Твердотельные фотоэлектрические преобразователи

Твердотельные ФЭП выполняются на приборах зарядовой связью. Работа ПЗС основана на свойстве структур металл—оксид—полупроводник (МОП-структура) собирать, накапливать и хранить зарядовые пакеты неосновных носителей в потенциальных ямах образованных у поверхности полупроводника под воздействием света или тепловой генерации неосновных носителей.

Главным элементом ПЗС является конденсатор МОП-структуры, обкладками которого служат металлический электрод и подложка из полупроводник р- или n-типа. В качестве диэлектрика используются оксиды беспримесного полупроводника, нанесенного на подложку. В изображенном на рис.4.3,а МОП-конденсаторе полупроводниковая подложка выполнен из кремния (81) р-типа, диэлектриком служит диоксид кремния. Если к металлическому электроду (затвору) приложить положительный потенциал I то основные носители (дырки) отойдут в глубь объема полупроводника. Под электродом образуется область, обедненная основными носителями (потенциальная яма). Глубина этой области зависит от приложенного потенциала и свойств МОП-структуры (толщины слоя диэлектрика, удельного сопротивления полупроводника и др.).

В обедненной области полупроводника, наоборот будут собираться неосновные носители. Отсутствие в этой области основных носителей позволит неосновным носителям существовать некоторое время без рекомбинации.

Образовавшийся зарядовый пакет можно переместить в близко расположенный другой МОП-конденсатор, манипулируя потенциалами металлических электродов (рис. 4.3, б). Пусть в начальный момент времени потенциал U1 > U2, тогда в потенциальной яме левого конденсатора будут накапливаться неосновные носители. Увеличим потенциал электрода правого конденсатора U2 и уменьшим левого U1. Тогда под правым электродом образуется потенциальная яма (заштрихованная область), в которую перетечет зарядовый пакет, ранее находившийся в потенциальной яме левого конденсатора.

Твердотельные ФЭП на приборах с зарядовой связью по способу построения растра делятся на линейные (одномерные) и матричные (двухмерные). Линейные преобразователи содержат один ряд фоточувствительных элементов на ПЗС, позволяют сформировать сигнал с одной строки изображения.

Матричные преобразователи представляют собой пластинку из полупроводника, размерами с небольшую почтовую марку. На пластинке содержится несколько сотен тысяч миниатюрных МОП-конденсаторов, образующих множество строчных структур.

С помощью объектива на фоточувствительную поверхность преобразователя проецируется оптическое изображение. Под воздействием света в полупроводнике возникает фотоэлектрическая эмиссия, образуются пары носителей зарядов электрон—дырка. Неосновные носители из этих пар накапливаются в потенциальных ямах, образованных МОП-конденсаторами. Количество заряда, накопленное в каждом МОП-конденсаторе, пропорционально освещенности области матрицы и времени накопления.

В результате произойдет распределение зарядов, точно повторяющее распределение освещенности в оптическом изображении. Меняя напряжение смещения на электродах МОП-конденсаторов, заряды перемещают поочередно на выход ФЭП. В преобразователях используют временное или пространственное разделение процессов накопления и считывания. Линейный преобразователь с разделением этих процессов во времени показан на рис. 4.4, а. Накопление и перенос зарядовых пакетов к выходу осуществляется одними и теми же элементами. На заштрихованных элементах происходит накопление зарядов. Затем накопление механическим или электрическим затвором прерывается и происходит перемещение зарядовых пакетов к выходу устройства, пу тем манипуляции потенциалов II г~II3. Структура работает как трехфазный регистр сдвига. После считывания сигнала со строки изображения возобновляет ся процесс накопления. Чтобы не происходило потерь информации, время считывания должно составлять небольшую часть от времени накопления (единицы наносекунд).

Более удобным является использование преобразователей на ПЗС с пространственным разделением функций накопления и считывания. Пример структуры такого преобразователя приведен на рис. 4.4, б.

Здесь секции накопления 1 и считывания 3 разделены затвором переноса 2. Заряды накапливаются в светочувствительных элементах 1, потом параллельно переносятся в несветочувствительный регистр сдвига (затвор 2 открывается). Далее, после закрытия затвора, параллельно происходят процессы накопления в секции 1 и считывания в секции 3. По завершении считывания процессы повторяются.

