18.9. Приборы с зарядовой связью [11]

Приборы с зарядовой связью (ПЗС) возникли в результате совершенствования МОП-технологии производства интегральных схем. Первые работы в этом направлении были проведены Бойлем и Смитом в 1970 г. (фирма Bell Telephone). С тех пор в США, Англии и Франции выполнены важные программы исследований. Рост производства интегральных схем (в том числе и ПЗС) позволяет создавать новые приборы для обработки сигналов и изображений.

Рассмотрим теперь вкратце принципы работы ПЗС. Как известно, основой интегральной схемы является кристалл полупроводника — кремния n- или -типа. На поверхности полупроводника формируются -переходы, которые служат токовыми входом и выходом. За счет термической обработки в высокотемпературных печах (1000°С) происходит рост изолирующего слоя окиси кремния небольшой толщины (0,1 мкм). На этот изолятор в соответствующих местах наносятся слои проводника (алюминий, поликристаллический кремний), которые играют роль управляющих электродов.

Рассмотрим работу ПЗС на подложке -типа. Инжектированные положительные носители собираются у поверхности раздела под управляющим электродом, к которому приложено отрицательное напряжение, и оказываются изолированными от остальной части полупроводника зоной без свободных носителей. Такая способность схемы к изоляции электрического заряда приводит к появлению двух основных свойств ПЗС: хранить аналоговые сигналы (за счет заряда емкости) и переносить заряды. Технология позволяет размещать электроды на расстоянии менее 1 мкм один от другого. Носители, накопленные под одним электродом, оказываются также под влиянием электрического поля, создаваемого соседним электродом, и могут переходить от одного к другому, когда потенциал управляющего электрода, удерживающего заряд, становится равным нулю. Инжектированный заряд периодически передается от входного -перехода к выходному. Однонаправленность переноса обеспечивается трехфазностью управляющего сигнала. Каждый сдвиг заряда происходит за 1/3 тактового периода управления задержкой. Таким образом, ПЗС представляет собой аналоговую линию задержки, или аналоговое последовательное запоминающее устройство, емкость которого может составлять (в битах) до одной трети числа структурных элементов схемы.

Работа этой линии задержки на основе ПЗС описывается временем задержки и частотой управляющих сигналов. Для

периода управляющих сигналов Те и полного числа ячеек максимальная задержка зависит от тока утечки, разряжающего микроконденсаторы. Максимальная частота дискретизации сигнала зависит от неэффективности переноса заряда е. Во время каждого акта переноса часть заряда остается на исходной позиции и складывается с последующим элементом выборки, что приводит к изменению амплитуды и фазы передаваемого сигнала по сравнению с обычными линиями задержки.

Функцию переноса заряда можно записать [10] в виде

где — полное количество переносов в ПЗС . Период функции переноса определяется задающей частотой на которой происходит дискретизация сигнала. Приведенные выше формулы не отражают ступенчатый характер переноса с длительностью каждой ступеньки .

Статический коэффициент передачи задержки (на частоте определяется потерями сигнала на входе, уровнем шумов, уровнем выходного сигнала, допустимой величиной искажений, определяемых динамическим диапазоном линии. Приводимые ниже цифры представляют собой порядки величин, полученных авторами настоящей работы или опубликованных другими разработчиками:

Понятие динамического диапазона можно выразить через количество информации С, которое может быть перенесено элементом выборки сигнала, передаваемого через ПЗС: для ПЗС из 512 элементов при динамическом диапазоне 1000

для поверхности интегральной схемы порядка (потребляемая мощность равна на частоте Шеннона 500 кГц). Поток информации в этих условиях составляет величину порядка

Состояние ПЗС из элементов в момент времени с учетом эффекта дискретизации может быть описано последовательностью элементов выборки входного сигнала. Текущую часть сигнала, находящуюся в данный момент времени в ПЗС, можно представить как вектор из компонент. Тогда основные алгоритмы обработки сигналов (свертка автокорреляция и дискретное преобразование Фурье ) могут быть представлены в виде скалярного произведения двух таких векторов или в виде проекции входного сигнала на сигнал, который хранится в структуре ПЗС и которым может быть импульсная функция отклика незадержанный сигнал или базовая функция фурье-преобразования позволяют выполнять подобные вычисления параллельно и полностью в аналоговом виде: каждый входной элемент выборки сопровождается обработанным выходным.

Каталоги фирм-разработчиков содержат две категории устройств подобного типа, доступных в настоящее время: память которых представляет собой ПЗС-аналоговый вариант ПЗУ (постоянных запоминающих устройств) и память которых построена на другом ПЗС.

В первой категории носителем памяти служит поверхность электродов переноса. Входным сигналом является поверхностная плотность заряда, а инжектированный заряд представляет собой произведение этой плотности на величину поверхности электрода. Эффект суммирования проявляется в полном передаваемом заряде в фазе переноса, который представляет собой изображение заряда, инжектированного совокупностью электродов. В подобных структурах точность взвешивания превышает 1%. В качестве примера приведем два применения.

Нерекурсивный или трансверсальный фильтр. Опубликованные данные для низкочастотного фильтра свидетельствуют о

том, что коэффициент передачи фильтра в полосе пропускания сохраняется равным с точностью ослабление вне полосы пропускания составляет 40 дБ, а наклон спектральной характеристики в переходной области равен

Спектральный анализатор, работающий по алгоритму -преобразования с линейной частотной модуляцией, принцип действия которого аналогичен принципу сжатия импульсов линией с распределенными параметрами. Интегральная схема вычисляет 256 комплексных точек спектра на частоте дискретизации 1 МГц и с динамическим диапазоном спектра порядка 40 дБ.

Ко второй категории относятся устройства свертки на 64 точки; в анализаторах можно использовать несколько таких устройств для вычисления свертки в большом числе точек. Память таких устройств, построенная на ПЗС, является динамической: она должна регенерироваться в среднем каждые 10 мс. С помощью этих схем можно легко создавать самонастраивающиеся адаптивные системы обработки. Работы, опубликованные в последнее время, говорят о том, что это направление усиленно развивается.

В заключение отметим, что мы приводим здесь далеко не полный перечень изучаемых систем и разработок различных лабораторий по микроэлектронике. Однако такой показатель, как отношение вычислительной мощности к потребляемой мощности, свидетельствует о том, что мы находимся на пороге рождения нового поколения систем обработки сигналов. Прогресс в их развитии сдерживается еще непреодоленными трудностями, типичными для работы с сигналами в аналоговой форме (шумы и искажения), которые влияют на точность вычислений.

Мы предвидим появление таких систем, где схемы, подобные описанным в этом разделе, будут проводить вычисления в аналоговой форме под управлением цифрового микропроцессора, а в качестве источника питания системы потребуется всего лишь две батареи по 4,5 В.

ЛИТЕРАТУРА

(см. скан)

(см. скан)