Способ выделения информационной составляющей из сигнального заряда в регистрах сдвига на приборах с зарядовой связью Советский патент 1992 года по МПК G11C11/40 

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано,в частности, в способах считывания сигнального заряда в устройствах обработки сигнала на приборах зарядовой связи (ПЗС).

Известен способ вычитания фоновой составляющей сигнала, заключающийся в отсечке постоянной для всех датчиков части сигнала. Он реализован, например, в п-мо- нолитном фотоприемном устройстве на основе ПЗС-регистра сдвига и диодов Шоттки в качестве фоточувствительных элементов. Передача заряда из диодов Шоттки в ПЗС регистр сдвига осуществляется с помощью параллельных устройств ввода, входные диффузионные области которых электрически соединены с датчиками и зарядно связаны с затвором переноса и далее с накопительными электродами приемных

ячеек (приемных каналов) п-канального ПЗС регистра. Исходное состояние диодов Шоттки восстанавливается через ключ сброса. На диоды Шоттки подается напряжение смещения и формируются области пространственного заряда (ОПЗ), т.е. потенциальные ямы. в которых собираются инициированные светом носители заряда. После заполнения потенциальных ям сигнальным зарядом осуществляется параллельный перенос заряда под накопительные электроды регистра. Для этого на передающий электрод подается напряжение передачи. Величина напряжения передачи выбирается такой, чтобы какая-то постоянная часть фонового заряда оставалась в ОПЗ датчиков. Впоследствии она сбрасывается через транзистор сброса. Отсечка части фоновой составляющей произ Ч

CJ vj

СП

Ю

составляющей производится до ввода сигнального заряда в ПЗС-регистр,

Существенным недостатком рассмотренного способа вычитания фоновой составляющей сигнала является то, что оставшиеся после вычитания сигнальные заряды отличаются по величине не только из-за изменяющейся информационной составляющей сигнала, но и из-за разброса как темновых параметров датчика, так и параметров параллельных устройств ввода, неэффективности переноса вдоль регистра сдвига и т.д., т.е. обрабатываемые пакеты сигнального заряда содержат как информационную составляющую, так и промодули- рованную фоновую составляющую. Это приводит к усложнению последующих устройств обработки сигнального заряда.

Целью изобретения является увеличение точности обработки сигнала.

Наиболее близким к предлагаемому является способ вычитания фоновой составляющей, заключающийся в пространственном разделении фоновой и информационной составляющей сигнального заряда в самом ПЗС регистре сдвига. В результате изменения управляющего напряжения на передающем электроде, зарядно связанном с электродом накопления регистра сдвига, устанавливают общую для всех ячеек регистра высоту потенциального барьера. При этом только часть сигнального заряда, минуя потенциальный барьер, поступит под следующий электрод регистра и далее на выход регистра сдвига. Заряд, остающийся под электродом накопления, инжектируется в подложку.

Недостатком этого способа вычитания фоновой составляющей является то, что подрезка фоновой составляющей осуществляется по одному и тому же уровню (высоте потенциального барьера) для всех фоточувствительных ячеек (приемных каналов) регистра сдвига. Поэтому из-за разброса темновых характеристик фоточувствительных ячеек, пороговых напряжений под электродами накопления и передающими электродами, потери заряда из-за неэффективности, переноса сигнальный заряд, поступивший на вход ПЗС-регистра сдвига, содержит как информационную составляющую, так и промодулированную фоновую составляющую. Это приводит к снижению точности обработки сигнального заряда, усложнению последующих устройств обработки заряда.

Цель изобретения - увеличение точности обработки сигнала и расширения динамического диапазона обрабатываемого сигнала.

Поставленная цель достигается тем, что в способе выделения информационной составляющей из сигнального заряда в регистрах сдвига на приборах с зарядовой

связью, заключающемся в формировании в каждом i-том канале сигнального заряда, в разделении информационной и фоновой частей заряда в результате изменения управляющего напряжения на передающем

0 электроде ПЗС регистра сдвига дополнительно перед каждым циклом формирования сигнального заряда через второй затвор управления записью ПЗ регистра сдвига последовательно в каждый i-тый канал вводят

5 дополнительные заряды.

В известных технических решениях отсутствуют признаки, сходные с признаком предлагаемого технического решения, что позволяет сделать вывод о его соответствии

0 критерию существенные отличия.

На фиг.1 представлено ПЗС устройство обработки сигналов, в котором реализуется предлагаемый способ выделения информационной составляющей сигнала; на фиг.2 5 изменение управляющих напряжений в зависимости от режима работы структуры.