Для повышения разрешающей способности преобразователя используют линейки билинейного считывания (рис. 4.4, в). В таком преобразователе содержится две ПЗС структуры, вставленные одна в другую, число светочувствительных элементов увеличилось в 2 раза. Суммируя сигналы с выхода регистров в определенной фазе, можно получить последовательность сигналов изображения с одной строки.

Рассмотренные принципы построения линейных ФЭП на приборах с зарядовой связью также реализованы в матричных преобразователях. Наибольшее распространение получили преобразователи с покадровым переносом (рис. 4.5, а). В секции накопления 1 в течение полукадра под воздействием света формируется заряд. Во время передачи кадрового гасящего импульса все поле зарядов сдвигается в секцию памяти 2, экранированную от света. В течение следующего полукадра в освободившихся светочувствительных областях идет накопление зарядов и их перенос из секции памяти в регистр считывания 3. Заряды переносятся построчно во время передачи строчных гасящих импульсов и выводятся последовательно из регистра считывания во время прямого хода тока строчной развертки.

Аналогично происходит накопление и считывание в матричных преобразователях с межстрочным переносом (рис. 4.5, б). В этом случае столбцы 1, в которых происходит накопление зарядов, располагают параллельно со столбцами 2 хранения зарядовых пакетов. Считывание происходит через регистр считывания 3, управляет процессами переноса затвора.

Достоинствами ФЭП на приборах с зарядовой связью являются: возможность непосредственного преобразования светового потока в пакеты зарядов и и хранения; высокое быстродействие; способность направленной передачи пакетов зарядов и преобразование их в сигнал изображения; малые габариты преобразователя; малая потребляемая мощность, высокая механическая прочность; надежность.

Приёмопередающая трубка

Основными элементами ППТ являются:

1. Фоторезистивный слой (фотомишень).

2. Мелкоструктурная сетка, обеспечивающая дискретное представление фотомишени и находящаяся перед фоторезистивным слоем.

3. Электронная пушка.

4. Отклоняющая система, обеспечивающая формирование магнитного поля, которое изменяется по закону пилообразного напряжения.

5. Катушка индуктивности, обеспечивающая линейность луча и перпендикулярность попадания его на фотомишень по всей её плоскости.

6. Токосъёмное кольцо, контактирующее со всем резистивным слоем.

В результате в ППТ электронный луч перемещается строго по закону: слева направо, сверху вниз. Изображение на экране прямоугольное. Для обеспечения этого длительность одной строки строго фиксирована - ровно 64 мкс.

Принцип работы. Сформированный электронный луч под воздействием положительного напряжения мишени обеспечивает ток в цепи, которая включает в себя сопротивление элементов фотомишени и сопротивление нагрузки Rh. Полезный сигнал элемента изображения снимается непосредственно с токосъёмного кольца, так как при протекании тока через сопротивление нагрузки Rh на ней образуется падение напряжения.

2. Задание на СРС 2.1 Зарисовать и пояснить работу конденсаторов МОП- структуры. 2.2 Зарисовать и пояснить работу матричных преобразователей. 2.3 Зарисовать и пояснить работу линейных преобразователей на ПЗС.

3.Задание на СРСП. 3.1 Сделать сравнительный анализ преобразователей на ПЗС, сравнить с фотоэлектронными преобразователями.

4. Контрольные вопросы

4.1Что такое МОП-конденсатор? 4.2 Как образуются потенциальные ямы? 4.3 Отчего происходит перетекание зарядов из одной потенциальной ямы в другую? 4.4 Как происходит формирование сигнала с одной строки изображения? 4.5 Каким образом перемещаются заряды на выход ФЭП в матричных преобразователях? 4.6 В соответствии с чем происходит распределение зарядов в матричном ФЭП? 4.7 Почему происходит перемещение зарядовых пакетов к выходу устройства? 4.8 Как осуществляется пространственное разделение функций накопления и считывания?

Глоссарий

5.1 Фотоэлектрические преобразователи 5.2 МОП-конденсатор 5.3 Процесс накопления 5.4 Процесс считывания 5.5 Приборы с зарядовой связью 5.6 Секция памяти 5.7 Перенос зарядов 5.8 Потенциальная яма

Photo-electric converters     Process of accumulation Process of reading Devices with charging communication Section of memory Carry of charges Potential hole

Лекция 5

КАНАЛ ИЗОБРАЖЕНИЯ АППАРАТНО-СТУДИЙНОГО КОМПЛЕКСА

Аппаратно-студийный комплекс вещательного телевидения представляет собой совокупность ТВ студий и аппарат­ных телецентра. Назначением комплекса является формирование всей телевизионной программы. Составной частью комплекса слу­жит студийный тракт- канал изображения АСК.

