УСТРОЙСТВО СЧИТЫВАНИЯ С ВРЕМЕННОЙ ЗАДЕРЖКОЙ И НАКОПЛЕНИЕМ СИГНАЛОВ С МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ ФОТОПРИЕМНИКОВ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
READING DEVICE WITH TIME DELAY AND ACCUMULATION OF SIGNALS FROM MULTI-ELEMENT INFRARED PHOTODETECTORS

Техническое решение относится к области интегральной микроэлектроники и может быть использовано в системах обработки оптической информации.
Известно устройство считывания с временной задержкой и накоплением (ВЗН) сигналов с многоэлементных фотоприемников инфракрасного излучения (патент РФ №2236064 на изобретение, МПК:7 H01L 27/14), выполненное на полупроводниковой подложке, содержащее многоканальную систему считывания в составе m каналов считывания, блока памяти, при этом каждый из m каналов считывания выполнен из блока считывания с n ячейками считывания, блока хранения и суммирования сигналов с ВЗН с n ячейками хранения и суммирования сигналов с ВЗН (каскадов ВЗН), блока записи и хранения информации о дефектных элементах, где m - количество каналов считывания, n - количество каскадов временной задержки и накопления (ВЗН), трех групп шин управления по n в каждой. Ячейка считывания входом соединена с фотоприемником, первым выходом связана с блоком памяти, вторым выходом с первой управляющей шиной, третьим выходом с выходами ячеек считывания других каскадов и входами ячеек хранения и суммирования сигналов с ВЗН. Ячейка считывания содержит узел ввода, выполненный в составе усилителя и первого МДП-транзистора, при этом исток первого МДП-транзистора, являющийся входом ячейки считывания, соединен с выходом фотоприемника, его затвор соединен с выходом усилителя, вход усилителя соединен с истоком первого МДП-транзистора; кроме этого ячейка считывания содержит интегрирующую емкость, второй и третий МДП-транзисторы, причем исток второго МДП-транзистора соединен со стоком первого МДП-транзистора, сток второго МДП-транзистора, являющийся третьим выходом ячейки считывания, соединен со стоками вторых МДП-транзисторов ячеек считывания других каскадов, затвор второю МДЧ-транзистора соединен с истоком третьего МДП-транзистора, затвор третьего МДП-транзистора, являющийся вторым выходом ячейки считывания, соединен с первой управляющей шиной, сток третьего МДП-транзистора, являющийся первым выходом ячейки считывания, соединен с блоком памяти, одна обкладка интегрирующей емкости соединена с истоком второго МДП-транзистора, а вторая ее обкладка соединена с полупроводниковой подложкой. Ячейка хранения и суммирования сигналов с ВЗП первым входом соединена с ячейками считывания, вторым входом соединена со второй управляющей шиной, на выходе первый выход предназначен для соединения с мультиплексором, а второй выход соединен с третьей управляющей шиной. Ячейка хранения и суммирования сигналов с ВЗН выполнена в составе четвертого и пятого МДП-транзисторов, второй интегрирующей емкости, при этом исток четвертого МДП-транзистора, являющийся первым выходом ячейки хранения и суммирования сигналов с ВЗН, предназначен для соединения с мультиплексором, сток четвертого МДП-транзистора соединен с истоком пятого МДП-транзистора, затвор четвертого МДП-транзистора, являющийся вторым выходом ячейки хранения и суммирования сигналов с ВЗН, соединен с третьей управляющей шиной, затвор пятою МДП-транзистора, являющийся вторым входом ячейки хранения и суммирования сигналов с ВЗН, соединен со второй управляющей шиной, а сток пятого МДП-транзистора, являющийся первым входом, соединен со стоками пятых МДП-транзисторов ячеек хранения и суммирования сигналов с ВЗН других каскадов и ячейками считывания, вторая интегрирующая емкость одной обкладкой соединена с истоком пятого МДП-транзистора, а второй обкладкой соединена с полупроводниковой подложкой.
Блок хранения и суммирования сигналов с ВЗН с n ячейками хранения и суммирования сигналов с ВЗН выполнен аналоговым. Устройство считывания реализовано с возможностью вывода данных из него только в аналоговой форме.
В приведенном аналоге к недостаткам относятся ограничение уровня чувствительности фотоприемного устройства при использовании данных устройств считывания с временной задержкой и накоплением сигналов с многоэлементных фотоприемников, ограничение по динамическому диапазону, кроме того, ограничение количества фоточувствительных элементов фотоприемника, с которых возможно считывание сигналов каждым каналом.
Недостатки связаны с разбросом параметров транзисторов, составляющих аналоговые тракты, а также с наличием электромагнитной интерференции проводников, по которым из устройства выводится полезный аналоговый сигнал для последующей внешней обработки.
В известном устройстве используется ВЗН в аналоговой форме, что препятствует считыванию каждым каналом сигналов с неограниченного количества фоточувствительных элементов фотоприемника.
Известно устройство считывания с временной задержкой и накоплением (ВЗН) сигналов с многоэлементных фотоприемников инфракрасного излучения (патент РФ №2325728 на изобретение, МПК:8 H01L 27/14), выполненное на полупроводниковой подложке, содержащее n узлов ввода, где n - количество ВЗН каскадов, n узлов коммутации, (n+1) узлов выборок, (n+1) шин управления, шину управления сбросом. шину напряжения сброса, каждый узел ввода выполнен в составе МДП-транзистора, усилителя, интегрирующей емкости, МДП-транзистора сброса и повторителя напряжения, при этом МДП-транзистор истоком соединен с фотоприемником, затвором - с выходом усилителя, вход которого соединен с истоком МДП-транзистора, сток МДП-транзистора соединен с первой обкладкой интегрирующей емкости, вторая обкладка которой соединена с полупроводниковой подложкой, исток МДП-транзистора сброса соединен с шиной напряжения сброса, его затвор - с шиной управления сбросом, а сток соединен со стоком МДП-транзистора и входом повторителя напряжения, выход которого соединен с входом соответствующего узла коммутации, каждый узел коммутации содержит первый, второй, …, (n+1) коммутационные МДП-транзисторы, истоки которых соединены, являясь входом узла коммутации, стоки i-х коммутационных МДП-транзисторов, где i от 1 до (n+1), из каждого узла коммутации соединены, а затворы первого, второго, …, (n+1) коммутационных транзисторов j-ю узла коммутации соединены, соответственно, с 1+(j-1), 2+(j-1), …, n, (n+1), 1, 2, …, (j-1)-й шиной управления, где j от 1 до n, каждый узел выборок выполнен в составе первой емкости, первого выходного МДП-транзистора, n вторых коммутационных МДП-транзисторов, (n-1) вторых емкостей выборок, (n-1) вторых выходных МДП-транзисторов. при этом первая емкость одной обкладкой соединена с подложкой, а второй - с истоком первою выходного МДП-транзистора, сток первого выходного МДП-транзистора соединен с выходом устройства, затвор первого выходного МДП-транзистора первого, второго, …, (n+1) узлов выборок соединен, соответственно, с (n+1), первой, второй,..., n-й шинами управления, истоки первого, второго, …, n-го вторых коммутационных МДП-тразисторов соединены, их стоки соединены, соответственно, с истоками первого выходною МДП-транзистора и истоками второго, третьего, …, n-го вторых выходных МДП-транзисторов, стоки которых соединены с выходом устройства, одна обкладка второй, третьей …, n-й вторых емкостей выборок соединены с подложкой, а вторые обкладки вторых емкостей соединены, соответственно, с истоками второго, третьего, …, n-го вторых выходных МДП-транзисторов, затворы которых соединены с затвором первого выходного МДП-транзистора, соединенные истоки вторых коммутационных МДП-транзисторов в первом, втором, …, (n+1) узлах выборок соединены, соответственно, со стоками первого, второго, …, (n+1) вторых коммутационных МДП-транзисторов первого узла коммутации, затворы первого, второго, …, n-го вторых коммутационных МДП-транзисторов m-го узла выборок соединены соответственно с m, (m+1), …, n, (n+1), 1, 2, …, (m-2) шинами управления, где m от 1 до (n+1).