Предлагаемое устройство содержит устройство 1 ввода заряда в регистр ПЗС, устройства формирования сигнального

0 заряда 2-1-2-N, датчики 3-1-3-N, выходное устройство 4 считывания, выходное напряжение устройства 5 считывания, аналого- цифровой преобразователь 6, ЭВМ 7, запоминающее устройство 8, цифро-анало5 говый преобразователь 9, согласующий усилитель 10, напряжение 11 второго затвора устройства ввода, стробирующее напряжение 12, напряжение 13 первого затвора устройства ввода, управляющее напряжение

0 14-17 ПЗС-регистра, напряжение 18 электрода передачи устройства формирования сигнала, стробируемый вход 19 регистра ПЗС, первый затвор 20, управляющий записью заряда в регистр ПЗС, второй затвор

5 21, управляющий записью заряда в регистр ПЗС, входы 22-1-22-N устройств формирования сигнального заряда, выполненных на том же кристалле, что и регистр ПЗС электроды 23-1-23-N передачи сигнального заря0 да в устройствах формирования, электроды (24-1-24-N)-(29-1-29-N) переноса регистра ПЗ С, но в режиме формирования сигнального заряда, электроды 25-1-25-N накопления сигнального заряда ( + QC)I-N, электроды

5 26-1-26-N, формирующие потенциальный барьер, электроды 28-1-28-N накопления информационной компоненты сигнального заряда QCI-N, выходной затвор 30 регистра в устройстве считывания, выходная диффузионная область 31 устройства считывания,

напряжение 32 сброса, напряжение 33 питания, ключ 34 сброса, истоковый повторитель 35.

Теоретическое обоснование предлагаемого способа выделения информационной составляющей из сигнального заряда состоит в следующем.

Зададим величину зарядовой емкости электрода накопления 25-i такой, чтобы она вмещала в себя не только максимальную фоновую компоненту Qoi сигнального заряда, но еще и некоторый дополнительный заряд AQi. Зарядовая емкость электрода регистра, как известно, определяется глубиной потенциальной ямы, сформированной под электродом, т.е. напряжениями на этом и соседних электродах, и геометрической емкостью самого электрода. Поэтому, обозначив геометрическую емкость электрода накопления как СЗБ-К а глубину потенциальной ямы под ним как {V25-i-V26-i), можно записать, что зарядовая емкость электрода накопления QJ равна

Ql C25-i (V25-I-V26-0

(1),

где Qi Qoi + A Qi, a V2e-i - напряжение на электроде 26-i, определяющее высоту потенциального барьера, до уровня которого заполняется потенциальная яма под электродом накопления 25-i. Если величина дополнительного заряда A Q будет определяться величиной фонового заряда QCDJ, то каждая потенциальная яма под электродом накопления для i 1-N заполнится суммарным зарядом Qct)j-fAQi точно до уровня потенциального барьера. Таким образом, информационная составляющая сигнального заряда, поступающего под электрод накопления, будет перемещаться через потенциальный барьер под соседний электрод. Поэтому величину заряда AQi в выражении (1) запишем как

7V25

-V26 - i) (2)

А величину фоновой компоненты Оф| выразим через напряжение Vs-i на выходе ис- токового повторителя

Оф

V5 -1 С,

вых

(3)

где k - коэффициент передачи истокового повторителя.

Подставляя (3) в (2),получим

AQ C25-i(V25-i-V26-i)

(4)

Предположим, что дополнительный заряд AQi вводится в регистр ПЗС из входного устройства ввода по методу выравнивания потенциалов. Тогда величина заряда AQi характеризует зарядовую емкость потенциальной ямы, сформированной под вторым затвором записи 21.

Поэтому можно записать, что

AQi C2i(V2i-rV2o),

(5)

где С21 - геометрическая емкость затвора 21; V2Q- напряжение на затворе 20.

Приравняв выражения (4) и (5), определим напряжение на втором затворе записи, при котором в потенциальной яме под затвором будет сформирован заряд AQ, пропорциональный заряду

V21-i % i(V25-i-V26-|)С21

Vg - i Свых-t ..

-,Fl V20

k C25 - i J

(6)

Учтем также потерю заряда Д QI-N в результате неэффективности переноса, введя 35 коэффициент li, пропорциональный величине потерь заряда, в выражение (6).

V21-i { -L V25-i-V26-i) - L21

Vs - i Свых

k C25 - i

- V20 } li

(7)

5

0

5

Таким образом, если под электроды накопления 25-1-25-N поместить соответствующие дополнительные заряды A QI-N, а затем вводить сигнальный заряд (Qo + QC)I-N, то, как было рассмотрено, произойдет выделение информационной компоненты QCI-N из сигнального заряда.

