УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОЙ РЕГУЛИРОВКИ ВРЕМЕНИ НАКОПЛЕНИЯ ФОТОПРИЕМНОЙ МАТРИЦЫ НА ПРИБОРАХ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ
DEVICE FOR AUTOMATIC REGULATION OF ACCUMULATION TIME OF PHOTODETECTOR MATRIX ON CHARGE COUPLED DEVICES

Предлагаемое изобретение относится к телевидению и может быть использовано, в частности, при построении телекамер, у которых регулировка чувствительности осуществляется посредством автоматического изменения времени накопления фотоприемника, выполненного на матрице приборов с зарядовой связью (матрице ПЗС).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать устройство автоматической регулировки времени накопления [1], содержащее последовательно соединенные блок обработки видеосигнала и блок оценки уровня видеосигнала, причем информационный вход блока обработки видеосигнала подключен к выходу матрицы ПЗС, первый управляющий вход блока обработки видеосигнала - к выходу сигнала синхронизации приемника (ССП), второй управляющий вход блока обработки видеосигнала - к выходу сигналу смеси гасящих импульсов (СмГИ), а выход блока оценки уровня видеосигнала - к неинвертирующему входу компаратора, инвертирующий вход которого подключен к выходу генератора пилообразного напряжения, вход которого подключен к выходу кадровых синхроимпульсов (КСИ), при этом выход компаратора через блок преобразования уровней подключен к управляющему входу матрицы ПЗС.
Для устройства прототипа предполагается наличие следующих дополнительных признаков:
- временное положение переднего и заднего фронтов выходного импульса «привязано» к интервалу обратного хода ближайшей строки при помощи D-триггера путем подачи сигнала на D-вход триггера, C-вход которого подключен к инверсному выходу строчных синхроимпульсов (ССИ), как это выполнено в описании патента [2];
- фотоприемная матрица ПЗС имеет схемотехническую организацию «строчный перенос» или «кадровый перенос», или «строчно-кадровый перенос» выполнена по современной технологии скрытого канала и содержит в своем составе антиблюминговый сток и электронный затвор.
Недостаток прототипа - низкая помехоустойчивость устройства, что приводит к сбоям уровней выходного импульса в интервалах воздействия помехи на регулирующее напряжение в петле обратной связи.
Задача изобретения - разработка устройства автоматической регулировки времени накопления (устройства АРВН) с повышенной помехоустойчивостью, исключающей сбои уровней выходного импульса в интервалах воздействия помехи.
Поставленная задача решается тем, что в заявляемое устройство АРВН, которое содержит последовательно соединенные блок обработки видеосигнала и блок оценки уровня видеосигнала, причем информационный вход блока обработки видеосигнала подключен к выходу матрицы ПЗС, первый управляющий вход блока обработки видеосигнала - к выходу ССП, второй управляющий вход блока обработки видеосигнала - к выходу СмГИ, а выход блока оценки уровня видеосигнала - к неинвертирующему входу первого компаратора, инвертирующий вход которого подключен к выходу генератора пилообразного напряжения, вход которого подключен к выходу КСИ, а также D-триггер, C-вход которого подключен к инверсному выходу ССИ, а выход D-триггера через блок преобразования уровней - к управляющему входу матрицы ПЗС, введены источник напряжения смещения, сумматор, второй компаратор и RS-триггер, причем первый вход сумматора подключен к выходу источника напряжения смещения, второй вход сумматора - к выходу генератора пилообразного напряжения, а выход сумматора - к неинвертирующему входу второго компаратора, инвертирующий вход которого подключен к выходу блока оценки уровня видеосигнала, при этом выход второго компаратора подключен к S-входу RS-триггера, R-вход которого подключен к выходу первого компаратора, а выход RS-триггера - к D-входу D-триггера.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство АРВН отличается наличием новых блоков: источника напряжения смещения, сумматора, второго компаратора и RS-триггера, а также наличием новых связей между собой и с остальными блоками.
Совокупность этих отличительных признаков не известна из уровня техники, поэтому заявляемое решение отвечает требованию новизны.
Технический результат предлагаемого изобретения в части повышения помехоустойчивости достигается введением гистерезиса в процесс сравнения измеряемой величины (видеосигнала) с линейно изменяющимся в течение прямого хода по кадру напряжением.
По техническому результату и методам его достижения заявляемое решение соответствует требованию о наличии изобретательского уровня. На фиг.1 изображена структурная схема заявляемого устройства АРВН; на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие воздействие помехи в работу прототипа; на фиг.3 - структурная схема одного из возможных вариантов выполнения блока оценки уровня видеосигнала; на фиг.4 - временные диаграммы, поясняющие работу заявляемого устройства; на фиг.5 - иллюстрация процесса антиблюмингового стока в матрице ПЗС со скрытым каналом проводимости.
