Brevet FR2561025A1 — publié le 19850913

l ACCUMULATEUR ANALOGIQUE La présente invention concerne un accumulateur analogique, notamment un accumulateur analogique utilisé en association avec un analyseur d'irnages à l'état solide pour réaliser le moyennage et Ia mémorisation du bruit fixe appelé FPN (pour fixed pattern noise en langue anglaise), En effet, dans les analyseurs d'image à l'état solide, il existe fréquemment une non-uniformité du signal d'obscurité qui se repro- duit à chaque ligne. Cette non-uniformité ou bruit fixe est généra- lement appelée, par l'homme de métier FPN. Pour éliminer cette nonuniformité qui entraîne un défaut sur les images auquel l'oeil est très sensible, on la mémorise et on la soustrait à chaque ligne du signal vidéo. Cette opération est actuellement réalisée à l'aide de circuits numériques de la manière suivante: Le signal vidéo d'une ou plusieurs lignes noires placées en début de trame, à savoir le signal parasite FPN, est numérisé à l'aide d'un convertisseur analogique-numérique puis stocké dans une mémoire à accès aléatoire. Cette mémoire est ensuite lue à chaque ligne, convertie en analogique à l'aide d'un convertisseur numérique- analogique et le signal FPN parasite est soustrait au signal vidéo pour donner un signal vidéo corrigé sans FPN. L'inconvénient de cette technique est qu'elle introduit un bruit temporel appelé "bruit en pluie" qui résulte de la mémorisation du bruit temporel lors de l'acquisition du bruit fixe appelé FPNo En conséquence, divers perfectionnements ont été apportés aux circuits de base afin de réduire l'amplitude du "bruit en pluie". Un de ces perfectionnements est décrit, par exemple, dans la demande de brevet européen publiée sous le numéro g9.203 au nom de Sony Corporation et consiste à ajouter un sélecteur de niveau. Toutefois, ces perfectionnements augmentent la complexité donc le coût de fabrication du circuit de base qui comporte déjà un convertisseur analogique-numérique, une mémoire a acces aléatoire et un convertisseur numérique-analogique. D'autre part, lorsque le signal parasite à soustraire, à savoir le FPN, est constant ou lentement variable au cours des trames, le bruit en pluie peut être réduit par accumulation et moyennage de plusieurs lignes de bruit fixe ou FPN. En effet, l'accumulation de plusieurs lignes de FPN permet d'améliorer le rapport FPN/bruit en pluie d'un facteurq-, si l'accumulation porte sur M lignes. La présente invention a pour but de remédier aux incon- vénients des circuits numériques en proposant un accumulateur analogique permettant de réaliser l'accumulation de N informations analogiques et leur lecture de façon non destructive. La présente invention a en conséquence pour objet un accu- mulateur analogique réalisant l'intégration de N informations ana- logiques sur M séquences caractérisé en ce qu'il comporte un démultiplexeur série/parallèle à N étages pour recevoir et stocker N informations, N moyens de stockage connectés aux N étages du démultiplexeur, chaque moyen de stockage réalisant, pour les M séquences, la sommation et le stockage temporaire des informations analogiques de rang correspondant, N moyens de lecture connectés aux N moyens de stockage pour lire les informations analogiques contenues dans les moyens de stockage sans les détruire et un multiplexeur parallèle/série à N étages dont chaque étage est relié à un des moyens de lecture, pour, à la fin des M séquences, délivrer plusieurs fois les N informations analogiques accumulées. Selon un mode de réalisation préférentiel, particulièrement bien adapté au cas o I'accumulateur est associé à un analyseur d'images à l'état solide pour obtenir un bruit fixe appelé FPN avec un bruit en pluie réduit, l'accumulateur analogique conforme à l'invention comporte un registre à décalage à transfert de charge à entrée série et sorties parallèles à N étages, N diodes flottantes de stockage connectées chacune à un étage du registre à décalage par l'intermédiaire d'une grille de passage, chaque diode réalisant, pour les M séquences, l'acculumation et le stockage temporaire des 2561025' informations analogiques de rang correspondant, N moyens de lec- ture non destructive constitués chacun par une diode flottante d'entrée destinée à recevoir une charge d'entraînement rentrée par un moyen d'injection, une grille d'injection reliée à la diode flottante de stockage séparant la diode flottante d'entrée d'un drain d'éva- cuation des charges et de l'étage d'entrée correspondant d'un regis- tre à décalage à transfert de charge à entrées parallèles et sortie série à N étages, permettant de délivrer en série, a la fin des M séquences, plusieurs fois les N informations analogiques accumulées. