Устройство считывания
Изобретение относится к аналоговой вычислительной технике, в частности к устройствам обработки выходного сигнала интегральных схем с за-- рядовой связью, применяемым в телевизионных передающих камерах на основе монолитных фотоприемргых ИС. Цель изобретения - повьотение точности и быстродействия устройства считывания сиг налов с выхода. Устройство содержит накопительные конденсаторы 1„ 2 три усилителя 3, 4, 5, пять ключевых .ентов 6-10, блок 20 управления, . состояготй из элемента 2 ИЛИ 21, элементов 2И 22, 23, элементов 2ИЛИ-НЕ 24, 25, элементов задержки, регистрирующий блок 30. Управление ключевыми элементами осуществляется.так, что при считывании выходного сигнала в интервалах времени между выборками элементы образуют делители с малым коэффициентом передачи неинформапионной части сигнала нз устройстя с . 4 ил. с s (Л со 4 оо со
СОЮЗ СОВЕТСНИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИН
l 51) 4 Г 11 С 27/О?
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
С О
4-ь (.) 1
Ж ! ю М
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 407?340/24-24 (2?) 30.05 ° 86 (46) 30.10,87. Вюл. N 40 (71) Московский инженерно-физический институт (72) 10.А.Зубец и В.Я.Стевин (53) 681.3?7,66(088.8) (56) Патент C1|lA 1г" 4287441, кл, 307/353, опуолик. 1981, Авторское свидетельство ГССР
М 1295454, кл, G 11 С 27/02, 1985. (54) УСТРОЙСТВО СЧИТЫВАНИЯ (57) Изобретение относится к аналоговой вычислительной технике, в частности к устройствам обработки выходного сигнала интегральных схем с за.рядовой связью, применяемым н телевизионных передающих камерах на основе монолитных фотоприемнъгх ИС. Цель изобретения — повышение точности и быстводейстния устройства считывания сигналон с выхода. Устройство содержит накопительные конденсаторы 1, 2 три усилителя 3, 4, 5, пять ключевых элементов 6-10, блок ?О управления, состояний из элемента ? ИЛИ 21, элементов 2И 22, ?3, элементов 2ИЛИ-НЕ
24, 25, элементов задержки, регистрирующий блок 30. Управление ключевыми элементами ос тГестнляется .так, что при считывании выходного сигнала н интервалах времени между выборками элементы образуют делители с малым коэффициентом передач < неинформапионloA части сигнжта нэ .„: од устройства ° 4 ил °
1 348911
Изобретение относится к аналоговой вычислительной технике и может быть использовано в измерительной аппаратуре на основе интегральных схем с зарядовой связью (ИСЗС).
Цель изобретения — повышение точности и быстродействия считывания путем снижения требований к соотношению емкости второго накопительного 1р конденсатора хранения и проходной емкости закрытого ключевого элемента эа счет дополнительного ослабления входных сигналов в интервалах времени между выборками потенциала инфор- 15 мационного уровня.
На фиг.l представлена функциональная схема устройства считывания вместе с возможным вариантом реализации блока управления; на фиг.? — времен- ?О ные зависимости сигналов на входах и выходе устройства считывания и блока управления; на фиг.3 — временная зависимость сигнала на выходе устройства на начальном участке интервала 25 выборки отсчетного уровня в увеличенном масштабе для устройства считывания; на AHI .4 — график зависимости максимальной частоты следования импульсов управления f, устройства от ÇÎ величины, обратной погрешности с гитывания сигнала, 1/Б, и от значения разрядности 1) А1Ц), используемого в качестве регистрирующего блока.
Устройство считывания содержит первый и второй накопительные конденсаторы 1 и 2, первый, второй, гретий усилители 3-з, первый, второй, третий четвертый и пятый ключевые элею менты 6-10, информационный вход )I устройства, вход 12 смешения, экранный вход 13 устройства, информапионHbIH выход 14 устройства, управляишие входы !5-19 фиксации потенциала crte щения, фиксации величины информационного сигнала, фиксации сигнала отсчетного уровня, пропускапия информационного сигнала и выборки экранируищего потенциала, блок ?О управления, элемент 2ИЛИ 21, элементы 2 И 22 и 23, 5О элементы 2 ИЛИ вЂ !Е 24 и 25, элементы
26 и 27 задержки, вход 28 управления выборкой отсчетного уровня, вход 29 управления выборкой информационного уровня, регистрирующий блок 30.