К недостаткам данного аналога относятся ограничение уровня чувствительности фотоприемного устройства при использовании данных устройств считывания с временной задержкой и накоплением сигналов с многоэлементных фотоприемников, ограничение по динамическому диапазону, а также ограничение количества фоточувствительных элементов фотоприемника, с которых возможно считывание сигналов каждым каналом.
Недостатки обусловлены разбросом параметров транзисторов, составляющих аналоговые тракты, а также наличием электромагнитной интерференции проводников, но которым из устройства выводится полезный аналоговый сигнал для последующей внешней обработки.
В приведенном устройстве используется ВЗН в аналоговой форме, что препятствует достижению возможности считывания каждым каналом сигналов с неограниченного количества фоточувствительных элементов фотоприемника.
За ближайшее к заявляемому техническому решению принято устройство считывания с временной задержкой и накоплением (ВЗН) сигналов с многоэлементных фотоприемников инфракрасного излучения (И.И. Ли «Устройство считывания для ИК ФПУ с режимом временной задержки и накопления», Автометрия, 2007 г., г.43, №4, с.56-62), выполненное на полупроводниковой подложке, содержащее многоканальную систему считывания в составе m каналов считывания, трех дешифраторов с n ячейками, одного и второго сдвиговых регистров с m ячейками, общей шины записи информации о дефектных элементах, общей шины выхода, при этом каждый из m каналов считывания выполнен из блока считывания с n ячейками считывания, блока хранения и суммирования сигналов с ВЗН с n ячейками хранения и суммирования сигналов с ВЗН (n каскадами ВЗН), блока записи и хранения информации о дефектных элементах с n ячейками записи и хранения информации о дефектных элементах, двух МДП-транзисторов, соответствующей каналу считывания ячейки одного сдвигового регистра и соответствующей каналу считывания ячейки второго сдвигового регистра, шины передачи фотосигналов, шины передачи информации о дефектных элементах, шины ВЗН сигналов, шины записи информации о дефектных элементах, где m - количество каналом считывания, n - количество каскадов временной задержки и накопления (ВЗН), каждая ячейка считывания на входе первым входом связана с фотоприемником, вторым входом связана с шиной передачи информации о дефектных элементах, на выходе первым выходом связана с шиной передачи фотосигналов, вторым выходом связана с соответствующей ячейкой первого дешифратора, каждая ячейка хранения и суммирования сигналов с ВЗН на входе первым входом связана с шиной передачи фотосигналов, вторым входом связана с соответствующей ячейкой второго дешифратора, а на выходе первым выходом связана с шиной ВЗН сигналов, вторым выходом связана с соответствующей ячейкой третьего дешифратора, к шине ВЗН сигналов подключен сток одного МДП-транзистора, его затвор соединен с соответствующей каналу ячейкой одного сдвигового регистра, а исток соединен с общей шиной выхода, каждая ячейка записи и хранения информации о дефектных элементах первым входом соединена с шиной записи дефектных элементов, вторым входом - со вторым выходом соответствующей ячейки хранения и суммирования сигналов с ВЗН, который соединен с соответствующей ячейкой третьего дешифратора, а на выходе - первым выходом соединена с шиной передачи информации о дефектных элементах, вторым выходом связана со вторым выходом соответствующей ячейки считывания, который соединен с соответствующей ячейкой первого дешифратора, с соответствием номеров ячеек считывания, ячеек хранения и суммирования сигналов с ВЗН, ячеек записи и хранения информации о дефектных элементах, ячеек дешифраторов, к шине записи информации о дефектных элементах подключен исток другого МДП-транзистора, его затвор соединен с соответствующей каналу ячейкой другого сдвигового регистра, а сток соединен с общей шиной записи информации о дефектных элементах. Ячейка считывания выполнена в составе узла ввода, двух МДП-транзисторов, вход узла ввода, являющийся первым входом рассматриваемой ячейки, предназначен для подачи фотосигналов и соединен с фотоприемником, выход узла ввода электрически соединен с истоком МДП-транзистора, сток которого, являющийся первым выходом рассматриваемой ячейки, соединен с шиной передачи фотосигналов, а затвор - со стоком второго МДП-транзистора, при этом исток второго МДП-транзистора, являющийся вторым входом рассматриваемой ячейки, соединен с шиной передачи информации о дефектных элементах, а затвор, являющийся вторым выходом рассматриваемой ячейки, соединен с соответствующей ячейкой первою дешифратора. Ячейка хранения и суммирования сигналов с ВЗН выполнена в составе ячейки сумматора, в котором количество ячеек равно количеству ВЗН каскадов, двух МДП-транзисторов, исток первого МДП-транзистора соединен с входом ячейки сумматора, его сток, являющийся первым входом рассматриваемой ячейки, соединен с шиной передачи фотосигналов, а затвор, являющийся вторым входом рассматриваемой ячейки, соединен с соответствующей ячейкой второго дешифратора, сток второго МДП-транзистора соединен с выходом ячейки сумматора, его исток, являющийся первым выходом рассматриваемой ячейки, соединен с шиной ВЗН сигналов, а затвор, являющийся вторым выходом рассматриваемой ячейки, соединен с соответствующей ячейкой третьего дешифратора. Ячейка записи и хранения информации о дефектных элементах выполнена в составе ячейки ОЗУ, в котором количество ячеек равно количеству ВЗН каскадов, двух МДП-транзисторов, сток первого МДП-транзистора соединен с входом ячейки ОЗУ, его исток, являющийся первым входом рассматриваемой ячейки, соединен с шиной записи информации о дефектных элементах, а затвор, являющийся вторым входом рассматриваемой ячейки, соединен с затвором второго МДП-транзистора ячейки хранения и суммирования сигналов с ВЗН, являющимся вторым выходом ячейки хранения и суммирования сигналов с ВЗН и соединенным с соответствующей ячейкой третьего дешифратора, исток второго МДП-транзистора рассматриваемой ячейки соединен с выходом ячейки ОЗУ его сток, являющийся первым выходом рассматриваемой ячейки, соединен с шиной передачи информации о дефектных элементах, а затвор, являющийся вторым выходом рассматриваемой ячейки, соединен с затвором второго МДП-транзистора ячейки считывания, являющимся вторым выходом ячейки считывания и соединенным с соответствующей ячейкой первого дешифратора. Узел ввода выполнен в виде предусилителя. Шины выполнены с возможностью передачи сигналов в аналоговой форме.
Организация удаления из ВЗН сигналов фотосигналов дефектных фотоприемных каналов включает следующее.
Если в ячейке ОЗУ записана «логическая 1», то при появлении напряжения на выходах соответствующих ячеек первого и третьего дешифраторов на затвор первого МДП-транзистора ячейки считывания поступает высокое напряжение, фотосигнал с соответствующего фотоприемного канала поступает в аналоговом виде на шину передачи фотосигналов. Если в ячейке ОЗУ записан «логический 0», то на затвор первого МДП-транзистора подается низкое напряжение и происходит блокирование передачи фотосигнала дефектного фотоприемного канала на шину передачи фотосигналов.
В приведенном ближайшем аналоге к недостаткам относится, во-первых, ограничение уровня чувствительности фотоприемного устройства при использовании данных устройств считывания с временной задержкой и накоплением сигналов с многоэлементных фотоприемников, во-вторых, невозможность расширения динамического диапазона - соответственно, ограничение динамического диапазона, в-третьих, ограничение количества фоточувствительных элементов фогоприемника, с которых возможно считывание сигналов каждым каналом.
Недостатки возникают из-за разброса параметров транзисторов, составляющих аналоговые тракты, а также наличия электромагнитной интерференции проводников, по которым из устройства выводится полезный аналоговый сигнал для последующей обработки, обуславливают ограничение по динамическому диапазону.
