УСТРОЙСТВО СЧИТЫВАНИЯ СИГНАЛЬНОГО ЗАРЯДА С МАТРИЧНОГО ПЗИ-ФОТОПРИЕМНИКА
DEVICE FOR READING SIGNAL CHARGE FROM MATRIX CID PHOTODETECTOR

Изобретение относится к области интегральной микроэлектроники и может быть использовано при реализации фотоприемных устройств различных спектральных диапазонов.
Известно устройство считывания сигнального заряда матричного фотоприемника с прямой инжекцией заряда во входную диффузионную область регистра считывания на приборе с зарядовой связью (ПЗС) (под ред. Д.Ф.Барба, Приборы с зарядовой связью, М., Мир, 1982, стр.74, 75). В устройстве один выход элемента матричного фотоприемника подсоединен к входу ПЗС-усилителя (метод модуляции истока). Вторым выходом элемента матричного фотоприемника обычно служит подложка, общая для всех элементов. В устройстве отсутствуют индивидуальные цепи смещения входов ПЗС-усилителей и цепи для регулировки времени накопления заряда.
Недостаток устройства проявляется в том, что в результате неконтролируемых в процессе изготовления флюктуации порогового напряжения отдельные входные МДП-транзисторы ПЗС-усилителей могут оказаться полностью закрытыми, что подавляет инжекцию информационного заряда в ПЗС-усилитель. Кроме того, отсутствие цепей регулирования времени накопления заряда в фотоприемнике не позволяют предотвратить его перегрузку.
Известно устройство считывания сигнального заряда с матричного прибора зарядовой инжекции (ПЗИ), имеющего n×m элементов, организованных в n строк и m столбцов, содержащее n×m входных контактов, каждый из которых соединен с входом своего ключа выборки, выполненного на полевом транзисторе, (G.L.Kurishev et al. Fabrication and properties of two - dimensional hybrid array sensor on epitaxial n-InAs films. SPIE. Vol.2746, p.268-276, 1996), и через конденсатор, С, с точкой соединения выходов первого и второго ключей, входы которых соединены соответственно с пятым и шестым выводами многофазного генератора импульсов, а управляющий вход первого ключа соединен с выходом первого сдвигового регистра и одним входом первого блока «ИЛИ», управляющий вход второго ключа соединен с выходом второго сдвигового регистра и другим входом первого блока «ИЛИ», выход которого соединен с управляющим входом ключа выборки, выход которого соединен через столбцовую шину с выходом ключа налива заряда и входом ПЗС-усилителя, который соединен с затвором хранения ПЗС-усилителя, который соединен с входом ключа слива заряда и с выходом ПЗС-усилителя, который соединен с входом третьего ключа, выход которого является выходом устройства, а управляющий вход третьего ключа соединен с выходом третьего сдвигового регистра, тактовый вход которого соединен с входом счетчика столбцов и с выводом 1 многофазного генератора импульсов, а вход запуска третьего сдвигового регистра соединен с счетным входом счетчика строк, тактовыми входами первого и второго сдвиговых регистров и выходом второго дешифратора, входы которого соединены с выходами разрядов счетчика столбцов, выходы разрядов счетчика строк соединены с соответствующими входами первого дешифратора, один выход которого соединен с входом запуска первого сдвигового регистра, другой выход - с входом запуска второго сдвигового регистра, причем управляющие входы ключа налива заряда и ключа слива заряда соединены с выводами 4 и 2 многофазного генератора импульсов.