Устройство считывания работает следующим образом, На информационный вход 11 устройства при считывании сигналов ИСЗС поступает сигнал, типовая форма которого имеет вид V„ (фиг.2), где Т; длительность периода считывания i-го зарядового пакета ИСЗС. Информационным сигналом Ч, характеризующим величину считываемого зарядового пакета, является разность между потенциалом информационного уровня, формирующегося на временном участке 2 перио да Т, и потенциалом отсчетного уровня на временном участке 1 (фиг.2), На временных участках I и 2 на управляющие входы 28 и 29 блока 20 управления должны подаваться управляющие импульсы выборки отсчетного и информационного уровней в соответствии с временными зависимостями Ч, V
На временных интервалах, когда на информационном входе )1 устройства присутствуют сигналы, не подлежащие выборке, блок 20 управления формирует на управляющих входах 15 и 19 фиксации потенциала смещения и выборки экранирующего потенциала высокий уровень управляющего сигнала, а на управляющих входах 16-18 фиксации информационного сигнала отсчетного уровня и пропуска информационного сигнала низкий уровень управляющего сигнала, которые обеспечивают поддержание первого и пятого ключевых элементов 6 и 10 в открытом состоянии, а второго, третьего и четвертого ключевых элементов 7-9 — в закрытом. На интервалах между выборками в устройстве считывания образуются делители поступающего на вход 11 сигнала,образованные последовательно соединенной с первым накопительным конденсатором 1 проходной емкостью третьего ключевого элемента 8 и сопротивлением открытого первого ключевого элемента 6, а также проходной емкостью закрытого четвертого ключевого элемента 9 и сопротивлением открытого пятого ключевого элемента 10,. проходной емкостьи закрытого второго ключевого элемента 7 и емкостью второго накопительного конденсатора 2.
При выборке потенциала отсчетного уровня входного сигнала V„, на первом временном участке i-го периода считывания Т, (фиг.2) на входе 28 выборки отсчетного уровня блока 20 управления формируется управляющий импульс Ч, который передается на
-«xop )7 Avoca; 3 13489 управляющего импульса третий ключевой элемент 8 открывается и первый накопительный конденсатор 1 перезаряжается через открытые первый и третий ключевые элементы 6 и 8. По окон5 чании действия управляющего импульса на входе 17 фиксации отсчетного уровня устройства считывания третий ключевой элемент 8 закрывается и на 1О первом накопительном конденсаторе 1 сохраняется потенциал, соответствующий потенциалу отсчетного уровня входного сигнала V на первом вре11 менном участке периода считывания T; . 15 Изменения потенциала отсчетного уровня, который зависит также от величины подлежащего считыванию зарядового пакета могут достигать при последовательном считывании значения порядка ьЧ = 0 5 В для некоторых типов ИСЗС. Для прототипа, у которого вход усилителя 4 подключен к выходу первого ключевого элемента 6, зарядовые 25 токи первого накопительного конденсатора 1 во время выборки потенциала отсчетного уровня, проходящие через открытый первый ключевой элемент б, создают на входе второго усилителя 4 сигнал в виде блока напряжения, который проникает на выход 14 устройства и приводит к погрешности регистгации выходного сигнала регистрирующим блоком 30, 35 При выборке потенциала информационного уровня на втором временном участке (фиг.2) периода Т; на вход. 28 выборки информационного уровня блока 20 управления формируется им- 4п пульс управления Ч ц . Блок 20 управления обеспечивает синхронность ра6о ты первого, второго, третьего, четвертого и пятого ключевых элементов 6-10 необходимой последовательности. 45 После поступления импульса управления на управляющий вход 29 элемент ИЛИ-HE 25 с задержкой, равной времени распространения сигнала, одинаковой для всех элементов 21-25, формирует уп- 5р равляющий сигнал низкого уровня на входе 19 выборки экранирующего потенциала, закрывающий пятый ключевой элемент 10, который отключает вход второго усилителя 4 от экранного вхо- 55 да 13, в соответствии с временной зависимостью Ч, . ЧеРез интервал вре мени, определяемый длительностью времени задержки элемента 26 задержки и времени распространения си-нала элемента 2 И 23 на входе 18 управления пропусканием информационного сигнала формируется управляющий сигнал, открывающий четвертый ключевой элемент 9. Потенциал шины, подключенной к входу второго усилителя 4, за время, несколько меньшее времени распространения сигнала элемента ИЛИ-НЕ 24, уравнивается с потенциалом на входе 12 смещения через открытые первый 6 и четвертый 9 ключевые элементы. Ilvcле перезаряда входной емкости второго усилителя 4 от потенциала экранного входа 13 до потенциала входа 12 смещения элемент ИЛИ-НЕ 24 формирует управляющий сигнал Ч низкого уровня 15 на входе 15 фиксации потенциала смещения и первый ключевой элемент б закрывается. Через интервал времени, определенный длительностью времени задержки элементов 26 и 27 задержки и времени распространения сигнала элемента 2 И 22 и отсчитываемый От начала импульса управления на входе 29, на входе 16 фиксации величины информационного сигнала формируется упРав.