Устройство считывания

(57) Из 98 алс ои вы ости част ог рядово визион елс на ОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ ИСАНИЕ ИЗОБРОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТУ - В.Я.Стевин1,327,66(088.8)тент США М 4287441,/353, опублик. 1981,рское свидетельство СС54, кл, С 11 С 27/02,ТРОЙСТВО СЧИТЫВАНИЯобретение относится кислительной технике, вустройствам обработкигнала интегральных схе связью, применяемым 1 х передающих камера нове монолитных фотоприемных ИС, Цель изобретения - повышение точности и быстродействия устройства считывания сигналов с выхода, Устройство содержит накопительные конденсаторы 1, 2 три усилителя 3, 4, 5, пять ключевых элементов 6-10, блок 20 управления, состоящий из элемента 2 ИЛИ 21, элементов 2 И 22, 23, элементов 2 ИЛИ-НЕ 24, 25, элементов задержки, регистрирующий блок 30. Управление ключевыми элементами осуществляется,так, что ри считывании выходного сигнала н интерналах времени между выборками элементы образуют делители с малым коэЛфициентом передач1 еиндюрмапионной части сигнала цэ : од устройства4 илИзобретение относится к аналоговой вычислительной технике и можетбыть использовано в измерительнойаппаратуре на основе интегральныхсхем с зарядовой связью 1 ИСЗС),Цель изобретения - повышение точности и быстродействия считыванияпутем снижения требований к соотношению емкости второго накопительного 10конденсатора хранения и проходнойемкости закрытого ключевого элементаза счет дополнительного ослаблениявходных сигналов в интервалах времени между выборками потенциала информационного уровня,На фиг,1 представлена функциональная схема устройства считывания вместе с возможным вариантом реализацииблока управления; на фиг.2 - временные зависимости сигналов на входахи выходе устройства считывания и блока управления; на фиг,З - временнаязависимость сигнала на выходе устройства на начальном участке интервала 25выборки отсчетного уровня в увеличен.ном масштабе для устройства считывания; на фиг.4 - график зависимостимаксимальной частоты следования импульсов управления , устройства от 30величины, обратной погрешности с.штывания сигнала, 1/Б, и от значенияразрядности М АЦ 11, используемого вкачестве регистрирующего блока,Устройство считывания содержитпервый и второй накопительные конденсаторы 1 и 2, первый, второй, третий усилители 3-5, первый, второй,третий четвертый и пятый кпочевые эле)менты 6-10, информационный вход 11 ,1 Оустройства, вход 12 смешения, экранный вход 3 устройства, информационный выход 14 устройства, управляошиевходы 5-19 фиксации потенциала смещения, фиксации величины информационного сигнала, фиксации сигнала отсчетного уровня, пропускация информационного сигнала и выборки экранируищегопотенциала, блок 20 управления, элемент 2 ИЛИ 21, элементы 2 И 22 и 23, 5 Оэлементы 2 ИЛИ в Е 24 и 25, элементы26 и 27 задержки, вход 28 управлениявыборкой отсчетного уровня, вход 29управления выборкой информационногоуровня, регистрирующий блок 30,55Устройство считывания работаетследующим образом,На информационный вход 11 устройства при считывании сигналов ИСЗС поступает сигнал, типовая форма которого имеет вид Чц фиг.2), где Т; длительность периода считывания -го зарядового пакета ИСЗС. Информационным сигналом Ч , характеризующим величину считываемого зарядового пакета, является разность между потенциалом информационного уровня, формирующегося на временном участке 2 периода Т, и потенциалом отсчетного уровня на временном участке 1 (фиг.2), На временных участках 1 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 , ЧНа временных интервалах, когда на информационном входе 11 устройства присутствуют сигналы, не подлежащие выборке, блок 20 управления формирует ца управляющих входах 15 и 19 фиксации потенциала смещения и выборки экрацирующего 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 1 О 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 кл 1 очевого элемента 10 проходной емкостьи закрытого второго ключевого элемента 7 и емкостью второго накопительного конденсатора 2.При выборке потенциала отсчетного уровня входного сигнала Ч, на первом временном участке 1.-го периода считывания Т, (фиг,2) на входе 28 выборки отсчетного уровня блока 20 управления формируется управляющий импульс Ч , который передается на вход 17 фиксации отсчетного уровня элементом 2 ИЛИ 21, 11 а время действия3 13489управляющего импульса третий ключевой элемент 8 открывается и первый накопительный конденсатор 1 перезаряжается через открытые первый и тре 5тий ключевые элементы 6 и 8. По окончании действия управляющего импульсана входе 17 фиксации отсчетного уровня устройства считывания третий ключевой элемент 8 закрывается и на10первом накопительном конденсаторе 1сохраняется потенциал, соответствующий потенциалу отсчетного уровнявходного сигнала Ч на первом вре 11менном участке периода считывания Т;, 15Изменения потенциала отсчетного уровня, который зависит также от величины подлежащего считыванию зарядовогопакета могут достигать при последовательном считывании значения порядка ьЧ = 0,5 В для некоторых типовИСЗС.