ПЗС-матрицы

Перспективными в современном телевидении являются твердотельные преобразователи свет-сигнал на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС). ПЗС-структура удачно сочетает в себе способность преобразования оптического изображения в совокупность зарядовых пакетов с возможностью накопления, хранения и перемещения пакетов в нужном направлении.

Основным элементом ПЗС-структуры является МОП-конденсатор, образованный полупроводниковой подложкой (на рисунке 4.7 – из n -кремния) и металлическим электродом, которые разделены слоем диэлектрика из окиси кремния. Под действием света в подложке за счет внутреннего фотоэффекта образуются электронно-дырочные пары, плотность которых пропорциональна освещенности подложки. Если на электрод подать отрицательный потенциал (например, -10 В), то в толще подложки под этим электродом образуется зона (на рисунке 4.7 показана пунктиром), из которой вытесняются электроны (основные носители заряда в n -кремнии) и которая называется потенциальной ямой.

Рисунок 4.7 – ПЗС-структура

Потенциальная яма является ловушкой для положительных зарядов (в данном случае дырок), и постепенно в ней накапливается так называемый зарядовый пакет, величина которого пропорциональна времени накопления и освещенности Е _вх данного элемента подложки.

Рассмотрим теперь процесс перемещения зарядовых пакетов в нужном направлении на примере трехфазного сдвигового регистра (рисунок 4.8). МОП-конденсаторы в регистре (а) объединены в три группы сигнальными шинами, к которым подводится трехфазное напряжение (в), управляющее сдвигом зарядовых пакетов слева направо (б). Из рисунка видно, что время перемещения всех зарядов на одну ячейку вправо составляет одну треть от периода трехфазного напряжения U ₁ ÷ U ₃. Нетрудно заметить, что направление перемещения пакетов можно изменить на обратное, если изменить знак наклона в пилообразной части трехфазного импульса управления. Скорость перемещения также можно изменять в широких пределах изменением частоты управляющих трехфазных импульсов.

На рисунке 4.9 в качестве примера приведен преобразователь свет-сигнал на основе ПЗС-матрицы с покадровым переносом. В матрице можно выделить три узла: секция накопления, секция хранения и выходной регистр, каждый из которых управляется своим трехфазным сигналом (A, B, C). Оптическое входное изображение проецируется на секцию накопления, на элементах которой происходит накопление зарядовых пакетов. Каждый элемент

Рисунок 4.8 – Перемещение зарядовых пакетов в трехфазном сдвиговом регистре: а) регистр; б) положение зарядовых пакетов в моменты времени t ₁, t ₂, t ₃; в) трехфазное управляющее напряжение

матрицы состоит из трех МОП-конденсаторов, один или два из которых находятся в режиме накопления. Во время кадрового гасящего импульса с помощью фазных напряжений A и B зарядовые пакеты из секции накопления по вертикали переносятся в секцию хранения, после чего в секции накопления начинается очередной цикл накопления, а в секции хранения и выходном регистре – считывание информации и формирование видеосигнала. Отметим, что для переноса накопленного кадра (поля) в секцию хранения требуется z периодов трехфазных напряжений A и B, где z – вертикальный размер секции накопления, выраженный в элементах.

Технология вывода информации из секции хранения следующая. Во время строчного гасящего импульса с помощью фазного импульса B (один период) совокупность зарядовых пакетов, хранящихся в секции, сдвигается на одну строку вниз, в результате чего нижняя из хранящихся строк оказывается записанной в выходной регистр. Затем во время прямого хода строки зарядовые пакеты продвигаются по регистру слева направо с помощью трехфазных

Рисунок 4.9 – Матрица ПЗС

импульсов C, идущих с тактовой частотой

f = 1/τ _Э, (4.23)

и вводятся в цепь затвора встроенного выходного усилителя. Здесь происходит преобразование зарядового пакета в напряжение сигнала в соответствии с формулой

U _C =q/C, (4.24)

где q –величина зарядового пакета;

С – паразитная емкость встроенного усилителя.

После усиления видеосигнал поступает на выход ПЗС-матрицы.

Чересстрочная развертка в ПЗС-матрице реализуется путем подачи в четном и нечетном полях смещающего напряжения (-10 В на рисунке 4.7) на разные шины, входящие в группу шин А: например, на шину А1 в нечетном поле и на шины А2 и А3 в четном поле. При этом области накопления в четном и нечетном полях сдвинуты друг относительно друга по вертикали на пол-элемента, что позволяет вдвое (по сравнению с построчной разверткой) увеличить разрешающую способность матрицы по вертикали, не изменяя число элементов матрицы.

В заключение отметим, что электровакуумные (видиконного типа) и твердотельные (типа ПЗС) преобразователи свет-сигнал находятся в состоянии конкурентного соревнования, особенно в связи с развитием систем ТВЧ.