В ближайшем аналоге используется ВЗН в аналоговой форме, что препятствует достижению возможности считывания каждым каналом сигналов с неограниченного количества фоточувствительных элементов фотоприемника.
Техническим результатом является:
- снятие ограничения чувствительности фотоприемного устройства;
- расширение динамического диапазона;
- достижение возможности считывания каждым каналом сигналов практически с неограниченного количества фоточувствительных элементов фотоприемника.
Технический результат достигается в устройстве считывания с временной задержкой и накоплением (ВЗН) сигналов с многоэлементных фотоприемников инфракрасного излучения, содержащем многоканальную систему считывания в составе m каналов считывания, при этом каждый из m каналов считывания выполнен из блока считывания с n ячейками считывания, блока каскадов ВЗН сигналов с n каскадами ВЗН сигналов, кроме того, каждый канал считывания снабжен k-разрядным сдвиговым регистром, k - число разрядов распределенного аналого-цифрового преобразователя, блок считывания соединен N разрядной шиной сигналов сравнения напряжений с блоком каскадов ВЗН, при этом каждая n-тая ячейка считывания соединена с соответствующим N-тым разрядом N разрядной шины сигналов сравнения напряжений, с соответствием номера ячейки считывания номеру разряда указанной шины, каждая ячейка считывания выполнена в составе интегрирующего усилителя, ячейки выборки и хранения, компаратора, триггера-защелки, логического элемента «И», имеющих по два входа и одному выходу, при этом аналоговые элементы - интегрирующий усилитель, ячейка выборки и хранения, компаратор последовательно соединены в указанной последовательности относительно одного из входов каждого аналоговыми шинами, один из входов интегрирующего усилителя предназначен для соединения с фотоприемником, выход компаратора соединен с инвертирующим входом логического элемента «И», второй вход логического элемента «И» соединен с выходом триггера-защелки, выход логического элемента «И», являющийся выходом ячейки считывания соединен с соответствующим разрядом N разрядной шины сигналов сравнения напряжений, с соответствием номера ячейки считывания номеру разряда, указанной шины, второй вход интегрирующего усилителя соединен с шиной разрешения интегрирования, второй вход ячейки выборки и хранения соединен с шиной разрешения выборки, второй вход компаратора соединен с шиной пилообразного сигнала, один из входов триггера-защелки соединен с соответствующим разрядом M разрядной шины выборки канала считывания, с соответствием номера канала считывания номеру разряда указанной шины, второй вход его соединен с соответствующим разрядом N разрядной шины данных включения/выключения ячейки считывания, с соответствием номера ячейки считывания номеру разряда указанной типы, каждый каскад ВЗН выполнен в составе параметрического мультиплексора сигналом сравнения, логического элемента «И», k-разрядного счетчика, k-разрядного элемента с тремя состояниями на выходе, дополнительного k-разрядного сдвигового регистра, параметрический мультиплексор сигналов сравнения, логический элемент «И», k-разрядный счетчик, k-разрядный элемент с тремя состояниями на выходе, последовательно соединены в указанной последовательности, первый, N разрядный, вход параметрического мультиплексора соединен с N разрядной шиной сигналов сравнения напряжений, второй, N разрядный, вход соединен с N разрядной шиной текущей фазы ВЗН, третий вход соединен с шиной разрешения счета счетчиков каскадов ВЗН и пилообразного сигнала, выход параметрического мультиплексора сигналов сравнения соединен шиной разрешения счета с первым входом логического элемента «И», второй вход логического элемента «И» соединен с шиной синхронизации счетчиков каскадов ВЗН и пилообразного сигнала, выход логического элемента «И» соединен со входом k-разрядного счетчика, k-разрядный выход счетчика соединен К разрядной шиной текущею состояния счетчика с первым, k-разрядным входом, k-разрядного элемента с тремя состояниями на выходе, второй вход которого соединен с выходом дополнительного k-разрядного сдвигового регистра, первый вход дополнительного k-разрядного сдвигового регистра соединен с соответствующим N-тым разрядом N разрядной шины текущей фазы ВЗН, с соответствием номера каскада ВЗН номеру разряда указанной шины, а второй вход - с шиной разрешения параллельной загрузки в сдвиговые регистры каналов считывания, выход k-разрядного элемента с тремя состояниями на выходе, являющийся выходом каскада ВЗН, соединен К разрядной шиной считывания данных из канала считывания с первым входом k-разрядного сдвигового регистра канала считывания, второй вход которого соединен с шиной разрешения параллельной загрузки в сдвиговые регистры каналов считывания, третий вход - с шиной синхронизации считывания данных устройства, а четвертый вход k-разрядного сдвигового регистра первого канала считывания выполнен с возможностью подачи сигнала «логический ноль», четвертый вход k-разрядного сдвигового регистра в других каналах считывания выполнен с возможностью подачи сигнала с выхода k-разрядного сдвигового регистра предыдущего канала считывания, выход k-разрядного сдвигового регистра каждого канала считывания соединен шиной передачи данных сдвиговых регистров каналов считывания в направлении увеличения номера канала считывания с четвертым входом k-разрядного сдвигового регистра следующего по номеру канала считывания, выход m-того канала считывания соединен с шиной выходных данных устройства.
Устройство считывания снабжено генератором пилообразного напряжения, один вход которого соединен с шиной разрешения счета счетчиков каскадов ВЗН и пилообразного сигнала, второй вход соединен с шиной синхронизации счетчиков каскадов ВЗН и пилообразного сигнала, а выход соединен с шиной пилообразного сигнала.
Устройство считывания выполнено на полупроводниковой подложке.
В устройстве считывания ячейка выборки и хранения выполнена в составе емкости и полевого транзистора, исток которого соединен аналоговой шиной с выходом интегрирующего усилителя, сток соединен с одной обкладкой емкости, и с аналоговой шиной, соединенной с входом компаратора, затвор соединен с шиной разрешения выборки, вторая обкладка емкости соединена с общей точкой полупроводниковой подложки, на которой выполнено устройство.
В устройстве считывания параметрический мультиплексор сигналов сравнения выполнен с возможностью реализации его логической функции, определенной формулой:
i
1
((N+i-1)mod N)+1
R=E∧[ P∧I
2
((N+i-2)modN)+1
∨ P∧I
3
((N+i-3)modN)+1
∨ P∧I
∨ …
N
(imodN)+1
∨ P∧I],
i
где R - выходное значение мультиплексора с параметром IDX, равным i,
E - разрешение счета, подано на третий вход мультиплексора;
1
…
N
{P, P} - вектор значений, определяющих текущую фазу ВЗН, поданный на второй вход мультиплексора;
1
…
N
{I, I} - вектор значений результатов сравнения, поданный на первый вход мультиплексора.
В устройстве считывания, в блоке считывания с n ячейками считывания, блоке каскадов ВЗН сигналов с n каскадами ВЗН сигналов n равно 4, соответственно, в N разрядных шинах - N-разрядная шина сигналов сравнения напряжений, N-разрядная тина текущей фазы ВЗН, N равно 4.