Устройство АРВН (фиг.1) содержит последовательно соединенные блок 2 обработки видеосигнала и блок 3 оценки уровня видеосигнала, причем информационный вход блока 2 подключен к выходу матрицы ПЗС в позиции 1, первый управляющий вход блока 2 - к выходу ССП, а второй управляющий вход блока 2 - к выходу СмГИ, выход блока 3 - соответственно к неинвертирующему входу первого компаратора 4 и инвертирующему входу второго компаратора 5, причем инвертирующий вход компаратора 4 подключен к выходу генератора 6 пилообразного напряжения, а неинвертирующий вход компаратора 5 - к выходу сумматора 7, первый вход которого подключен к источнику 8 напряжения смещения, а второй вход сумматора 7 - к выходу генератора 6, при этом выход компаратора 4 подключен к R-входу RS-триггера 9, S-вход которого подключен к выходу компаратора 5, а выход RS-триггера 9 - к D-входу D-триггера 10, C-вход которого подключен к инверсному выходу ССИ, а выход D-триггера 10 - к входу блока 11 преобразования уровней, выход которого подключен к управляющему входу матрицы 1 ПЗС.
В дальнейшем изложении описания заявляемого решения предполагается, что матрица 1 ПЗС организована по принципу «кадровый перенос». Она состоит из последовательно связанных зарядовой связью секции накопления с антиблюминговой областью, секции хранения, выходного регистра и выходного устройства преобразования «заряд-напряжение». Управляющий вход матрицы 1 ПЗС, который является затвором антиблюминговой области, становится одновременно и «электронным затвором» фотоприемника, как это имеет место в современных отечественных ПЗС, см., например, [3].
Блок 2 обработки видеосигнала, как и в прототипе, предназначен для обеспечения предварительной фильтрации тактовой помехи, усиления и привязки видеосигнала по уровню «черного», а также замешивания в сигнал изображения кадровых и строчных импульсов гашения.
з
макс
макс
Блок 3 оценки уровня видеосигнала осуществляет детектирование сигнала изображения с выхода блока 2 для получения регулирующего напряжения автоподстройки, которое пропорционально размаху видеосигнала. Регулирующее напряжение, как и в прототипе, появляется на выходе блока 3 с некоторой амплитудной задержкой (U), что необходимо для обеспечения стабилизации видеосигнала при высоком отношении сигнал/шум. Это означает, что при значениях освещенности E матрицы 1 ПЗС, удовлетворяющих условию: 0<E≤(0,85…0,9) E, где E - максимальная освещенность, определяющая точку перегиба световой характеристики ПЗС при максимальной длительности времени накопления, величина регулирующего напряжения с выхода блока 3 должна быть равна нулю. Блок 3 может быть реализован, как и в прототипе, на основе пикового детектирования видеосигнала. Если детектирование пикового значения видеосигнала оказывается неприемлемым, а необходимо детектирование среднего уровня сигнала изображения, то блок 3 может быть выполнен по структурной схеме, приведенной на фиг.3 чертежей, как предложено в работе [2]. Она включает интегратор 3-1, усилитель 3-2 напряжения и разностный усилитель 3-3 напряжения.
Генератор 5 пилообразного напряжения, D-триггер 6 и блок 7 преобразования уровней не отличаются по схемотехническому исполнению от соответствующих блоков прототипа.
Компараторы 4 и 10 выполняются совершенно аналогично. При этом компаратор 4 сравнивает информационный сигнал (регулирующее напряжение) с выхода блока 3 с уровнем пилообразного напряжения с выхода блока 5, а компаратор 10 - тот же информационный сигнал, но при подаче его на инвертирующий вход, с уровнем пилообразного напряжения, подаваемого на неинвертирующий вход, - с выхода сумматора 9.
смещения
Сумматор 9 предназначен для осуществления простого суммирования постоянного напряжения U с выхода блока 8 и пилообразного напряжения с выхода блока 5. Блок 9 может быть выполнен на операционном усилителе по схеме неинвертирующего сумматора, например, [4, с.113].
Источник 8 напряжения смещения может быть выполнен на основе схемы регулируемого стабилизированного напряжения с двумя стабилитронами. Максимальная величина выходного напряжения блока 8 равна разности напряжений стабилизации. Такая схема обеспечивает хорошую температурную компенсацию выходного напряжения, поскольку напряжения обоих стабилитронов в диапазоне температур изменяются одинаковым образом.
RS-триггер 11 имеет функциональные признаки однозначно определенного понятия. Обращаем внимание, что инвертирующие кружки у входов R и S (см. фиг.1) означают, что активным уровнем сигнала для установки триггера в состояния 1 и 0 является уровень логического нуля на одном из входов.
п
Устройство АРВН работает следующим образом. Воспользуемся для описания работы заявляемого устройства временными диаграммами (см. фиг.4) путем непосредственного сравнения с временными диаграммами прототипа (см. фиг.2). Отметим, что на этих чертежах на эпюрах «а» для раскладки процессов во времени изображен кадровый синхроимпульс КСИ, который следует с периодом полукадров T, а его длительность соответствует интервалу переноса зарядовых пакетов в матрице 1 ПЗС из секции накопления в секцию хранения.