A
A
Устройство работает следующим образом. Циклически повторяются следующие операции. Открывается ключ выборки, ключ налива заряда, через время, необходимое для налива заряда, ключ налива заряда закрывается, а лишний заряд удаляется через ключ для слива заряда, после чего этот ключ закрывается. В результате потенциал затвора элемента оказывается привязанным к поверхностному потенциалу истоковой области полевого транзистора ключа выборки, а потенциал столбцовой шины привязывается к поверхностному потенциалу истоковой области входного затвора ПЗС-усилителя. После чего через разделительный конденсатор, С, и первый ключ от многофазного генератора импульсов на затвор ПЗИ-элемента, соединенный с входным контактом устройства, подается импульс инжекции, что приводит к вводу заряда через открытый ключ выборки и столбцовую шину в ПЗС-усилитель. Для увеличения быстродействия, считывание сигнального заряда проводят параллельно (одновременно) для элементов одной строки. Строки выбираются с помощью ключей выборки, блоков «ИЛИ» и 1-го и 2-го сдвиговых регистров, для формирования импульсов запуска которых служат выходы дешифратора счетчика строк. Второй сдвиговый регистр и второй ключ необходимы для подачи второго импульса инжекции с целью регулировки времени накопления. Время кадра, период кадровой частоты, Т, делится на две доли, части. Одна доля, время накопления t, используется для накопления сигнального заряда. Во время другой доли, T-t, заряд также копится, но не используется для извлечения информации, т.к. часто он бывает накоплен с перегрузкой ПЗИ-фотоприемника и несет искаженную информацию о наблюдаемой сцене. Такой заряд можно, в отличие от сигнального, назвать зарядом «перегрузки». Заряд «перегрузки» сбрасывается через цепь слива заряда, в состав которой входят те же элементы, что и для чтения сигнального заряда плюс выходная диффузионная область для слива заряда. Для сброса заряда «перегрузки» один импульс инжекции подается в процессе (фазе) слива заряда через первый ключ. Этот импульс инжекции сбрасывает заряд «перегрузки» и начинает процесс накопления сигнального заряда в i-й строке. Второй импульс инжекции подается через второй ключ после завершения слива заряда. Этот импульс инжекции завершает процесс накопления сигнального заряда в j-й строке и вводит в ПЗС-усилитель сигнальный заряд с j-й строки. Сигнальные заряды с входа ПЗС-усилителей, поступают под затворы хранения ПЗС-усилителей и на выход ПЗС-усилителей и далее, синхронно с работой третьего ключа, управляемого третьим сдвиговым регистром, по очереди поступают на выход устройства. Третий сдвиговый регистр запускается сигналом с выхода второго дешифратора счетчика столбцов. Счетчик строк, первый и второй сдвиговые регистры получают тактовые импульсы с выхода второго дешифратора.
Разница во времени считывания сигнала с i-й и с j-й строк задает время накопления сигнального заряда и определяется дешифратором счетчика строк. Особенности работы первого и второго регистров сдвига ограничивают изменение времени накопления заряда от минимального значения, равного времени опроса строки, до максимального, равного времени кадра.
Однако процесс привязки потенциала столбцовой шины к поверхностному потенциалу истоковой области входного затвора ПЗС-усилителя является относительно длительным, особенно фаза «слива» заряда, и может занимать существенную долю строкового времени. При возрастании требований к быстродействию ПЗИ-фотоприемника, увеличении его строковой частоты, время, отведенное на процесс привязки потенциала, уменьшается, что приводит к увеличению погрешности привязки. При этом заряд столбцовой шины содержит часть заряда «перегрузки» i-й строки, который складывается с полезным сигналом j-й строки.
Недостатком устройства является наличие на полученном с его помощью изображении дополнительного, сдвинутого по вертикали на i-j строк, ложного контура.
Техническим результатом изобретения является улучшение качества изображения, кадров, получаемых с выхода устройства при времени накопления, меньшем времени кадра, за счет удаления ложного контура.