В связи с этим в работе ПЗС устройства, приведенном на фиг.1, рассмотрим следующие циклы, поясняющие сущность предлагаемого способа:

1.Цикл записи темновых (фоновых) зарядов QOI-N, т.е. предварительная калибровка ПЗС устройства.

В исходном состоянии потенциал выходной диффузионной области 31 устройст S

ва считывания поддерживается равным приблизительно напряжению питания 33. Для этого на затвор ключа сброса 34 периодически поступают импульсы сброса 32. Выходное напряжение 5 устройства считывания равно соответствен но, произведению потенциала области 31 (или потенциала на емкости Свых) и коэффициента передачи истокового повторителя 35. Входной затвор 30 находится под постоянным напряжением. Стробируемый вход 19 устройства ввода находится под большим напряжением 12. Напряжение 14 равно нулю и проводящий канал под этим затвором отсутствует. Датчики 3-1-3-N электрически соединены со входами 22-1-22-N устройств формирования сигнального заряда, выполненных на том же кристалле, что и регистр ПЗС. Для калибровки устройства осуществляется одноразовая запись темновых сигнальных зарядов датчиков Для этого в течение времени tk на электроды передачи сигнального заряда 23-1-23-N подается импульс напряжения 18. Под электродами передачи формируется проводящий канал, связывающий входы устройств формирования (или датчики) с электродами накопления 25-1-25-N регистра ПЗС. При этом на электроды накопления подается напряжение накопления 15. Темновой (фоновый заряд) датчиков в виде заряда неосновных носителей Офт-м поступает из диффузионных областей 22-1-22-N через проводящий канал под электродами передачи в потенциальные ямы под электродами накопления регистра, как показано на фиг.1, а и б для временного среза А-А. Глубина потенциальной ямы накопления устанавливается такой, чтобы вместить помимо фонового заряда QCDI-N еще некоторый дополнительный AUI-N заряд. После записи фоновых зарядов, напряжение 18 снимается и проводящий канал под электродами передачи 23- 1-23-N перекрывается. На электроды переноса регистра подаются импульсы напряжения, сдвигающие фоновые заряды QCDI-N в считывающее устройство 4 При этом первым регистрируется фоновый заряд Офм, а напряжение 5 изменяется пропорционально величине поступающих зарядов QCDI-N, как показано на фиг.2. Далее импульсы напряжения 5 поступают во внешнюю схему обработки (блоки 6-10, фиг.1), на выходе которой появляется напряжение 11, управляющее записью заряда в регистр ПЗС. При этом амплитуда импульсов напряжения 11, определяющая величину дополнительных зарядов, вводимых в регистр ПЗС, определяется как величиной фоновых зарядов, так и

другими параметрами согласно выражению 7, рассмотренному выше.

2.После цикла калибровки проводится

цикл первоначальной записи дополнительных зарядов под электроды накопления 25- 1-25-N в регистре ПЗС. Для этого на второй затвор записи 21 подается напряжение 11 таким образом, что импульс напряжения,

пропорциональный величине заряда АСЫ поступает на второй затвор записи первым, а пропорциональный величине AQi - последним. На первый затвор записи подано постоянное напряжение 13 и под ним сформирован проводящий канал. Поэтому, при поступлении импульса напряжения 11, потенциальная яма под затвором 21 оказывается зарядно связанной со стробируемым входом 19. Когда в течение времени t3 напряжение строба низкое, заряд неосновных носителей заполняет потенциальные ямы под затворами 21 и 20 до уровня потенциала входа 19. При увеличении напряжения на входе 19 излишек заряда сливается

обратно в течение времени tc и заряд заполняет потенциальную яму под затвором 21 только до уровня потенциала под затвором 20, как показано на фиг.1 а и на фиг.2. При поступлении импульсов переноса 14-17

сформированные дополнительные заряды вводятся в регистр и сдвигаются вдоль него под соответствующие электроды накопления (временной срез Б-Б, фиг.1 б). Когда дополнительный заряд AQi поступит под

электрод накопления 25-1 (при этом дополнительный заряд AUN поступит под электрод накопления 25-N), напряжение переноса 15 заменяется на напряжение накопления 15, как показано на фиг 2 (временной срез В-В). Устройство подготовлено к опросу датчиков.

3. Повторяющийся цикл записи сигнального заряда (Оф + Qc) 1-м.