ляющий сигнал 1 высокого уРОвня 16 и второй ключевой элемент 7 открывается, а за ним Открывается первый ключевой элемент б в соответствии с управляющим сигналом V», формируемым на входе 17 фиксации отсчетного уровня элементом 2 И. П 21. На входе второго усилителя 4 . Б.ором выводе второго накопите:и :i-î конденсаторл 2, а также на инф = алионном выходе 14 начинает формиро; аться сигнал Ч, соответствующий р зности потенциалов между отсчетным :. Бн ".Ормационными уровнями сигнала на,.:.О,ле 11, Такая последовательно. ть вк.лечения первого, второго, тре.>ьего, si-znepтого и пятого ключевых эле:.к:.лтов 610 необходима для того, чтобi,. i .Охранить заряд первого накопиIåëüíîãv конденсатора 1, накопленный во вреся выборки отсчетного уровня, - так— же чтобы разрядить емкость шинь., соединяющей выходы четвертого и п -.Ог..: ключевых элементов 9 и 10 с входом второго усилителя 4 в случае, когдэ экранный вход 13 подключен к информационному выходу 14 устройства для исключения влияния предыдущих сигналов на последующие, Экранный вход 13 может быть подключен к входу 12 смещения и в этом случае блок ?0 улпан1348911 ления можно упростить, соединив вход l5 с входом 19 выборки экранирувщего потенциала, вход 18 с входом 16, исключив элементы 2 И ?3 HF. ?4 5 и закоротив элемент ?6 задержки, По окончании импульса управления на управляющем входе 29 блока 20 управления элементы 21-?3 формируют управлявщие сигналы на входах 16-18, которые закрывают второй 7, третий 8 и четвертый 9 ключевые элементы. Через интервал времени, определяемый длительностью времени задержки элементов ?6 и 27 задержки, элементы 24 и 25 формируют упранляющие сигналы высокого уровня на управляющих входах 15 и 19, которые открывают первый б и пятый 10 ключевые элементы. На входе четвертого ключевого элемента 9 устанавливается потенциал входа 12 смещения, а на входе второго ключевого элемента 7 — потенциал, соответствующий потенциалу экранного входа 13. Если потенциал на выходе ?5 второго усилителя 4 не равен потенциалу второго вывода второго накопительного конденсатора ?, то на информационном выходе 14 имеет место скачок напряжения по окончании управляю- 30 щего импульса на входе 29 управления, который обусловлен перераспределением части заряда второго накопительного конденсатора ? на проходнув емкость закрытого второго ключевого элемента 7. Величина скачка может быть уменьшена при подключении экранного входа 13 к выходу 14 устройства. Таким образом, за период времени считывания Т выходного сигнала ИСЗС 1 первый накопительный конденсатор 1 заряжается до потенциала, соответстнующего потенциалу отсчетного уровня на первом 1 временном участке (фиг.2) входного сигнала Ч,, а второй нако- 45 11 пительный конденсатор 2 — до потенциала, соответствующего разности между потенциалами информационного и отсчетного уровней на втором и первом временных участках входного сигнала Ч„,, при этом предполагается, что время распространения сигнала элементов 22-25 больше времени переключения первого, второго, третьего, четвертого и пятого ключевых элементов 6-10 и 55 меньше времени задержки элементов 26 и 27 задержки. При попеременной подаче импульсов управления на управляющие входы ?8 и 29 блока 20 управления 3 К (1+$Г ) 1+$(1 С2 rye gV — изменение потенциала отсчето ного уровня; сопротивление открытого ключевого элемента; R Cñв проходная емкость закрытого ключевого элемента; постоянная времени усилителя; коэффициенты передачи усилителей 3-5; R„ C1 э емкость первого конденсатора, емкость второго конденсатора. R к Т с где С с К л 1 где С, С ? Общая погрешность работы устройства & складывается из погрешности Е установления информационного сигнала 3„„ во время его выборки и погрешностей о и 5„„ обусловленных 1 проникновением перепадов входного сигнала на вход 14 устройства в моменты времени выборки отсчетного уровня b и н интервалах времени между выборками Ь„„: о z = 0„„+ + MBKc (1? макс 8nn QK<) устройство считывания производит обработку входного сигнала по методу двойной коррелиронанной выборки, Вход 1? смещения может быть использован для подключения к потенциалу, компенсирующему напряжение сдвига второго 4 и третьего 5 усилителей, заряда переключения ключевых элементов 6-10 и остаточного напряжения на открытых первом 6, втором 7, четвертом 