Рассмотрим структурную схему канала изображения АСК (рис. 13.6). С выхода предварительного усилителя телевизионной камеры исходный сигнал яркости поступает на промежуточный усилитель, в котором могут корректироваться градационные ха­рактеристики тракта изображения (гамма-коррекция) и четкости (апертурная коррекция). Часто корректор градационных харак­теристик и апертурный корректор конструктивно объединяют в промежуточном усилителе. Предварительно в исходный сигнал яр­кости замешивается сигнал гашения, представляющий совокуп­ность импульсов строк и полей, предназначенный для гашения развертывающего луча на время обратных ходов развертки. Да­лее сигнал гашения ограничивается на уровне 5%; ниже уровня черного в исходном сигнале яркости. Это готовит вершины сигнала гашения к размещению на нем сигнала синхронизации.

Перед замешиванием сигнала гашения и коррекцией градаци­онных характеристик обязательно восстанавливается постоянная составляющая сигнала (ВПС). Иногда о ВПС говорят как о фиксации уровня черного. Эти понятия тождественны. Постоянную составляющую необходимо восстанавливать, так как она теряется при прохождении сигнала через разделительные конденсаторы. После разделительных конденсаторов сигнал из униполярного превращается в биполярный. На рис. 13.7,а изображена серия прямоугольных униполярных импульсов до потери постоянной составляющей. Осциллограмма рис. 13.7,6 изображает этот сигнал после разделительного конденсатора. Постоянная времени разде­лительной цепи τ =RC определяет время установления сигнала Относительно оси времени t при скачкообразном изменении по­стоянной составляющей сигнала. Чем большеτ_{раз.цепи}, тем меньше искажается форма импульсов, тем медленнее превращается униполярный сигнал в биполярный.

Если Зτ<Ти разделительную цепь называют дифференцирую­щей, при τ_{и >}Ти — разделительной.

Чтобы разделительные цепи не искажали форму сигнала, их постоянные времени должны намного превышать длительность строки. При этом средний уровень (потеря постоянной составля­ющей) сигнала будет изменяться относительно медленно. При постоянной времени, значительно превышающей длительность пе­редачи кадра, изображения практически не искажаются. Однако через определенное время меняется средняя яркость изображения, которая становится независимой от состава изображения. Для устранения этого недостатка и применяют цепи ВПС. Ока­зывается, что при наличии цепей ВПС постоянные времени пред­шествующих ей разделительных цепей можно выбрать исходя только из обеспечения неискаженной передачи строчных импуль­сов Тк>τ>Тстр. В этом случае низкочастотные наводки и фон не будут проходить через разделительные цепи. Качество изображе­ния повысится. Потерянные при этом составляющие нижних час-. тот спектра сигнала восстанавливаются вместе с постоянной со­ставляющей цепью ВПС. В этом случае говорят о косвенной пе­редаче сигналов нижних частот.

Каскад ВПС — это RС-цепочка с искусственно коммутируемой постоянной времени. Во время действия коммутирующего импульса цепь должна быть дифференцирующей, а во время активной части строки — разделительной. Обычно коммутируется сопротивление.

В качестве ключа S (рис. 13.8), который коммутирует входное сопротивление (R или r_к) каскада ВПС, используется один диод (неуправляемая схема ВПС), два и более диодов или транзисто­ров. Во втором случае ключ управляется строчными синхронизирующими импульсами (управляемая схема ВПС). Ключ под действием управляющих импульсов резко умень­шает входное сопротивление каскада.