В устройстве считывания параметрический мультиплексор сигналов сравнения реализован на полевых транзисторах, при этом в параметрическом мультиплексоре сигналов сравнения с параметром IDX=1 исток первого транзистора соединен со вторым разрядом N-разрядной шины сигналов сравнения напряжений, его затвор соединен с четвертым разрядом N-разрядной шины текущей фазы, исток второго транзистора соединен с третьим разрядом N-разрядной шины сигналов сравнения напряжений, его затвор соединен с третьим разрядом N-разрядной шины текущей фазы, исток третьего транзистора соединен с четвертым разрядом N-разрядной шины сигналов сравнения напряжений, его затвор соединен со вторым разрядом N-разрядной шины текущей фазы, исток четвертого транзистора соединен с первым разрядом N-разрядной шины сигналов сравнения напряжений, его затвор соединен с первым разрядом N-разрядной шины текущей фазы, стоки перечисленных транзисторов соединены, исток пятого транзистора соединен со стоками первого, второго, третьего и четвертого транзисторов, затвор пятого транзистора соединен с шиной разрешения счета счетчиков каскадов ВЗН и пилообразного сигнала, а его сток соединен с шиной разрешения счета, в параметрическом мультиплексоре сигналов сравнения с параметром IDX=2 исток первого транзистора соединен с третьим разрядом N-разрядной шины сигналов сравнения напряжений, его затвор соединен с четвертым разрядом N-разрядной шины текущей фазы, исток второго транзистора соединен с четвертым разрядом N-разрядной шины сигналов сравнения напряжений, его затвор соединен с третьим разрядом N-разрядной шины текущей фазы, исток третьего транзистора соединен с первым разрядом N-разрядной шины сигналов сравнения напряжений, его затвор соединен со вторым разрядом N-разрядной шины текущей фазы, исток четвертого транзистора соединен со вторым разрядом N-разрядной шины сигналов сравнения напряжений, его затвор соединен с первым разрядом N-разрядной шины текущей фазы, стоки перечисленных транзисторов соединены, исток пятого транзистора соединен со стоками первого, второго, третьего и четвертого транзисторов, затвор пятого транзистора соединен с шиной разрешения счета счетчиков каскадов ВЗН и пилообразного сигнала, а его сток соединен с шиной разрешения счета, в параметрическом мультиплексоре сигналов сравнения с параметром IDX=3 исток первого транзистора соединен с четвертым разрядом N-разрядной шины сигналов сравнения напряжений, его затвор соединен с четвертым разрядом N-разрядной шины текущей фазы, исток второго транзистора соединен с первым разрядом N-разрядной шины сигналов сравнения напряжений, его затвор соединен с третьим разрядом N-разрядной шины текущей фазы, исток третьего транзистора соединен со вторым разрядом N-разрядной шины сигналов сравнения напряжений, его затвор соединен со вторым разрядом N-разрядной шины текущей фазы, исток четвертого транзистора соединен с третьим разрядом N-разрядной шины сигналов сравнения напряжений, его затвор соединен с первым разрядом N-разрядной шины текущей фазы, стоки перечисленных транзисторов соединены, исток пятого транзистора соединен со стоками первого, второго, третьего и четвертого транзисторов, затвор пятого транзистора соединен с тиной разрешения счета счетчиков каскадов ВЗН и пилообразного сигнала, а его сток соединен с шиной разрешения счета, в параметрическом мультиплексоре сигналов сравнения с параметром IDX=4 исток первого транзистора соединен с первым разрядом N-разрядной шины сигналов сравнения напряжений, его затвор соединен с четвертым разрядом N-разрядной шины текущей фазы, исток второго транзистора соединен со вторым разрядом N-разрядной шины сигналов сравнения напряжений, его затвор соединен с третьим разрядом N-разрядной шины текущей фазы, исток третьего транзистора соединен с третьим разрядом N-разрядной шины сигналов сравнения напряжений, его затвор соединен со вторым разрядом N-разрядной шины текущей фазы, исток четвертого транзистора соединен с четвертым разрядом N-разрядной шины сигналов сравнения напряжений, его затвор соединен с первым разрядом N-разрядной шины текущей фазы, стоки перечисленных транзисторов соединены, исток пятого транзистора соединен со стоками первого, второго, третьего и четвертого транзисторов, затвор пятого транзистора соединен с шиной разрешения счета счетчиков каскадов ВЗН и пилообразного сигнала, а его сток соединен с шиной разрешения счета.
Сущность технического решения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми фигурами.
На Фиг.1 представлена схема m канального устройства считывания с ВЗН, кроме непосредственно устройства на схеме показан генератор пилообразного напряжения, где 1 - канал считывания (КС); 2 - ячейка считывания (ЯС); 3 - каскад ВЗН; 4 -интегрирующий усилитель (ИУ); 5 - ячейка выборки и хранения (ЯВХ); 6 - компаратор; 7 - триггер-защелка; 8 - логический элемент «И» (ЛЭ«И»); 9 - параметрический мультиплексор сигналов сравнения (ПМСС); 10 - логический элемент «И» (ЛЭ«И»); 11 - k-разрядный счетчик; 12 - k-разрядный элемент с тремя состояниями на выходе (k-разрядный элемент); 13 - k-разрядный сдвиговый регистр (СР); 14 - генератор пилообразного напряжения (ГПН); 15 - N-разрядная шина сигналов сравнения напряжений (ШССН); 16 - шина разрешения интегрирования (ШРИ); 17 - шина разрешения выборки (ШРВ); 18 - шина пилообразного сигнала (ШПС); 19 - шина разрешения счета (ШРС); 20 - K-разрядная шина текущего состояния счетчика (ШТСС); 21 - N-разрядная шина данных включения/выключения ячейки считывания (ШДВВ); 22 - N-разрядная шина текущей фазы ВЗН (ШТФ); 23 - шина разрешения счета счетчиков каскадов ВЗН и пилообразного сигнала (ШРСПС); 24 - шина синхронизации счетчиков каскадов ВЗН и пилообразного сигнала (ШССПС); 25 - шина синхронизации считывания данных устройства (ШССД); 26 - шина разрешения параллельной загрузки в сдвиговые регистры каналов считывания (ШРПЗ); 27 - K-разрядная шина считывания данных из канала считывания (ШСД); 28 - шина передачи данных сдвиговых регистров каналов считывания в направлении увеличения номера канала считывания (ШПД); 29 - шина выходных данных устройства (ШВД); 30 - M-разрядная шина выборки канала считывания для записи данных включения/выключения ячейки считывания (ШВКС).
На Фиг.2 приведена принципиальная схема одной из возможных реализации ячейки выборки и хранения ячейки считывания, где VT - транзистор; C - емкость; 17 - шина разрешения выборки (ШРВ); 31 и 32 - аналоговые шины.
На Фиг 3 представлены принципиальные схемы возможных реализации параметрического мультиплексора сигналов сравнения с параметром IDX=1 (A), с параметром IDX=2 (Б), с параметром IDX=3 (В), параметром IDX=4 (Г), при количестве каскадов ВЗН N=4, где 15.1, 15.2, 15.3 и 15.4 - 1, 2, 3 и 4 разряды N-разрядной шины сигналов сравнения напряжений, соответственно; 19 - шина разрешения счета; 22.1, 22.2, 22.3 и 22.4 - 1, 2, 3 и 4 разряды N-разрядной шины текущей фазы ВЗН, соответственно; 23 - шина разрешения счета счетчиков каскадов ВЗН и пилообразного сигнала (ШРСПС); VT1-VT5 - полевые транзисторы.
На Фиг.4 представлены временные диаграммы управляющих напряжений при прямом направлении сканирования в случае количества каскадов ВЗН N=4 в каждом канале считывания, где V16 - напряжение шины разрешения интегрирования, V17 - напряжение шины разрешения выборки; V18 - напряжение шины пилообразного сигнала; V19.1, V19.2, V19.3 и V19.4 - напряжения сигналов разрешения счета, соответственно, на шинах разрешения счета 1, 2, 3 и 4 каскадов ВЗН канала считывания; V22.1, V22.2, V22.3 и V22.4 - напряжения, соответственно, 1, 2, 3 и 4 разрядов N-разрядной шины текущей фазы ВЗН; V23 - напряжение шины разрешения счета счетчиков каскадов ВЗН и пилообразного сигнала; V26 - напряжение шины разрешения параллельной загрузки в сдвиговые регистры каналов считывания; V29 - напряжение шины выходных данных устройства; V - напряжение внешнего сигнала разрешения интегрирования.