9 и пятом 10 клвчевых элементах. При использовании в качестве регистрирующего блока 30, например,бl4-разрядного АЦП с диапазоном преобразования входных сигналов Ч от 0 Гт\ до 2,0 В с помощью известных способов получения передаточных характеристик можно определить максимальную амплитуду сигнала, проникающего на выход устройства считывания во время выборки отсчетного уровня, формируемого относительно информационного сигнала. с ($) = ьЧ П1 о К1 КЗ 1348911 Для наиболее типичных случаев, когда ключевые элементы выполняются в виде МОП-ключей с С = ? пор и R = 100 Ом и при использовании усилйтелей с постоянной времени с = 3 нс А величина погрешности 8 = V /V 1иакс п1макс по крайней мере на порядок превышает пп м«Ю Для известного устройства обычно принимают, что мну Величину погрешности 3кнп можно установить, исходя иэ закона изменения выходного сигнала при выборке ин- 15 формационного уровня: з Ч (S)=V К А — — —еых вх.кит З(1+5 - у (1+5, ) 20 = Н С вЂ” постоянная перезаряда второго конденсатора ?, где откуда 2с„+ сь L tb2 кехр (— --- ) - ь, (2) 30, 2 сч и r си А где t — длительность интервала выь борки информационного уровня. Величина t ограничивает максиb2 мальную частоту следования импульсов 35 выборки 1, 1 < (3) Т nt„ где n — количество фаз ИСЗС. Если в качестве регистрирующего блока 30 используется АЦП с количеством разрядов N = 10, то можно задать допустимую погрешность следующего значения 45 ,V = -5 1м«кс 2 макс h1 макс 1 1 1 (4) и 2 3 2 Емкость первого конденсатора выбирают порядка 100 пФ для ослабления влияния токов утечки и паразитных монтажных емкостей, В этом случае постоянная перезарядка проходной емкости четвертого ключевого элемента 9 много меньше с1 и упрощенное выражение зависимости 7„, (1), полученное на основе (1) будет ьЧ, С, к с (t ) (5) ч„, (t) С RK +R„ где 2 (t)=l -t — сс exp(=-) сс кеХр (. — ) г л (< с, ) 2Я вЂ” „) <где t — время, отсчитываемое от начала интервала времени выборки отсчетного уровня; hV — изменение отсчетного уровня. Переменная d(t) принимает максимальное значение д. = 0,064 при 1,4с„ Учитывая, что погрешность 5, не 1 М«К« должна превышать величины, определяемой соотношением (4), можно получить аЧО С « .скн 60 пФ (6) 2V» b макс При этом предполагается, что лЧ = 300 мН вЂ” типовая величина изменения отсчетного уровня ряда промьппленных ИСХС. Минимальное время выборки информационного сигнала можно определить с помощью соотношения (2), откуда следует что tü - 52 нс 1 максимальную частоту следования импульсов управления f, — из соотношения (3), соответственно f, = 6,4 МГц для трехфазной ИСЗС. Устройство считыв:: 1я, выполненное на основе относительно медленных МОП-ключей, позволяет осуществить считывание выходных сигналов практически у всех ИСЗС с по1 ерхностным каналом,, работающих с тактовыми частотами до 10 МГц, с высокой точностью, @ормулаизобретения Устройство считывания, со;.=ржащее два накопительных конденсатор», три усилителя, три ключевых элемента, первый вывод первоro накопительного конденсатора подключен к выходу первого ключевого элемента, вход которого является входом смещения устройства, первый вывод второго накопительного конденсатора подключен к шине нулевого потенциала устройства, а второй вывод подключен к входу третьего усилителя и выходу второго ключевого элемента, вход которого подключен к выходу второго усилителя, второй вы1348911 U15 И17 19 1Ф вод первого накопительного конденсатора подключен к выходу третьего ключевого элемента, вход которого соединен с выходом первого усилителя, вход которого является информационным входом устройства, управляющие входы первого, второго и третьего ключевых элементов являются соответственно входами фиксации потенциала смещения устройства, фиксации величины информационного сигнала устройства и фиксации сигнала,отсчетного уровня устройства, выход третьего усилителя является информационным выходом устройства, о т л и ч а ю— щ е е с я тем, что, с целью повьппения точности и быстродействия устройства, в него введены четвертый и пятый ключевые элементы, управляющие 5 входы которых являются соответственно входами пропускания информационного сигнала устройства и входом выборки экранирующего потенциала, выход первого ключевого элемента подключен к входу четвертого ключевого элемента, выход которого соединен с выходом пятого ключевого элемента и входом второго усилителя, вход пятого ключевого элемента является экранным входом устройства. 1348911 Äèå. Ю 7,7 10 12 14 Фд у Рие. 4 Редактор Т.Лазоренко Заказ 5196/52 Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 7 матч,ИО н,г.т4 e,ÿÌ г,И т r/ Составитель А,Ершова Текред М.Ходанич Корректор Н.Король Тираж 587 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5