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description d'un mode de réalisation faite avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels: - la figure I est une vue en plan de dessus schématique d'un accumulateur analogique conforme à la présente invention; - les figures 2a à 2d sont respectivement une vue partiel- lement en perspective et en coupe schématique par 11-11 de figure 1 et des schémas représentant l'évolution des potentiels de surface en fonction du temps; - les figures 3a et 3b sont respectivement une vue en coupe de la diode flottante d'entrée et de la grille d'injection, un schéma représentant l'évolution des potentiels de surface sous ces éléments lorsque la charge d'entraînement a été injectée et une courbe donnant l'évolution du potentiel de surface en fonction du temps sur la diode flottante; - la figure 4 est une vue expliquant le procédé utilisé pour réaliser les diodes flottantes de stockage et d'entrée. Dans les figures les mêmes références désignent les mêmes éléments mais pour des raisons de clarté les cotes et proportions des divers éléments ne sont pas repectées. D'autre part, la présente invention est décrite en se référant à un accumulateur analogique associé à un analyseur d'images à l'état solide pour l'obtention d'un bruit fixe appelé FPN à faible bruit en pluie. Toutefois, il est évident pour l'homme de l'art que l'accu- mulateur analogique de la présente invention peut aussi être utilisé à chaque fois qu'il est nécessaire d'avoir une ou des informations analogiques moyennées qui doivent être lues plusieurs fois. On décrira maintenant avec référence aux figures 1 et 2a, un mode de réalisation préférentiel d'un accumulateur analogique con- forme à la présente invention. Cet accumulateur a été réalisé sous forme de circuit intégré en utilisant la technologie CCD (pour charge coupled device) sur un substrat en silicium de type P. De préférence, comme représenté sur la figure 2a, l'accumulateur est réalisé sur une zone N formée dans le substrat en silicium de type P pour avoir un transfert en volume, ce qui limite le bruit de transfert. Toutefois, il est évident pour l'homme de l'art que cet accumulateur peut être réalisé sur d'autres substrats tels qu'un substrat en silicium de type N, en arséniure de gallium ou similaire et que, de plus,' le transfert peut être réalisé en surface. L'accumulateur de la figure I comporte tout d'abord un étage de conversion tension-charge représenté symboliquement par la diode D et la grille Ge qui transforme les tensions analogiques correspondant au signal FPN en des quantités de charges Qn,m' Cet étage de conversion tension- charge est suivi d'un registre à décalage à transfert de charge R de type CCD, à entrée série et sorties parallèles qui, dans le mode de réalisation représenté, fonctionne en bi-phasé. Le registre à décalage à transfert de charge R qui reçoit N quantités de charges correspondant aux N tensions analogiques d'une séquence comporte N étages eI à eN. Chaque étage du registre est constitué de façon connue, par deux couples d'électrodes comprenant chacun une électrode de transfert et une électrode de stockage. Chaque couple d'électrodes est relié à un potentiel de commande 01 et 02 alternatif et en opposition de phase. D'autre part, l'électrode de stockage du couple d'électrodes commandé par 01 est utilisée comme sortie et elle est référencée G1 sur la figure 2a. L'électrode G1 de chaque étage du registre à décalage R est séparée d'un moyen de stockage des charges par une grille de passage Gp reliée à un potentiel óp, comme représenté sur la figure 2a. Les moyens de stockage et d'accumulation des charges sont constitués par des diodes flottante Csi...Csi...CNi réalisées de manière connue par une diffusion de