В цикле формирования сигнального заряда на электроды передачи 23-1-23-N в течение времени опроса Топр подается напряжение передачи 18. На электроды 26-1- 26-N подается напряжение, определяющее высоту потенциального барьера под этими

электродами. Как и в рассмотренном цикле 1, заряд датчиков в виде заряда неосновных носителей (Оф + QC)I-N поступает через проводящий канал под электродами передачи в потенциальные ямы под электродами накопления 25-1-25-N. При этом фоновый заряд Оф1-м, суммируясь с дополнительным зарядом AQi-N заполняет потенциальную яму под каждым электродом накопления до уровня потенциального барьера Излишек

сигнального заряда, представляющий информационную компоненту заряда ДОсмм, поступает под электроды 27-1-27-N и 28-1- 28-N. Таким образом осуществляется выделение информационной составляющей из сигнального заряда. После окончания опроса датчиков, напряжение передачи 18, напряжение потенциального барьера 16 и напряжение 17 снимается. При этом информационная компонента сигнального заряда располагается в потенциальных ямах под электродами 28-1-28-N. Цикл опроса датчиков заканчивается. На электроды регистра ПЗС подаются импульсы переноса и одновременно на второй затвор записи поступают импульсы напряжения 11. В процессе детектирования зарядов (do + A Q)I-N и QCI- N в устройстве считывания, со входа регистра под электроды накопления 25-1-25-N вводятся дополнительные заряды AQi-N для следующего цикла опроса датчиков. Поступающая в устройство считывания информационная компонента QCI-N считывается и в дальнейшем выводится из регистра (как и фоновая компонента (Qo + AQ)i-N через ключ сброса. После считывания последней информационной составляющей сигнального заряда, устройство подготовлено к следующему циклу формирования сигнального заряда, поскольку под электродами накопления 25-1-25-N уже записаны дополнительные заряды AQi-N.

Таким образом предлагаемый способ выделения информационной компоненты сигнального заряда имеет следующие достоинства по сравнению с известным.

Для последующей обработки поступает только информационная компонента сигнального заряда QCI-N, которая составляет примерно (1-10)% от всего сигнального заряда. Поэтому расширяется динамический диапазон устройства и увеличивается точность обработки сигнального заряда.

Предлагаемый способ позволяет индивидуально для каждого датчика, в самом устройстве, выделить информационную компоненту из сигнального заряда и уменьшить влияние неоднородности темновых параметров датчиков и влияние разброса параметров устройств формирования сигнального заряда ПЗС-регистра, в том числе и неэффективности переноса заряда. Так в

цикле калибровки при перемещении фонового заряда вдоль регистра к выходному устройству считывания, некоторая часть заряда QCDJ будет потеряна из-за неэффективности переноса.

В результате выходное напряжение Vs-i, характеризующее величину фонового заряда , будет меньше. Это приведет согласно выражению (6) к увеличению

дополнительного заряда AQu вводимого в ПЗС-регистр. В цикле записи сигнального заряда (Оф + Qc)i, как уже рассматривалось, фоновая часть его QCPI, суммируясь с AQ,, должна заполнить потенциальную яму под

электродом накопления до уровня потенциального барьера. Но так как величина АСь увеличилась из-за уменьшения Vs-i в процессе калибровки за счет неэффективности переноса, то доля фонового заряда, равная

потерянной, переместится через потенциальный барьер вместе с информационной частью сигнального заряда QCI, как бы увеличивая его. При дальнейшем перемещении заряда QCI к устройству считывания это превышение заряда QCI будет устранено за счет неэффективности переноса.

Кроме того, предлагаемый способ позволяет выделять информационную компоненту заряда как в матричных, так и в

линейных фотоприе.мниках, так как не требует усложнения конструкции устройства.

Формула изобретения

Способ выделения информационной составляющей из сигнального заряда в регистрах сдвига на приборах с зарядовой связью, заключающийся в формировании в каждом i-м канале сигнального з-аряда, в

разделении информационной и фоновой частей заряда в результате изменения управляющего напряжения на передающем электроде прибора зарядового сдвига (ПЗС) регистра сдвига, отличающийся тем,

что, с целью увеличения точности обработки сигнала и расширения динамического диапазона обрабатываемого сигнала, перед каждым циклом формирования сигнального заряда через второй затвор управления

записью ПЗС регистра сдвига последовательно в каждый i-й канал вводят дополнительные заряды.

С

,

чО

Ј

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано, в частности, в способах считывания сигнального заряда в устройствах обработки сигнала на приборах зарядовой связи (ПЗС). Целью изобретения является увеличение точности обработки сигнала и расширение динамического диапазона обрабатываемого сигнала. Поставленная цель достигается за счет того, что перед каждым циклом формирования сигнального заряда через второй затвор управления записью ПЗС регистра сдвига последовательно в каждый i-й канал вводят дополнительные заряды. 2 ил. со

Редактор И.Сегляник

Составитель Х.Кляус Техред М.Моргентал

Корректор М.Максимишинец