Технический результат достигается тем, что в устройство считывания сигнального заряда с матричного ПЗИ-фотоприемника, имеющего n строк и m столбцов, содержащее n×m штук входных контактов, каждый из которых соединен с входом своего ключа выборки и через конденсатор, С, с точкой соединения выходов первого и второго ключей, входы которых соединены соответственно с пятым и шестым выводами многофазного генератора импульсов, а управляющий вход первого ключа соединен с выходом первого сдвигового регистра и одним входом первого блока «ИЛИ», управляющий вход второго ключа соединен с выходом второго сдвигового регистра и другим входом первого блока «ИЛИ», выход которого соединен с управляющим входом ключа выборки, выход которого соединен через столбцовую шину с выходом ключа налива заряда и входом ПЗС-усилителя, который соединен с затвором хранения ПЗС-усилителя, который соединен с входом ключа слива заряда и с выходом ПЗС-усилителя, который соединен с входом третьего ключа, выход которого является выходом устройства, а управляющий вход третьего ключа соединен с выходом третьего сдвигового регистра, тактовый вход которого соединен с входом счетчика столбцов и с выводом 1 многофазного генератора импульсов, а вход запуска третьего сдвигового регистра соединен с счетным входом счетчика строк, тактовыми входами первого и второго сдвиговых регистров и выходом второго дешифратора, входы которого соединены с выходами разрядов счетчика столбцов, выходы разрядов счетчика строк соединены с соответствующими входами первого дешифратора, один выход которого соединен с входом запуска первого сдвигового регистра, другой выход - с входом запуска второго сдвигового регистра, причем управляющие входы ключа налива заряда и ключа слива заряда соединены с выводами 4 и 2 многофазного генератора импульсов, дополнительно введены второй блок «ИЛИ», первый блок задержки импульса, третий блок «ИЛИ» и второй блок задержки импульса, причем управляющий вход ключа налива заряда соединен с выходом второго блока «ИЛИ», один вход которого соединен с выходом первого блока задержки импульса, другой вход соединен с входом первого блока задержки импульса и с выводом 4 многофазного генератора импульсов, а управляющий вход ключа слива заряда соединен с выходом третьего блока «ИЛИ», один вход которого соединен с выходом второго блока задержки импульса, другой вход соединен с входом второго блока задержки импульса и с выводом 2 многофазного генератора импульсов, а входы тактовой частоты первого и второго блока задержки импульса соединены с третьим выводом многофазного генератора импульсов.
На фиг.1 представлена блок-схема устройства считывания сигнального заряда с матричного ПЗИ-фотоприемника.
На фиг.2 приведено изображение, полученное без использования предлагаемого устройства.
На фиг.3 приведено изображение, полученное с использованием предлагаемого устройства.
Блок-схема устройства показана на фиг.1, где: 1 - входной контакт, 2 - ключ выборки, 3 - первый блок «ИЛИ», 4 - первый ключ, 5 - второй ключ, 6 - столбцовая шина, 7 - первый сдвиговый регистр, 8 - второй сдвиговый регистр, 9 - счетчик строк, 10 - первый дешифратор, 11 - вход ПЗС-усилителя, 12 - ключ налива заряда, 13 - второй блок «ИЛИ», 14 - первый блок задержки импульса, 15 - затвор хранения ПЗС-усилителя, 16 - ключ слива заряда, 17 - третий блок «ИЛИ», 18 - второй блок задержки импульса, 19 - третий сдвиговый регистр, 20 - второй дешифратор, 21 - счетчик столбцов, 22 - выход ПЗС-усилителя, 23 - третий ключ, 24 - выход, 25 - многофазный генератор импульсов. Толстыми линиями показаны многоразрядные соединения - шины.
Входной контакт, 1, соединен с входом ключа выборки, 2, и с левой (на блок-схеме) обкладкой конденсатора С.
Правая (на блок-схеме) обкладка конденсатора С соединена с выходом первого ключа, 4, и с выходом второго ключа, 5.
Вход первого ключа, 4, соединен с пятым выводом многофазного генератора импульсов, 25.
Вход второго ключа, 5, соединен с шестым выводом многофазного генератора импульсов, 25.
Управляющий вход первого ключа, 4, соединен с выходом первого сдвигового регистра, 7, и с одним входом первого блока «ИЛИ», 3.
Управляющий вход второго ключа, 5, соединен с выходом второго сдвигового регистра, 8, и с другим входом первого блока «ИЛИ», 3.
Выход первого блока «ИЛИ», 3, соединен с управляющим входом ключа выборки, 2.
Выход ключа выборки, 2, соединен с столбцовой шиной, 6.
Столбцовая шина, 6, соединена с выходом ключа налива заряда, 12, и входом ПЗС-усилителя, 11.
Вход ПЗС-усилителя, 11, соединен с затвором хранения ПЗС-усилителя, 15.
Затвор хранения ПЗС-усилителя, 15, соединен с входом ключа слива заряда, 16, и с выходом ПЗС-усилителя, 22.
Выход ПЗС-усилителя, 22, соединен с входом третьего ключа, 23.
Выход третьего ключа, 23, соединен с выходом устройства, 24.
Управляющий вход третьего ключа, 23, соединен с выходом третьего сдвигового регистра, 19.
Вход запуска третьего сдвигового регистра, 19, соединен с выходом второго дешифратора, 20, с счетным входом счетчика строк,9, с тактовым входом первого сдвигового регистра, 7, с тактовым входом второго сдвигового регистра, 8.