На Фиг.5 представлены временные диаграммы управляющих напряжений при прямом направлении сканирования, во время второй фазы ВЗН (сигнал V22.2 принимает значение «логической 1»), в течение времени одного акта интегрирования фотосигнала и аналого-цифрового преобразования, в случае количества каскадов ВЗН N=4 в каждом канале считывания: временная диаграмма в начале акта интегрирования и аналогово-цифрового преобразования (диапазон А); временная диаграмма в конце акта аналогово-цифрового преобразования (диапазон Б); временная диаграмма в конце акта интегрирования (диапазон В); где V16 - напряжение шины разрешения интегрирования; V17 - напряжение шины разрешения выборки; V18 - напряжение шины пилообразного сигнала; V19.1, V19.2, V19.3 и V19.4 - напряжения сигналов разрешения счета, соответственно, на шинах разрешения счета 1, 2, 3 и 4 каскадов ВЗН канала считывания; V20.1, V20.2, V20.3 и V20.4 - напряжения сигналов текущего состояния счетчика, соответственно, на 1, 2, 3 и 4 каскадах ВЗН канала считывания; V22.1, V22.2, V22.3 и V22.4 - напряжения, соответственно, 1, 2, 3 и 4 разрядов N-разрядной шины текущей фазы ВЗН, V23 напряжение шины разрешения счета счетчиков каскадов ВЗН и пилообразного сигнала; V24 - напряжение шины синхронизации счетчиков каскадов ВЗН и пилообразного сигнала; V25 - напряжение шины синхронизации считывания данных устройства; V26 -напряжение шины разрешения параллельной загрузки в сдвиговые регистры каналов считывания; V27 - напряжение шины считывания данных из канала считывания; V29 - напряжение шины выходных данных устройства; V - напряжение внешнего сигнала разрешения интегрирования.
Достижение технического результата в предлагаемом техническом решении (см. Фиг.1) базируется на использовании аналого-цифрового преобразования и на конструктивном выполнении устройства считывания, при котором устройство комплектуется с подразделением на аналоговую и цифровую части. В аналоговой части отсутствуют какие-либо цифровые элементы, которые бы изменяли свое состояние в процессе интегрирования и аналого-цифрового преобразования сигнала. В цифровой части отсутствуют какие-либо аналоговые элементы. Элементы, обрабатывающие фотосигнал в аналоговой форме, сосредоточены во входной части каждого m-того канала считывания (КС) 1, а именно, во входной части каждой n-той ячейки считывания (ЯС) 2 m-того канала считывания (КС) 1, в которой начинается обработка считываемого ей: нала с фотоприемника. Такими элементами являются: интегрирующий усилитель (ИУ) 4, ячейка выборки и хранения (ЯВХ) 5, компаратор 6. Входная часть ячейки считывания (ЯС) 2, сформированная указанными элементами, соединена непосредственно с фотоприемником, в частности, с контактной площадкой для соединения фотоприемника с устройством считывания. Подразделение устройства на аналоговую и цифровую части с отсутствием в аналоговой части цифровых элементов и линий связи, которые могут изменять свое состояние в течение времени интегрирования аналогового сигнала позволяет исключить внесение дополнительных шумов в полезный сигнал. В результате локализации аналоговых элементов устройства считывания во входной части существенно ослабляется взаимная интерференция между аналоговыми сигналами соседних ячеек устройства.
В устройстве считывания реализован распределенный аналого-цифровой преобразователь. В отличие от приведенных известных технических решений на выходе ячеек считывания присутствует сигнал не в аналоговой, а в цифровой форме. Преобразование фотосигнала в цифровую форму происходит в ячейке считывания (ЯС) 2. Сигнал в цифровой форме поступает в каскад ВЗН 3, и далее, его обработка осуществляется в цифровой форме. Применение ВЗН в цифровой форме позволяет реализовать каждый канал считывания (КС) 1 практически в отношении неограниченною числа фоточувствительных элементов фотоприемника. Таким образом, за счет распределенного по ячейкам считывания аналого-цифрового преобразователя снимаются ограничения, обусловленные применением ВЗН в аналоговой форме.
Устройство считывания с временной задержкой и накоплением (ВЗН) сигналов с многоэлементных фотоприемников инфракрасного излучения выполнено на полупроводниковой подложке.
В общем случае выполнения устройство считывания с временной задержкой и накоплением (ВЗН) сигналов с многоэлементных фотоприемников инфракрасного излучения содержит многоканальную систему считывания в составе m каналов считывания (КС) 1, каждый канал выполнен из блока считывания с n ячейками считывания (ЯС) 2, блока каскадов ВЗН сигналов с n каскадами ВЗН 3 сигналов и снабжен k-разрядным сдвиговым регистром (СР) 13, k - число разрядов распределенного аналого-цифрового преобразователя (см. Фиг.1). Блок считывания соединен N разрядной шиной сигналов сравнения напряжений (ШССН) 15 с блоком каскадов ВЗН. При этом каждая n-тая ячейка считывания (ЯС) 2 соединена с соответствующим N-тым разрядом N разрядной шины сигналов сравнения напряжений (ШССН) 15, с соответствием номера ячейки считывания (ЯС) 2 номеру разряда указанной шины.
Ячейка считывания (ЯС) 2 выполнена в составе интегрирующего усилителя (ИУ) 4, ячейки выборки и хранения (ЯВХ) 5, компаратора 6, триггера-защелки 7, логическою элемента «И» (ЛЭ«И») 8, каждый из которых имеет по два входа и одному выходу (см. Фиг.1). В ЯС 2 аналоговые элементы - интегрирующий усилитель (ИУ) 4, ячейка выборки и хранения (ЯВХ) 5, компаратор 6 соединены последовательно в указанном порядке относительно одного из входов каждого элемента аналоговыми шинами. Цепочка аналоговых элементов соединена со входом логического элемента «И» (ЛЭ«И») 8 - выход компаратора 6 соединен с инвертирующим входом логического элемента «И» (ЛЭ«И») 8. Один из входов интегрирующего усилителя (ИУ) 4 соединен с фотоприемником. Интегрирующий усилитель (ИУ) 4 осуществляет интегрирование аналогового сигнала, поступающего от фотоприемника. Второй вход интегрирующего усилителя (ИУ) 4 соединен с шиной разрешения интегрирования (ШРИ) 16, по которой подается сигнал разрешения интегрирования (см. Фиг.4 и 5, временная диаграмма V16), во время присутствия которого на данной шине осуществляется интегрирование фотосигнала. Ячейка выборки и хранения (ЯВХ) 5 осуществляет запись значения напряжения по окончанию акта интегрирования фотосигнала. Второй вход ячейки выборки и хранения (ЯВХ) 5 соединен с шиной разрешения выборки (ШРВ) 17, по которой подается сигнал разрешения выборки (см. Фиг.4 и 5, временная диаграмма V17), при наличии которою на указанной шине осуществляется запись нового значения аналогового сигнала по окончанию акта интегрирования. Второй вход компаратора 6 соединен с шиной пилообразного сигнала (ШПС) 18, по которой подается пилообразный сигнал напряжения (см. Фиг 4 и 5, временная диаграмма V18). Компаратор 6 вырабатывает на выходе либо «логический 0», либо «логическую 1» в зависимости от соотношения значения напряжения в конкретный момент времени на шине пилообразного сигнала (ШПС) 18 и значения аналогового сигнала, записанного в ЯВХ 5, вырабатываемый компаратором 6 сигнал поступает на инвертирующий вход логического элемента «И» (ЛЭ«И») 8. Второй вход логического элемента «И» (ЛЭ«И») 8 соединен с выходом триггера-защелки 7. С целью устранения влияния на получаемый видеосигнал дефектных фоточувствительных элементов в ячейке считывания (ЯС) 2 предусмотрена ячейка памяти - триггер-защелка 7, при записи в которую «логического 0» происходит отключение подачи сигнала сравнения с компаратора 6 через логический элемент «И» 8 на соответствующий разряд N разрядной шины сигналов сравнения напряжений (ШССН) 15. Один из входов триггера-защелки 7 соединен с соответствующим разрядом М разрядной шины выборки канала считывания (ШВКС) 30, с соответствием номера канала считывания номеру разряда указанной шины. Второй вход триггера-защелки 7 соединен с соответствующим разрядом N разрядной шины данных включения/выключения ячейки считывания (ШДВВ) 21, с соответствием номера ячейки считывания номеру разряда указанной шины. Сигнал данной шины управляет включением/отключением подачи сигнала на соответствующий разряд N разрядной шины сигналов сравнения напряжений (ШССН) 15, устраняя возможность влияния дефектных элементов фотоприемника на получаемый видеосигнал. Выход логического элемента «И» (ЛЭ«И») 8, являющийся выходом ячейки считывания (ЯС) 2 соединен с соответствующим разрядом N разрядной шины сигналов сравнения напряжений (ШССН) 15 с соответствием номера ячейки считывания (ЯС) 2 номеру разряда указанной шины.