Разделительная цепь становится дифференцирующей. Поэтому за время действия коммутирующего импульса разделительный конденсатор успевает полностью зарядиться так, что независимо от формы и уровня проходящего сигнала напряжение на правой обкладке конденсатора становится равным постоянному напряже­нию источника фиксированного напряжения Eф, которое определя­ет рабочую точку на амплитудных характеристиках усилителя VT1. После окончания коммутирующего импульса из­менение уровня сигнала начинается от этого фиксированного зна­чения напряжения, т. е. сигнал изображения оказывается фиксиро­ванным по уровню независимо от его средней составляющей. Уро­вень сигналов гашения в сигнале яркости оказывается зафиксиро­ванным. Поэтому эти схемы и называют схемами фиксации уров­ня черного. рис. 13.7. После окончания действия коммутирующего импульса ключ закрывается. Постоянная времени RС-цепи в сотни, тысячи раз воз­растает. Сигнал яркости через конденсатор проходит почти без искажения. При очередной коммутации процесс фиксации повто­ряется. Чтобы проиллюстрировать процесс очередной фиксации на рис. 13.7,в показано значительное искажение сигнала в тече­ние действия активной части строки. Сигнал на входе цепи ВПС (затвор транзистора VT1) становится униполярным. Корректор градационной характеристики (гамма-корректор) предназначен для компенсации нелинейных искажений сигнала изображения, возникающих в основном в передающих телевизионных трубках и кинескопах. Характеристи­ка преобразователя свет-сигнал представлена на рис. 13.9 кривой 1. Для получения правильной передачи полутонов на ТВ изображении в канал не­обходимо включить корректор, создающий градационную харак­теристику с противоположной кривизной (кривая 2). Такую ха­рактеристику можно получить в усилителе с отрицательной об­ратной связью, глубина которой зависит от напряжения сигнала. Схему корректора градационной характеристики тракта изображения см. на рис. 3.10. При напряжении в сигнале менее U1 все диоды, шунтирующие резистор Rи с сопротивлением ООС в цепи истока, закрыты. Усиление каскада минимально, так как ве­лико сопротивление Rи. При напряжении U1<U<U2 открывается диод VD1. Резистор шунтируется, усиление каскада возрастает. При дальнейшем росте сигнала дополнительно открываются вто­рой, третий и последующие диоды (VD2, VD3, ...). Усиление воз­растает. Таким образом, подбирая число диодов и рабочие точки, можно получить кусочно-линейную характеристику, приближаю­щуюся по форме к характеристике, на рис. 13.9, кривая 2.

Микшер н коммутирующее устройствопредназначено для быстрого, плавного или комбинированного пе­реключения датчиков исходных сигналов. Микшер имеет несколь­ко входов. Их число равно числу датчиков телевизионных исход­ных сигналов яркости. В качестве датчиков используются: студий­ная телевизионная камера, кинотелевизионная установка, видео­магнитофон, диапроектор и др. С помощью микшера создаются спецэффекты: постепенное вытеснение изображения (наплывом), ромбом, по диагонали комбинации изображений, полученных от разных датчиков и т. д.

Синхрогенераторопределяет стандарт разложения, при­нятый для телевизионной системы. Синхрогенератор выполняется на микросхемах и может быть в виде одной интег­ральной микросборки. Назначение синхрогенератора — обеспечить заданное стандартом соотношение между частотами строк и кад­ров: fcтр\n=z (15625/25-625). Кроме того, он должен вырабатывать строчные и кадровые сигналы синхрони­зации, сигналы гашения, уравнивающие импульсы. В результате получается полный телевизионный сигнал. Сигнал синхронизации при микшировании не изменяется, что способствует устойчивой синхронизации теле­визоров.

2. Задание на СРС 2.1.Основные составляющие схемы тракта монохромного ТВ. 2.2.Назначение гамма-корректора. 2.3.Что такое апертурный корректор? 2.4.Поясните необходимость восстановления постоянной составляющей. 2.5. Поясните, когда RС-цепь называют разделительной, а когда дифференцирующей? 2.7. Дайте понятие восстановлению постоянной составляющей. 2.8. Зачем нужен синхрогенератор?

3.Задание на СРСП. 3.1.Нарисуйте амплитудную характеристику преобразователя свет-сигнал, поясните ее ход.. 3.4.Составьте принципиальную схему гамма-корректора, поясните принцип ее действия

4. Контрольные вопросы

4.1 Зачем в тракте передачи ТВ сигнала ставят гамма-корректор..4.3 Назначение микшерно-коммутирующего устройства? 4.4 Почему гамма-корректор создает градационную характеристику с обратной крутизной? 4.5 Почему в схеме ВПС ставят искусственно-коммутируемую цепочку? 4.6 Почему в тракте ТВ нарушается четкость сигнала изображения? 4.7 Назначение сигналов гашения

Глоссарий

5.1.Апертурный корректор 5.2 Гамма-корректор 5.3 Восстановление постоянной составляющей 5.4 Разделительная цепь 5.5 Дифференцирующая цепь 5.6 Цепь обратной связи 5.7 Микшер 5.8 Синхрогенератор

The aperture proof-reader   The gamma proof-reader Restoration of a constant component Dividing circuit Differentiating circuit   Circuit of a feedback Mixer Synchrogenerator

Лекция 6