22.3. Приборы с зарядовой связью

Принцип действия ПЗС рассмотрен в ряде книг и в многочисленных статьях. Данный параграф написан по материалам книг [125, 132—134, 149, 150].

Принцип действия ПЗС основан на переносе заряда от одного конденсатора к другому, а конденсаторы выполнены в интегральном исполнении. ПЗС представляет собой последовательность МОЦ-конденсаторов (рнс. 22.6), образованных на одной подложке. МОП-конденсатор состоит из трех элементов: металл — окисел — полупроводник. На верхней части кремниевой полупроводниковой подложки (-типа) расположен слой окисла, на котором укреплены металлические пластины К последним подводятся управляющие напряжения, обеспечивающие перенос заряда от одного МОП-конденсатора к другому. Ввод и вывод обеспечиваются специальными электродами на краях ПЗС (области ).

Рис. 22.6. Структура прибора с зарядовой связью

Рис. 22.7. Процесс переноса заряда в трехфазном ПЗС

Процесс переноса заряда в ПЗС представлен на рис. 22.7. Необходимо отметить, что процесс переноса заряда можег производиться в несколько тактов. Это приводит к тому, что в ПЗС МОП-конденсаторы, работающие синхронно (в одном такте), присоединены к одной шине (фазе). Рис. 22.7 иллюстрирует процесс переноса заряда в трехфазном ПЗС. Электроды объединены в группы. Слева от шин указано напряжение, действующее на шинах. В начальный такт (рис. 22.7, а) на электродах действует отрицательное (относительно подложки) напряжение а на остальных электродах причем Под электродами 1, 4, 7... присутствуют заряды (изображены знаками + +).

Во втором такте (рис. 22.7,б) к электродам прикладывается напряжение Под действием заряды перемещаются в области электродов На третьем такте (рис. 22.7,в) на электроды подается напряжение и под этими электродами начинается этап хранения заряда. Следовательно, тактированное изменение управляющих напряжений позволяет перемещать заряды вдоль ПЗС.

Рис. 22.8. Амплитудно-частотная характеристика ПЗС

Минимальная тактовая частота ПЗС составляет десятки герц, а максимальная тактовая частота трехфазных порядка Естественно, с улучшением технологии диапазон изменения тактовых частот будет расширен. Минимальная тактовая частота в значительной степени определяется изменением температуры окружающей среды.

В настоящее время существует много модификаций ПЗС. Особое внимание заслуживают ПЗС с углубленным каналом переноса. В них заряды перемещаются внутри канала с некоторым объемом. Замена поверхностного переноса заряда объемным позволяет существенно увеличить максимальные тактовые частоты до значений

Процесс переноса заряда сопровождается потерями которые определяются следующим образом

где заряд МОП-конденсатора на такте, заряд МОП-конденсатора на такте. Величина характеризует потери при переносе заряда в следующий конденсатор. Потери в общем виде приводят к зависимости АЧХ ПЗС от частоты. Нормированная АЧХ ПЗС описывается следующим выражением [125, 134, 149]:

где тактовая частота, текущее значение частоты сигнала, число МОП-конденсаторов, число тактов (фаз), число разрядов. На рис. 22.8 изображена нормированная АЧХ ПЗС. Чем больше произведение тем больше результирующие потери и тем меньше полоса пропускания ПЗС, которая определяется следующим соотношением:

где модифицированная функция Бесселя Нулевого порядка. При ширина полосы пропускания Для современных Если положить то при число разрядов 330. Следовательно, даже малые потери приводят к тому, что число разрядов дискретно-аналоговой

линии задержки (ДАЛЗ) на ПЗС ограничено. Сужение полосы пропускания ПЗС аналогично сужению полосы пропускания МЭЛЗ, но ПЗС позволяет обрабатывать ШПС с большими базами.

В настоящее время известно большое число различных модификаций ДАСФ на ПЗС, но в целом схема, приведенная на рис. 22.5, остается базовой. Пока что максимальная база ФМ ШПС обрабатываемого ДАСФ на ПЗС достигает значения при тактовой частоте потерях и мощности потребления [151].