type N+ dans la zone N du substrat. L'accumulateur analogique de la présente invention comporte de plus des moyens de lecture non destructive des charges qui ont été accumulées dans les diodes CSi---... CSi--- CSN. Ces moyens de lecture non destructive sont constitués d'une diode flottante d'entrée CE1, E2,.Ei EN d'une grille d'injection des charges Gi adjacente à la diode d'entrée correspondante CEI à CEN et reliée par une connexion C à la diode de stockage correspondante C1 à CSN. Cette grille Gi dinjection des charges sépare les diodes d'entrée CEI à CEN d'un drain d'évacuation des charges constitué d'une grille de passage GD reliée à un potentiel VGD et d'une diode D polarisée par la tension VD et des étages e'1 à e'N d'un registre à décalage à transfert de charge R' réalisant le multiplexage des quantités de charge accumulées. D'autre part, les moyens de lecture non destructive comportent un dispositif pour injecter une charge d'entraînement Qe dont le rôle sera expliqué en détail ci-après. Dans le mode de réalisation de la figure 1, le dispositif d'injection de la charge d'entraînement Qe est constitué par le registre à décalage à transfert de charge R' qui est muni d'un dispositif d'injection série représenté schématiquement par la diode D'e et la grille de passage G' e L'utilisation du registre R' permet d'obtenir une charge d'en- tratnement Qe identique au niveau de chaque étage e' 1à eN correspondant à chaque moyen de lecture non destructive. D'autre part, le registre à décalage à transfert de charge R' est utilisé pour délivrer en série les N tensions analogiques correspondant aux N quantités de charge accumulées dans les moyens de stockage C1 à CSN'- Ce registre à décalage à transfert de charge R' est un registre de type CCD bi-phasé de structure identique au registre à décalage R. Il est commandé par des potentiels de commande 01 et ch en opposition de phase dont la fréquence peut être différente de la ib fréquence des potentiels de commande ó1 et 02 du registre R comme cela sera expliqué ci-après. D'autre part, l'électrode de stockage du couple d'électrodes commandé par 1t est utilisée comme entrée. Elle est référencée G'1 sur la figure 2a et elle est séparée des moyens de lecture par une grille de passage G'p reliée à un potentiel p. Le registre à décalage R' est connecté en sortie à un étage de conversion charge-tension représenté symboliquement par la diode DL et par l'amplificateur A. 0 On décrira maintenant, en se référant plus particulièrement I0 aux figures 2b à 2d, le fonctionnement de l'accumulateur analogique de la présente invention. Ce fonctionnement est décrit dans le cas o cet accumulateur analogique est associé à un analyseur d'images à l'état solide pour accumuler le signal FPN et obtenir en sortie un signal parasite représentatif du signal FPN avec un bruit en pluie faible. On réalise tout d'abord l'accumulation dans les moyens de stockage CSi à CSN de plusieurs lignes contenant le signal a soustraire à savoir le signal FPN. Pour réaliser cette opération, à chaque apparition dans le signal vidéo d'une ligne noire contenant le signal à soustraire, le signal vidéo est connecté à l'entrée série du registre à décalage R, à savoir à la diode De. Le registre à décalage R charge alors tous ses étages el à eN d'une charge Qnm propor- tionnelle au signal FPN mais entachée de bruit temporel. Pendant le temps de suppression de lignes, le potentiel Op appliqué sur la grille Gp passe à un niveau haut comme représenté sur la figure 2b et les étages e1 à eN du registre CCD R sont vidés dans les diodes de stockage Csi à CSN. En recommencant cette opération, on réalise l'accumulation de plusieurs lignes noires dans les moyens de stockage Csi à CSN' En fait la durée d'inscription des moyens de stockage Cs1 a CSN est choisie en fonction de la réduction de bruit souhaitée et dans la -limite de la dynamique des moyens de stockage a la temperature d'utilisation. D'autre part, la somme des charges arrivant successivement après M séquences d'entrée sur les moyens de stockage CS1 à CSN constitués par des diodes flottantes s'accompagne d'une variation de potentiel V N à partir d'un potentiel de référence défini ci-après, la valeur de stte variation est donnée par