Каскад ВЗН (3) выполнен в составе параметрического мультиплексора сигналов сравнения (ПМСС) 9, логического элемента «И» (ЛЭ«И») 10, k-разрядного счетчика 11, k-разрядного элемента с тремя состояниями на выходе (k-разрядный элемент) 12, дополнительного k-разрядного сдвигового регистра (СР) 13 (см. Фиг.1). Параметрическим мультиплексор сигналов сравнения (ПМСС) 9, логический элемент «И» (ЛЭ«И») 10, k-разрядный счетчик 11, k-разрядный элемент с тремя состояниями на выходе 12 последовательно соединены в указанном порядке. Первый, N разрядный, вход параметрического мультиплексора сигналов сравнения (ПМСС) 9 соединен с N разрядной шиной сигналов сравнения напряжений (ШССН) 15. Второй, N разрядный, вход параметрического мультиплексора сигналов сравнения (ПМСС) 9 соединен с N разрядной шиной текущей фазы ВЗН (ШТФ) 22. Третий вход параметрического мультиплексора сигналов сравнения (ПМСС) 9 соединен с шиной разрешения счета счетчиков каскадов ВЗН и пилообразного сигнала (ШРСПС) 23, по которой подается сигнал управления счетом счетчика и управления подачей пилообразного сигнала по тине пилообразного сигнала (ШПС) 18. Выход параметрического мультиплексора сигналов сравнения (ПМСС) 9 соединен шиной разрешения счета (ШРС) 19 с первым входом логического элемента «И» (ЛЭ«И») 10. Второй вход логического элемента «И» (ЛЭ«И») 10 соединен с шиной синхронизации счетчиков каскадов ВЗН и пилообразного сигнала (ШССПС) 24, посредством которой осуществляется синхронизация счета и подачи пилообразного напряжения. Выход логического элемента «И» (ЛЭ«И») 10 соединен со входом k-разрядного счетчика 11. С выхода логического элемента «И» (ЛЭ«И») 10 сигнал подается на вход k-разрядного счетчика 11, и счетчики каскадов ВЗН 3 считают число импульсов. Параметрический мультиплексор сигналов сравнения (ПМСС) 9 не только позволяет передать сигнал с одного из входов на выход, но и определяет еще разрешение счета для k-разрядного счетчика 11 конкретного каскада ВЗН через реализуемую им логическую функцию. На выходе мультиплексора сигнал, соответствующий вырабатываемому параметру IDX=i, для каждого каскада ВЗН индивидуален. Логическая функция, реализуемая параметрическим мультиплексором сигналов сравнения (ПМСС) 9, зависит от сигнала на шине текущей фазы ВЗН (ШТФ) 22 и от сигнального состояния на N разрядной шине сигналов сравнения напряжений (ШССН) 15. K-разрядный выход счетчика соединен К разрядной шиной текущего состояния счетчика (ШТСС) 20 с первым, k-разрядным входом, k-разрядного элемента с тремя состояниями на выходе 12, через который данные из каскада ВЗН 3 передаются на К разрядную шину считывания данных из канала считывания (ШСД) 27. Выход k-разрядного элемента с тремя состояниями на выходе 12 является выходом каскада ВЗН 3 и соединен с К разрядной шиной считывания данных из канала считывания (ШСД) 27. Второй вход k-разрядного элемента 12 соединен с выходом дополнительного k-разрядного сдвигового регистра (СР) 13. Первый вход дополнительного k-разрядного сдвигового регистра (СР) 13 соединен с соответствующим N-тым разрядом N разрядной шины текущей фазы ВЗН (ШТФ) 22, с соответствием номера каскада ВЗН номеру разряда указанной шины. Второй вход дополнительного k-разрядного сдвигового регистра (СР) 13 соединен с шиной разрешения параллельной загрузки в сдвиговые регистры каналов считывания (ШРПЗ) 26. Дополнительный k-разрядный сдвиговый регистр (СР) 13. подключенный к указанным шинам, в каскаде ВЗН обеспечивает управление выводом данных из каскада ВЗН для ввода их в k-разрядный сдвиговый регистр (СР) 13 канала считывания (см Фиг.1).
K-разрядный сдвиговый регистр (СР) 13 канала считывания (см Фиг.1) первым k разрядным входом соединен с K разрядной шиной считывания данных из канала считывания (ШСД) 27. Второй вход его соединен с шиной разрешения параллельной загрузки в сдвиговые регистры каналов считывания (ШРПЗ) 26. Третий вход - с шиной синхронизации считывания данных устройства (ШССД) 25, по которой подается сигнал на синхронное считывание данных с каналов считывания. Четвертый вход k-разрядного сдвигового регистра (СР) 13 первого канала считывания выполнен с возможностью подачи сигнала «логический 0». Четвертый вход k-разрядного сдвигового регистра (СР) 13 в каждом последующем канале считывания соединен с выходом k-разрядного сдвигового регистра (СР) 13 предыдущего канала считывания шиной передачи данных сдвиговых регистров каналов считывания в направлении увеличения номера канала считывания (ШПД) 28. Выход m-того канала считывания соединен с шиной выходных данных устройства (ШВД) 29.
В частном случае реализации устройства считывания ячейка выборки и хранения выполнена (ЯВХ) 5 выполнена (см. Фиг.2) в составе емкости и полевого транзистора. При этом исток транзистора соединен аналоговой шиной 31 с выходом интегрирующею усилителя (ИУ) 4. Сток соединен с одной обкладкой емкости и с аналоговой шиной 32, соединенной с входом компаратора 6. Затвор соединен с шиной разрешения выборки (ШРВ) 17. Вторая обкладка емкости соединена с общей точкой полупроводниковой подложки, на которой выполнено устройство.
В частном случае реализации устройства считывания параметрический мультиплексор сигналов сравнения (ПМСС) 9 выполнен с возможностью реализации его логической функции, определенной формулой:
i
1
((N+i-1)mod N)+1
R=E∧[ P∧I
2
((N+i-2)modN)+1
∨ P∧I
3
((N+i-3)modN)+1
∨ P∧I
∨ …
N
(imodN)+1
∨ P∧I],
i
где R - выходное значение мультиплексора с параметром IDX, равным i,
E - разрешение счета, подано на третий вход мультиплексора;
1
…
N
{P, P} - вектор значений, определяющих текущую фазу ВЗН, поданный на второй вход мультиплексора;
1
…
N
{I, I} - вектор значений результатов сравнения, поданный на первый вход мультиплексора.
В частном случае реализации устройства считывания в блоке считывания с n ячейками считывания (ЯС) 2, блоке каскадов ВЗН сигналов с n каскадами ВЗН 3 сигналов n равно 4. Соответственно, в N разрядных шинах - N-разрядная шина сигналов сравнения напряжений (ШССН) 15, N-разрядная шина текущей фазы ВЗН (ШТФ) 22, N равно 4. Кроме того, в N разрядной шине данных включения/выключения ячейки считывания (ШДВВ) 21 N также равно 4.