макс
смещения
1
Б
А
В
Б
Допустим, что в некоторый момент освещенность на фотомишени матрицы 1 ПЗС превышает максимальную (E). Тогда величина видеосигнала с выхода ПЗС будет такова, что на выходе блока 3 появится регулирующее напряжение, отличное от нуля (см. фиг.4б, эпюра Б). Это напряжение подается на инвертирующий вход компаратора 10 и одновременно на неинвертирующий вход компаратора 4. При этом на инвертирующий вход компаратора 4 в качестве опорного напряжения поступает с выхода блока 5 пилообразное напряжение (см. эпюру А), а на неинвертирующий вход компаратора 10 - пилообразное напряжение с выхода сумматора 9 (см. эпюру В). Отметим, что эпюра В совпадает по форме с эпюрой А, но смещена относительно нее на величину U в сторону положительных значений напряжения. В интервале Δt U>U, а U<U, поэтому на выходе компаратора 4 устанавливается уровень логической 1, а на выходе компаратора 10 - уровень логического 0. В результате на R-входе RS-триггера 11 присутствует логическая 1, а на S-входе - логический 0, следовательно, сам триггер устанавливается в состояние 1 (см. фиг.4в, которая изображает уровни выходных напряжений на прямом выходе (Q) триггера 11).
2
Б
А
В
Б
3
Б
А
В
Б
4
Предположим, что в интервале Δt в сигнале Б имеет место помеха, как показано на фиг.4б. При этом U>U, a U может в некоторые моменты времени превышать U. Тогда на обоих входах RS-триггера 11 устанавливаются логические 1, но триггер согласно своему устройству хранит состояние 1. Эта ситуация сохраняется и в интервале Δt, но по его окончании U<U, a U>U. Тогда в последующем интервале Δt на R-входе RS-триггера 11 присутствует логический 0, а на S-входе - логическая 1, в результате чего сам триггер переходит в состояние 0.
5
В
Б
А
Б
Предположим, что в интервале Δt в сигнале Б снова имеет место помеха. При этом U>U, a U может в некоторые моменты превышать U. В этом случае на обоих входах RS-триггера 11 появляются логические 1, но в соответствии со своим устройством триггер сохраняет предыдущее состояние 0.
2
5
Таким образом, выходной сигнал RS-триггера 11 (см. фиг.4в) становится невосприимчив к помехам, которые могут иметь место в регулирующем напряжении на выходе блока 3 оценки уровня видеосигнала. В прототипе же в сигнале на выходе единственного компаратора игнорируются помехи в интервале Δt, но будут иметь место ложные срабатывания в интервале Δt (см. фиг.2в).
Далее выходной сигнал RS-триггера 11 подается, как и в прототипе, на D-вход D-триггера 6, на С-вход которого поступает инвертированный строчный синхроимпульс ССИ (см. фиг.4г). Благодаря этому передний и задний фронты входного импульса (см. фиг.4д) оказываются «привязанными» к временному интервалу внутри обратного хода по строке.
Выходной сигнал D-триггера 6, как и в прототипе, преобразуется затем в блоке 7 в двухуровневый сигнал (см. фиг.4е) с уровнями импульсных смещений, необходимых для управления затвором антиблюминговой (стоковой) области матрицы ПЗС.
Для типовой технологической организации антиблюмингового стока в матрице ПЗС с каналом проводимости n-типа (см. фиг.5) сигнал с выхода блока 7 подается на затвор GA. Во время световой перегрузки матрицы ПЗС на затвор GA подается высокий уровень импульсного смещения, поэтому потенциальный барьер снимается, затвор открывается, а на фотомишени исключается процесс накопления фотоэлектронов. Носители зарядов, не задерживаясь в потенциальных ямах под фазными электродами Ф2Н секции накопления, устремляются в более глубокие ямы, создаваемые потенциалом DA стоковой области, а далее рекомбинируют в подложку фотоприемника (см. фиг.5б).
н
Когда световая перегрузка матрицы ПЗС устранена, на затвор GA подается нижний уровень импульсного смещения, закрывая его и реализуя режим накопления с сокращенным внутри полукадра временем Т сбора носителей (см. фиг.5а).
В предлагаемом устройстве АРВН повышена ее помехоустойчивость, т.к. исключаются ложные срабатывания компаратора, а, следовательно, и сбои экспонирования накопителя в процессе его адаптации к освещенности.
В настоящее время все блоки предлагаемого решения освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью, поэтому следует считать предлагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Володин В.А., Лобанов В.Д., Уваров Н.Е. Экспериментальная ТВ камера на основе ПЗС // Техника кино и телевидения, 1982, №3, с.54-56.
2
2. Патент США №3931463 SCENE BRIGHTNESS COMPENSATION SYSTEM WITH CHARGE TRANSFER IMAGER, МКИ - H04N 3/14; H01L 29/78; H01L 31/00, заявлен 23.07.1974, опубл. 06.01.1976.
3. Тимофеев В.О. Матричные ФППЗ видимого и ближнего ИК диапазонов с эффективным антиблюмингом и электронным затвором. Доклад на XII научно-технической конференции «Пути развития телевизионных фотоэлектронных приборов и устройств на их основе», 27-29 июня 2001, С.-Петербург. Тезисы докладов, с.74.
4. Фолкенберри Л. Применение операционных усилителей и линейных ИС. Перевод с английского. - М.: Мир, 1985.