. имеет место усиление контраста. Предлагаемое устройство может создаваться в едином технологическом цикле с ПЗС и другими МДП приборами, выполняющими различные функции, и использоваться в устройствах обработки аналоговых сигналов, в частности, для усиления контраста распределения входных сигналов. Его использование позволяет повысить контраст в распределении сигналов в 10 и более раз без применения громоздких ЦВМ, при этом быстродействие данного устройства возрастает в 100 и более раз по сравнению с обработкой аналоговых сигналов на ЦВМ и позволяет обнаруживать сигналы на порядок более слабые, чем тем, которые можно обнаружить обычными средствами. (56) Обработка изобретений при помощи цифровых вычислительных машин / Под ред. Лебедева Д. С. М. : Мир, 1973, с. 3. Секек К. , Тамисет Н. Приборы с переносом заряда. М. : Мир, 1978, с. 226.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ОБРАБОТКИ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ на ПЗС, содержащее входные электроды, присоединенные к общей шине, первый регистр сдвига аналоговых сигналов с ячейками, состоящими из электродов переноса заряда с системой шин тактового питания, и первый затвор, отделяющий входные электроды от ячеек регистра и обеспечивающий зарядовую связь между каждым входным электродом и соответствующей ячейкой, отличающееся тем, что, с целью обеспечения возможности усиления контраста в распределении входных сигналов, оно дополнительно содержит второй регистр сдвига с электродами переноса и второй затвор, обеспечивающий зарядовую связь между ячейками регистров, при этом электроды переноса второго регистра подключены к системе шин тактового питания в обратном порядке, а отношение суммарной площади одного электрода переноса первого и второго регистров к площади входного электрода меньше единицы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4