Параметрический мультиплексор сигналов сравнения (ПМСС) 9 каждого n-того каскада ВЗН 3 устройства считывания (см. Фиг.1) реализован на полевых транзисторах (см. Фиг.3). Параметрический мультиплексор сигналов сравнения (ПМСС) 9. передающий сигнал с входа на выход и определяющий разрешение счета для k-разрядного счетчика 11 конкретного каскада ВЗН посредством реализации вышеуказанной логической функции с формированием на выходе мультиплексора сигнала, соответствующего вырабатываемому параметру IDX=i, который индивидуален для каждого каскада ВЗН 3, характеризуется индивидуальными особенностями выполнения для каждого каскада ВЗН 3. Поскольку логическая функция, реализуемая параметрическим мультиплексором сигналов сравнения (ПМСС) 9, зависит от сигнала на шине текущей фазы ВЗН (ШТФ) 22 и от сигнального состояния на N разрядной шине сигналов сравнения напряжений (ШССН) 15, конструктивное выполнение мультиплексора в каскадах ВЗН отличается подключением полевых транзисторов к тем или иным разрядам указанных шин. Так, в частности, для количества каскадов ВЗН, равного 4, и четырехразрядных шин - шина сигналов сравнения напряжений (ШССН) 15 и шина текущей фазы ВЗН (ШТФ) 22 выполнение параметрического мультиплексора сигналов сравнения (ПМСС) 9 для каскадов ВЗН 3 следующее.
В параметрическом мультиплексоре сигналов сравнения (ПМСС) 9 первого каскада ВЗН 3 с параметром IDX=1 (см. Фиг.3А), выполненном в составе пяти полевых транзисторов, исток первого транзистора соединен со вторым разрядом N-разрядной шины сигналов сравнения напряжений (ШССН) 15, его затвор соединен с четвертым разрядом N-разрядной шины текущей фазы (ШТФ) 22, исток второго транзистора соединен с третьим разрядом N-разрядной шины сигналов сравнения напряжений (ШССН) 15, его затвор соединен с третьим разрядом N-разрядной шины текущей фазы (ШТФ) 22, исток третьего транзистора соединен с четвертым разрядом N-разрядной шины сигналов сравнения напряжений (ШССН) 15, его затвор соединен со вторым разрядом N-разрядной шины текущей фазы (ШТФ) 22, исток четвертого транзистора соединен с первым разрядом N-разрядной шины сигналов сравнения напряжений (ШССН) 15, его затвор соединен с первым разрядом N-разрядной шины текущей фазы (ШТФ) 22. Стоки перечисленных транзисторов соединены. Исток пятого транзистора соединен со стоками первого, второго, третьего и четвертого транзисторов. Затвор пятого транзистора соединен с шиной разрешения счета счетчиков каскадов ВЗН и пилообразного сигнала (ШРСПС) 23, а его сток соединен с шиной разрешения счета (ШРС) 19.
В параметрическом мультиплексоре сигналов сравнения (ПМСС) 9, второю каскада ВЗН 3 с параметром IDX=2 (см. Фиг.3Б), выполненном в составе пяти полевых транзисторов, исток первого транзистора соединен с третьим разрядом N-разрядной шины сигналов сравнения напряжений (ШССН) 15, его затвор соединен с четвертым разрядом N-разрядной шины текущей фазы (ШТФ) 22, исток второго транзистора соединен с четвертым разрядом N-разрядной шины сигналов сравнения напряжений (ШССН) 15, его затвор соединен с третьим разрядом N-разрядной шины текущей фазы (ШТФ) 22, исток третьего транзистора соединен с первым разрядом N-разрядной шины сигналов сравнения напряжений (ШССН) 15, его затвор соединен со вторым разрядом N-разрядной шины текущей фазы (ШТФ) 22, исток четвертого транзистора соединен со вторым разрядом N-разрядной шины сигналов сравнения напряжений (ШССН) 15, его затвор соединен с первым разрядом N-разрядной шины текущей фазы ШТФ) 22. Стоки перечисленных транзисторов соединены. Исток пятого транзистора соединен со стоками первого, второго, третьего и четвертого транзисторов. Затвор пятого транзистора соединен с шиной разрешения счета счетчиков каскадов ВЗН и пилообразного сигнала (ШРСПС) 23, а его сток соединен с шиной разрешения счета (ШРС) 19.
В параметрическом мультиплексоре сигналов сравнения (ПМСС) 9 третьего каскада ВЗН 3 с параметром IDX=3 (см. Фиг.3В), выполненном в составе пяти полевых транзисторов, исток первого транзистора соединен с четвертым разрядом N-разрядной шины сигналов сравнения напряжений (ШССН) 15, его затвор соединен с четвертым разрядом N-разрядной шины текущей фазы (ШТФ) 22, исток второго транзистора соединен с первым разрядом N-разрядной шины сигналов сравнения напряжений (ШССН) 15, его затвор соединен с третьим разрядом N-разрядной шины текущей фазы (ШТФ) 22. исток третьего транзистора соединен со вторым разрядом N-разрядной шины сигналов сравнения напряжений (ШССН) 15, его затвор соединен со вторым разрядом N-разрядной шины текущей фазы (ШТФ) 22, исток четвертого транзистора соединен с третьим разрядом N-разрядной шины сигналов сравнения напряжений (ШССН) 15, его затвор соединен с первым разрядом N-разрядной шины текущей фазы (ШТФ) 22. Стоки перечисленных транзисторов соединены. Исток пятого транзистора соединен со стоками первого, второго, третьего и четвертого транзисторов. Затвор пятого транзистора соединен с шиной разрешения счета счетчиков каскадов ВЗН и пилообразного сигнала (ШРСПС) 23, а его сток соединен с шиной разрешения счета (ШРС) 19.
В параметрическом мультиплексоре сигналов сравнения (ПМСС) 9 четвертого каскада ВЗН 3 с параметром IDX=4 (см. Фиг.3Г), выполненном в составе пяти полевых транзисторов, исток первого транзистора соединен с первым разрядом N-разрядной шины сигналов сравнения напряжений (ШССН) 15, его затвор соединен с четвертым разрядом N-разрядной шины текущей фазы (ШТФ) 22, исток второго транзистора соединен со вторым разрядом N-разрядной шины сигналов сравнения напряжений (ШССН) 15, его затвор соединен с третьим разрядом N-разрядной шины текущей фазы (ШТФ) 22. исток третьего транзистора соединен с третьим разрядом N-разрядной шины сигналов сравнения напряжений (ШССН) 15, его затвор соединен со вторым разрядом N-разрядной шины текущей фазы (ШТФ) 22, исток четвертого транзистора соединен с четвертым разрядом N-разрядной шины сигналов сравнения напряжений (ШССН) 15, его затвор соединен с первым разрядом N-разрядной шины текущей фазы (ШТФ) 22. Стоки перечисленных транзисторов соединены. Исток пятого транзистора соединен со стоками первого, второго, третьего и четвертого транзисторов. Затвор пятого транзистора соединен с шиной разрешения счета счетчиков каскадов ВЗН и пилообразного сигнала (ШРСПС) 23, а его сток соединен с шиной разрешения счета (ШРС) 19.
Для выработки пилообразного сигнала (см. Фиг.4 и 5, временная диаграмма V18), одного из управляющих процессом считывания сигналов, который поступает на устройство считывания по шине пилообразного сигнала (ШПС) 18, устройство может быть снабжено генератором пилообразного напряжения (ГПН) 14 (см. Фиг.1). Один вход его соединен с шиной разрешения счета счетчиков каскадов ВЗН и пилообразною сигнала (ШРСПС) 23, второй вход соединен с шиной синхронизации счетчиков каскадов ВЗН и пилообразного сигнала (ШССПС) 24, а выход соединен с шиной пилообразного сигнала (ШПС) 18.
Устройство считывания с временной задержкой и накоплением (ВЗН) сигналов с многоэлементных фотоприемников инфракрасного излучения (см. Фиг.1) работает следующим образом.