Выходы разрядов счетчика строк, 9, соединены с входами первого дешифратора, 10.
Один выход первого дешифратора, 10, соединен с входом запуска первого сдвигового регистра, 7. Второй выход первого дешифратора, 10, соединен с входом запуска второго сдвигового регистра, 8.
Счетный вход счетчика столбцов, 21, соединен с первым выводом многофазного генератора импульсов, 25, и с тактовым входом третьего сдвигового регистра, 19.
Выходы разрядов счетчика столбцов, 21, соединены с входами второго дешифратора, 20.
Управляющий вход ключа налива заряда, 12, соединен с выходом второго блока «ИЛИ», 13.
Один вход второго блока «ИЛИ», 13, соединен с четвертым выводом многофазного генератора импульсов, 25, и с входом первого блока задержки импульсов, 14, другой вход второго блока «ИЛИ», 13, соединен с выходом первого блока задержки импульса, 14.
Управляющий вход ключа слива заряда, 16, соединен с выходом третьего блока «ИЛИ», 17.
Один вход третьего блока «ИЛИ», 17, соединен с вторым выводом многофазного генератора импульсов, 25, и с входом второго блока задержки импульсов, 18, другой вход третьего блока «ИЛИ», 17, соединен с выходом второго блока задержки импульса, 18.
Вход тактовой частоты первого блока задержки импульса, 14, соединен с входом тактовой частоты второго блока задержки импульса, 18, и с третьим выводом многофазного генератора импульсов, 25.
Устройство работает следующим образом.
Первый, второй и третий сдвиговые регистры, 7, 8, 19, устроены так, что в исходном состоянии на всех их выходах находится напряжение логического нуля. После подачи импульса запуска, и первого тактового импульса на первом выходе появляется и удерживается до прихода следующего тактового импульса напряжение логической единицы. С приходом второго тактового импульса на первом выходе устанавливается напряжение логического нуля, а на втором выходе - напряжение логической единицы. Далее, с приходом L-го тактового импульса напряжение логической единицы будет только на L-м выходе сдвигового регистра. Число выходов первого и второго сдвиговых регистров, 7, 8, обычно равно числу строк, n. Число выходов третьего сдвигового регистра, 19, обычно равно числу столбцов, m.
Для работы с временем накопления заряда равным i-j периодов строковой частоты первый дешифратор, 10, счетчика строк, 9, устроен так, что первым запускается первый сдвиговый регистр, 7, а второй сдвиговый регистр, 8, запускается через i-j периодов строковой частоты.
Благодаря использованию первого блока «ИЛИ»,3, одновременно открыты ключи выборки, 2, i-й и j-й строк. Через первый ключ, 4, и конденсатор, С, в фазе слива заряда подается импульс инжекции для сброса заряда «перегрузки» в i-й строке. После чего благодаря второму блоку «ИЛИ», 13, и первому блоку задержки импульса, 14, открывается ключ налива заряда, 12, и повторяется налив заряда, а, в результате работы третьего блока «ИЛИ», 17, и второго блока задержки импульса, 18, открывается ключ слива заряда, 16, и повторяется слив заряда. Время задержки в первом и втором блоках задержки импульсов, 14, 18, может быть выбрано одинаковым и должно превышать суммарную длительность управляющих импульсов на выводах 4, 2 многофазного генератора импульсов, 25, для налива и слива заряда.
После окончания фазы слива, в строке j, через второй ключ,5, подается импульс инжекции, который завершает процесс накопления заряда в j-й строке и вводит в ПЗС-усилитель сигнальный заряд через вход ПЗС-усилителя, 11. Сигнальные заряды с входа ПЗС-усилителей, 11, поступают под затворы хранения ПЗС-усилителя, 15, и далее, синхронно с работой третьего ключа, 23, управляемого третьим сдвиговым регистром, 19, по очереди поступают на выход устройства, 24. Третий сдвиговый регистр, 19, запускается сигналом с выхода второго дсшифратора, 20, счетчика столбцов, 21.