l'équation: LVN avec QS Qn,m N C si m Une fois l'accumulation des charges réalisée, les N moyens de stockage CSi à CSN sont lus de façon non destructive par les moyens de lecture et le registre R' à décalage à transfert de charge à entrées parallèles et sortie série. Pendant chaque lecture, une charge d'entraînement Qe uni- forme est injectée sur chaque étage du registre R'. Puis pendant la suppression ligne, on réalise les transferts suivants: La charge Qe est alors transférée sur les diodes d'entrée CEI à CEN comme représenté sur la figure 2b. La charge Qe est choisie de manière à être supérieure à la charge signal accumulée QS. D'autre part, comme les grilles d'injection Gi sont des grilles flottantes connectées par une connexion C aux moyens de stockage CSi, la variation de potentielà VN est aussi appliquée aux grilles d'injection Giet il en résulte une variation du potentiel de surface sous chaque grille Gi telle que Coxi QS si = Coxi + Cdepi Csi avec C0xi la capacité d'oxyde sous la grille correspondante et Cdepi la capacité de dépletion. De ce fait la charge Qe supérieure à QS se répartit donc dans la diode CEi et sous la grille Gi- Ensuite, comme représenté sur la figure 2c, on élimine l'ex- cédefit de la charge Qe par rapport à la barrière de potentiel t Osi. Pour cela on abaisse le potentiel de la grille Gd de sorte que son potentiel de surface soit à un niveau supérieur au potentiel de surface sous la grille Gi pour que les charges en excès soient évacuées vers la diode D. Il reste alors sur la diode CEi une charge QSi telle que __________ C Ei Qsi Ei Si Coxi + cdepi À CSi Qsi CEióSi Cx Ensuite, comme représenté sur la figure 2d, la charge QS présente sur la diode CSi est renvoyée dans l'étage correspondant el du registre à décalage à transfert de charge R en élevant le potentiel Op de la grille Gp lorsque 01 est au niveau haut. Ceci provoque sur la grille Gi une variation de potentiel en sens inverse de la variation initiale, c'est-à-dire que la barrière de potentiel A 0Si disparaît. Le potentiel Op est porté à un niveau haut et la charge QSi se trouvant dans la diode CEi se trouve transférée dans l'étage eli correspondant du registre à décalage R'. L'évolution du potentiel sur les diodes flottantes en fonction du temps a été représentée sur la figure 3b en se référant a la figure 3a qui correspond à la partie droite de la figure 2b pour voir l'évolution des charges dans la diode. Ces opérations ayant été réalisées pendant la suppression de ligne on dispose, sur chaque étage.e'1 à e'N du registre à décalage R', de charges QSi proportionnelles aux charges QS qui pourront être lues et soustraites, après ajustement du gain, à chaque ligne vidéo issue d'un analyseur d'images à l'état solide, car l'opération de lecture peut être réalisée pendant chaque suppression de ligne, les charges QS accumulées étant stockées dans le registre à décalage R et pouvant être renvoyées sur les moyens de stockage pour une autre lecture. L'intérêt de l'accumulateur analogique de la présente invention et de la méthode de lecture utilisée avec cet accumulateur est qu'il permet d'obtenir en sortie un signal FPN avec un bruit temporel limité sans rajouter au niveau de chaque conversion des bruits supplémentaires. En effet, le bruit temporel sur la charge signal QS est réduit par les sommations successives. D'autre part, le bruit temporel de lecture des diodes d'entrée CEi est faible si l'on prend soin d'utiliser des capacités réduites. De plus, pour éviter d'introduire un FPN multiplicatif qui correspond au gain d'injection lorsque l'on réalise une conversion tension-charge sur un étage, il convient de réduire au maximum les dispersions sur ce gain d'injection. Or G oxi Csi Or Gi oxi +Cdipi Ei En conséquence, pour réduire les dispersions sur le gain d'in- jection, on a avantage à utiliser un susbtrat peu dopé (par exemple un substrat P en silicium dopé à 5.1014 atomes/cm3 avec une zone 2 1 N réalisée par une implantation de phosphore sous une dose de 1012 atomes/cm 2) avec une faible épaisseur d'oxyde (par exemple de 500 i5 0 à 1000 A) de sorte que: Cdepi "Coxi et oxi C oxi.CDepi. Ainsi les dispersions sur cette composante du gain seront très faibles. D'autre part, il est important