Интегрирование сигнала, вырабатываемого фоточувствительным элементом фотоприемника, начинается в момент достижения напряжения внешнего сигнала разрешения интегрирования (см. Фиг.4 и 5, временная диаграмма V) значения «логической 1». Этот сигнал с неким запаздыванием повторяется на шине разрешения интегрирования (ШРИ) 16 (см. Фиг.4 и 5, временная диаграмма V16). На шине разрешения интегрирования (ШРИ) 16 и шине разрешения счета и пилообразною сигнала (ШРСПС) 23 с небольшим запаздыванием относительно первой возникаю: сигнальные состояния, соответствующие «логической 1». Временные диаграммы описанных сигнальных состояний показаны на Фиг.5, область А. Интегрирующий усилитель (ИУ) 4 начинает интегрирование аналогового сигнала от фотоприемника. По шине пилообразного сигнала (ШПС) 18 на вход ячейки считывания (ЯС) 2, а именно, на второй вход компаратора 6, поступает аналоговый сигнал пилообразной формы, который, в частности, вырабатывает генератор пилообразного напряжения (ГПН) 15. Значение аналогового напряжения сигнала пилообразной формы возрастает с каждым передним фронтом синхросигнала счетчиков каскадов ВЗН и подачи пилообразного напряжения - сигнал на шине синхронизации счетчиков каскадов ВЗН и пилообразного сигнала (ШССПС) 24 (см. Фиг.5, область А, временные диаграммы V18 и V24, соответственно) на некоторую малую фиксированную величину. Пока значение аналогового напряжения на шине пилообразного сигнала (ШПС) 18 с пилообразным изменением напряжения во времени, которое поступает на вторые входы компараторов 6, меньше значений напряжения, сохраненных в ячейках выборки и хранения (ЯВХ) 5 по окончании предыдущего акта интегрирования фотосигнала, в ячейках считывания компараторы 6 вырабатывают на своих выходах сигналы, соответствующие «логическому 0». Как только ситуация с сигналами на входе любого компаратора 6 меняется на противоположную, то есть значение аналогового напряжения на шине пилообразного сигнала (ШПС) 18 с пилообразным изменением напряжения во времени, поступающее на второй вход компаратор 6, превалирует над значением напряжения, сохраненного в ячейках выборки и хранения (ЯВХ) 5 по предыдущему акту интегрирования, на его выходе появляется сигнал «логическая 1», а на выходе соответствующего логического элемента «И» (ЛЭ«И») 8 появляется сигнал «логический 0». Момент окончания интегрирования соответствует напряжению внешнего сигнала разрешения интегрирования (см. Фиг.5, область В, временная диаграмма V), равному значению «логический 0». Соответственно, на шине разрешения интегрирования (ШРИ) 16 (см. Фиг.5. область В. временная диаграмма V16) с неким запаздыванием возникает несигнальное состояние («логический 0»), а на шину разрешения выборки (ШРВ) 17 подается импульс положительного напряжения (см. Фиг.4, Фиг.5, область В, временная диаграмма V17). В результате происходит сохранение в ячейке выборке и хранения (ЯВХ) 5 нового значения аналогового сигнала, полученного в результате интегрирования в ходе текущего акта.
Выключение сигнала от ячеек считывания с дефектных элементов происходит следующим образом. Если в ячейку памяти - триггер-защелку 7, данной ЯС записать «логический 0», то на выходе логического элемента «И» (ЛЭ«И») 8 всегда будет «логический 0», значение разряда N разрядной шины сигналов сравнения напряжений (ШССН) 15, соответствующего данной ячейке считывания (ЯС) 2 будет равно «логическому 0». В результате этого параметрический мультиплексор сигналов сравнения (ПМСС) 9, который мультиплексирует сигнал данного разряды ШССН 15 (в зависимости от текущей фазы интегрирования, определяемой ШТФ 22), на свой выход, будет иметь на выходе «логический 0» (сигнал на шине разрешения считывания (ШРС) 19), счетчик, соединенный с этим мультиплексором не будет подсчитывать импульсы, поступающие но шине синхронизации счетчиков каскадов ВЗН и пилообразного сигнала (ШССПС) 24 в течение всей текущей фазы. Как следствие, фотосигнал от выключенной ЯС учтен не будет.
В каскадах ВЗН 3 k-разрядные счетчики 11 осуществляют счет числа импульсов от того числа, которое они насчитали в течение предыдущего акта интегрирования и аналогово-цифрового преобразования, с момента возникновения на шине разрешения счета и пилообразного сигнала (ШРСПС) 23 (см. Фиг.4 и 5, временная диаграмма V23) сигнального состояния. При этом разрешение счета для каждого из счетчиков (см. Фиг.4 и 5, временные диаграммы V19.1-19.4 для каждого каскада ВЗН) определяется функцией, выполняемой параметрическим мультиплексором сигналов сравнения (ПМСС) 9 с параметром индивидуальным для каждого каскада ВЗН 3. Функция каждого из ПМСС 9. описываемая вышеприведенной формулой, зависит от текущей фазы ВЗН (сигнальною состояния N-разрядной шины текущей фазы ВЗН (ШТФ) 22 (см. Фиг.4 и 5. временные диаграммы V22.1-22.4)) и от состояния N-разрядной шины сигналов сравнения напряжений (ШССН) 15. Перед началом нового акта интегрирования и аналогово-цифрового преобразования значение из k-разрядного счетчика 11 каскада ВЗН 3 с номером, совпадающим с номером завершающей фазы ВЗН, загружается в сдвиговый регистр (СР) 13, фаза переключается на следующую, значение в этом счетчике обнуляется. Записанные значения в сдвиговые регистры (СР) 13 всех каналов считывания (КС) 1 начинают выводиться последовательно с шины выходных данных устройства (ШВД) 29 по переднему фронту сигнала шины синхронизации считывания данных устройства (ШССД) 25. Поскольку выходы сдвиговых регистров каналов считывания соединены с входами сдвиговых регистров, следующих за ними каналов считывания, то через M×K периодов сигнала шины синхронизации считывания данных устройства (ШССД) 25 полученный результат интегрирования фотосигналов, преобразованный в цифровую форму на предыдущем акте аналого-цифрового преобразования, будет последовательно выведен из устройства по шине вывода данных (ШВД) 29. Соответствующие рассмотренным переключениям временные диаграммы сигналов показаны на Фиг.5, область A, V22.1 и 22.2 - сигнальное состояние на первом и втором разрядах шины текущей фазы ВЗН (ШТФ) 22, V26 - сигнальное состояние шины разрешения параллельной загрузки в сдвиговые регистры каналов считывания (ШРПЗ) 26. V19.1 - сигнальное состояние шины разрешения счета (ШРС) 19 первого каскада ВЗН, V27 - сигнальное состояние шины считывания данных из канала считывания (ШСД) 27.
В заключение приводим модель одного из вариантов реализации средства подачи напряжения на шины устройства считывания.
Модель написана на языке описания оборудования Verilog HDL, в соответствии со стандартом IEEE Std 1364-2001. Приведенная модель изложена на RTL (register transfer level) уровне представления моделей оборудования и может быть преобразована в список базовых логических элементов и связей между ними, с помощью автоматических программ-синтезаторов. Поскольку приведенное описание модели является, на указанном уровне представления, формально точным и использовано непосредственно при разработке конечного изделия, то в приведенную здесь модель были включены следующие уточнения:
2
- в качестве интерфейса управления устройством считывания был выбран интерфейс IC, который в настоящее время является фактическим промышленным стандартом (описание доступно по следующей ссылке в Интернете: http://ics.nxp.com/support/documents/interface/pdf/i2c.bus.specification.pdf);
- количество каскадов ВЗН более 8, как следствие, проведена некоторая декомпозиция ШВКС 30 и ШДВВ 21, что не меняет сути рассмотренного технического решения;
- введен сигнал сброса генератора пилообразного сигнала, что не отражено в структурной схеме (Фиг.1).