Благодаря тому, что при наливе заряд полностью заполняет зарядовые емкости затвора ПЗИ-элемента, подключенного к входу устройства, 1, и столбцовой шины, 6, информация, связанная с остатком заряда «перегрузки», полностью уничтожается. В конце процесса слива часть заряда остается на столбцовой шине, 6, но это часть от постоянной, не зависящей от наблюдаемой фотоприемником сцены, величины, связанной с зарядовой емкостью цепей затвора ПЗИ-элемента и столбцовой шины, 6. Этот паразитный, не зависящий от сцены, заряд складывается с сигнальным зарядом, но при этом паразитный контур не появляется, т.к. постоянные, не зависящие от сцены, компоненты сигнала вычитаются при калибровке.
Так удалось убрать паразитный контур и улучшить качество изображения.
Следует отметить, что подключение вторых контактов ключей налива заряда и слива заряда не отражено на схеме и зависит от типа проводимости подложки полупроводника. Например, для подложки p-типа второй контакт ключа налива заряда должен быть подключен к клемме источника питания, соединенной с подложкой полупроводника (нуль вольт), а второй контакт ключа слива заряда - к клемме источника положительного (относительно подложки полупроводника) напряжения питания.
Все перечисленные операции повторяются циклически, с кадровой частотой.
Значения n и m могут быть в диапазоне 1≤n<1000000, 1≤m<1000000.
Применяя предлагаемое устройство, надо иметь ввиду, что время, необходимое для проведения дополнительного налива и слива заряда, увеличивает время обработки одной строки и тем самым может снизить строковую и кадровую частоту. Чтобы избежать снижения быстродействия устройства, можно организовать известное параллельное (одновременное) проведение операций налива, слива заряда в i+1-й строке и вывод информации через третий ключ, 23, i-й строки.
Устройство было выполнено для считывания сигнального заряда с матричного, 128×128, ПЗИ-фотоприемника на основе арсенида индия n-типа. Часть устройства считывания, содержащая входные контакты, 1, конденсаторы, С, ключи выборки, 2, столбцовые шины, 6, ключи налива заряда, 12, первые, вторые и третьи ключи, 4, 5, 23, первый, второй и третий сдвиговые регистры, 7, 8, 19; вход ПЗС-усилителя, 11, затвор хранения ПЗС-усилителя, 15, выход ПЗС-усилителя, 22, ключи слива заряда, 16, первый блок «ИЛИ»,3, выполнена на кремниевой подложке по n-канальной технологии и присоединена с помощью 16384-х индиевых микростолбиков к затворам матричного ПЗИ-фотоприемника. Другая часть, содержащая второй и третий блоки «ИЛИ», 13, 17, первый и второй блоки задержки импульсов, 14, 18, певый и второй дешифраторы, 10, 20, счетчик строк, 9, счетчик столбцов, 21, многофазный генератор импульсов, 25, выполнены на стандартных микросхемах.
Первый и второй блоки задержки импульсов, 14, 18, выполнены по схеме регистра сдвига, но могут быть выполнены по схеме счетчика с дешифратором. Также первый и второй блоки задержки импульсов, 14, 18, могут быть выполнены на аналоговых линиях задержки с соответствующими усилителями. В последнем случае не потребуется соединение входов тактовой частоты с третьим выводом многофазного генератора импульсов, 25. Минимальное время, необходимое для налива заряда, было порядка 100 нс, а ключ налива заряда открывался (с запасом) на время порядка 1 мкс.
-1
На ПЗИ-фотоприемник, с помощью инфракрасного объектива фокусировалось изображение сцены. Частота кадров равнялась 100 с.
Устройство было включено в состав тепловизора. Результат применения предлагаемого устройства вытекает из сравнения фиг.2 и фиг.3.
Исходное изображение, фиг.2, получено на устройстве-прототипе. На нем изображена термограмма стола, на столешнице которого находится горячий (около 50°С) чайник. Время накопления равнялось 22/128 от кадрового. Виден паразитный контур на боковой стенке стола, сдвинутый на 22 строки, показанный стрелкой. (Вертикальная развертка проводилась снизу вверх). На фиг.3 приведено изображение, полученное с помощью предлагаемого устройства. Видно, что паразитный контур подавлен.
Таким образом, применение предлагаемого устройства позволяет существенным образом подавить паразитный контур при работе с временами накопления меньше кадрового и улучшить качество получаемого с помощью матричного ПЗИ-фотоприемника изображения.