de définir les diodes Csi et CEi par un même niveau de masquage et de façon rigoureusement symétrique comme représenté sur la figure 4 de manière à avoir CSi = \CEi En conséquence, si les diodes CSi et CEi varient d'un étage à l'autre, leur rapport reste constant et on obtient donc QSi = De plus, l'intérêt de la méthode d'injection parallèle non des- tructive décrite ci-dessus est de déterminer, étage par étage, la charge injectée par différence entre deux potentiels de surface sous une même grille. La charge injectée ne dépend pas de la valeur absolue de ces potentiels. Elle est donc insensible aux variations de seuil MOS dues aux inhomogéné tés spatiales du matériau ou au processus de fabrication. REVENDIC A TION S 1. Accumulateur analogique réalisant l'intégration de N infor- mations analogiques sur M séquences caractérisé en ce qu'il com- porte un démultiplexeur série/parallèle (R) à N étages pour recevoir et stocker N informations, N moyens de stockage (Csi à C SN) connectés aux N étages du démultiplexeur, chaque moyen de sto- ckage réalisant, pour les M séquences, la sommation et le stokage temporaire des informations analogiques de rang correspondant, N moyens de lecture (CEi à CEN, Gi, D) connectés aux N moyens de stockage pour lire les informations analogiques contenues dans les moyens de stockage sans les détruire et un multiplexeur parallèle/- série (R') à N étages dont chaque étage est relié à un des moyens de lecture pour, à la fin des M séquences, délivrer plusieurs fois les N informations analogiques accumulées. 2. Accumulateur analogique selon la revendication I carac- térisé en ce que le démultiplexeur (R) est constitué par un registre à décalage à transfert de charge à entrée série et sorties parallèles à N étages dont chaque étage (e1 à eN) est connecté à un moyen de stockage (Csi à CSN) par l'intermédiaire d'un commutateur (Gp) qui est fermé après chaque séquence pour réaliser l'accumulation des informations puis ouvert avant et après chaque lecture. 3. Accumulateur analogique selon l'une quelconque des reven- dications 1 et 2 caractérisé en ce que le démultiplexeur (R') est constitué par un registre à décalage à transfert de charge à entrées parallèles et sortie série comportant N étages (e'1 à e'N) relié chacun à un des moyens de lecture par l'intermédiaire d'un commu- tateur (G'p) fermé périodiquement plusieurs fois après chaque ensemble de M séquences. 4. Accumulateur analogique selon l'une quelconque des reven- dications I à 3 caractérisé en ce que les moyens de stockage (CsI à CSN) sont constitués par des diodes flottantes. 5. Accumulateur analogique selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 4 caractérisé en ce que chaque moyen de lecture est constitué par une diode flottante (CE1 à CEN) adjacente a une grille d'injection (Gi) connectée à la diode flottante de stockage (Csi à CSN) correspondante par une connexion (C), un moyen pour injecter dans la diode flottante (CEi à CEN) une charge d'entraînement (Qe) et un drain d'évacuation des charges (D et GD) adjacent à la grille d'injection. 6. Accumulateur analogique selon la revendication 5 carac- térisé en ce que le moyen d'injection de la charge d'entraînement est constitué par un dispositif d'injection (D'E G'E) permettant d'injecter une charge uniforme sur tous les étages (e'1 à e'N) du registre R'. 7. Accumulateur analogique selon l'une quelconque des reven- dications 5 et 6 caractérisé en ce que la charge d'entraînement est supérieure à la charge signal accumulée maximale. 8. Accumulateur analogique selon l'une quelconque des reven- dications I à 7 caractérisé en ce qu'il est réalisé sur une jonction N/P ou une jonction P/N pour avoir un transfert en volume. 9. Accumulateur analogique selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 8 caractérisé en ce qu'il est réalisé sur un substrat peu dopé. 10. Accumulateur analogique selon l'une quelconque des reven- dications I à 9 caractérisé en ce qu'il est utilisé en association avec un analyseur d'images à l'état solide comportant au moins une ligne noire par trame pour acquerir la non-uniformité du courant d'obs- curité avec un faible bruit temporel afin de réaliser une soustraction de ce signal en sortie de l'analyseur.