Для прототипа, у которого входусилителя 4 подключен к выходу первого ключевого элемента 6, зарядовые 25токи первого накопительного конденсатора 1 во время выборки потенциалаотсчетного уровня, проходящие черезоткрытый первый ключевой элемент б,создают на входе второго усилителя4 сигнал в виде блока напряжения, который проникает на выход 14 устройства и приводит к погрешности регистрации выходного сигнала регистрирующим блоком 30,35При выборке потенциала информационного уровня на втором временномучастке (фиг,2) периода Т; на вход.28 выборки информационного уровняблока 20 управления формируется им- Ддпульс управления Чщ . Блок 20 управления обеспечивает синхронность работы первого, второго, третьего, четвертого и пятого ключевых элементов6-10 необходимой последовательности. 45После поступления импульса управленияна управляющий вход 29 элемент ИЛИ-НЕ25 с задержкой, равной времени распространения сигнала, одинаковой длявсех элементов 21-25, формирует управляющий сигнал низкого уровня навходе 19 выборки экранирующего потенциала, закрывающий пятый ключевойэлемент 10, который отключает входвторого усилителя 4 от экранного входа 13, в соответствии с временнойзависимостью Ч . Через интервал времмени, определяемый длительностью времени задержки элемента 26 задержки и времени распространения си;нала элемента 2 И 23 на входе 18 управления пропусканием информа 1 ц 1 онного 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, После 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 уровня15на 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 Отначала импульса управления на входе 29, на входе 16 фиксации величины инФормационного сигнала Формируется управляющий сигнал 1 высокого уровня16и второй ключевой элемент 7 открывается, а за ним Открывается первый ключевой элемент б в соответствии с управляющим сигналом Ч, , Формируемым на входе 17 Фиксации отсчетного уровня элементом 2 И.П 21, На входе второго усилителя 4 Б.ором выво- ДЕ ВТОРОГО НаКОПИтЕ:П о О КОНДЕНСатО- рл 2, а также на инф 11 алионном выходе 14 начинает формиро; аться сигнал Ч 11, соответствующий р зности потенциалов между отсчетным л нн ",ормационными уровнями сигнала на :о,ле 11, Такая последовательно. ть вк.лечения первого, второго, тре.ьего, отпертого и пятого ключевых элеля:пов 6- 10 необходима для того, чтоб 6. 1 охпаНИТЬ Заряд ПЕРВОГО НаКОПИ 1 ЕЛЬНОГо конденсатора 1, накопленный во вреся выборки отсчетного уровня, . так - же чтобы разрядить емкость шины, 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, Зкранни 1 вход 13 может быть подключен к входу 12 смещения и в этом случае блок 20 улоан 1348911ления можно упростить, соединив вход 15 с входом 19 выборки экранирувщего потенциала, вход 1 Я с входом 16, исключив элементы 2 И 23 ИЛИ-НЕ 245 и закоротив элемент 26 задержки,По окончании импульса управления на управляющем входе 29 блока 20 управления элементы 21-23 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 26 и 27 задержки, элементы 24 и 25 формируют упранляющие сигналы высокого уровня на управляющих входах 15 и 19, которые открывают первый 6 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 25 второго усилителя 4 не равен потенциалу второго вывода второго накопительного конденсатора 2, то на информационном выходе 14 имеет место скачок напряжения по окончании управляю щего импульса на входе 29 управления, который обусловлен перераспределением части заряда второго накопительного конденсатора 2 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 ИСЗС1первый накопительный конденсатор 1 заряжается до потенциала, соответстнующего потенциалу отсчетного уровня на первом 1 временном участке (фиг.2) входного сигнала Ч,а второй нако11пительный 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 28 и 29 блока 20 управленияОбщая погрешность работы устройства 1 складывается из погрешностисустановления информационного сигнала 3 во время его выборки и погрешностей 3 и 8 пп , обусловленных1проникновением перепадов входного сигнала на вход 14 устройства в моменты времени выборки отсчетного уровня 8 и н интервалах времени между выборками Зпп:8 д = оп, + макс 1 макс 8 ппювс устройство считывания производитобработку входного сигнала по методу двойной коррелиронанной выборки,Вход 12 смещения может быть использован для подключения к потенциалу,компенсирующему напряжение сдвигавторого 4 и третьего 5 усилителей, заряда переключения ключевых элементов6-10 и остаточного напряжения на открытых первом 6, втором 7, четвертом9 и пятом 10 клвчевых элементах.При использовании в качестве регистрирующего блока 30, например,614-разрядного АЦП с диапазоном преобразования входных сигналов Ч от 0до 2,0 В с помощью известных способовполучения передаточных характеристикможно определить максимальную амплитуду сигнала, проникающего на выходустройства считывания во время выборки отсчетного уровня, формируемогоотносительно информационного сигнала.сЧ (С) = аП 1оК 1 КЗДля наиболее типичных случаев, когда ключевые элементы выполняются в виде МОП-ключей с С = 2 пор и В = 100 Ом и при использовании уси-лйтелей с постоянной времени= 3 нс5А величина погрешности 8 = Ч /Ч1 макс к 1 мокс по крайней мере на порядок превышает величину РДля известного устройства обычно принимают, что1 нс2 ннжВеличину погрешности о можно установить, исходя иэ закона изменения выходного сигнала при выборке ин формационного уровня: 1Ч (Я)=Ч К А - - --Вц 6. кнч З (1+520= Н С - постоянная перезаряда второго конденсатора 2,где откуда 2+ Сь ь(2)30 Л (и А 1е (3)пСьгде и - количество фаз ИСЗС,40Если в качестве регистрирующего блока 30 используется АЦП с количеством разрядов Б = 10, то можно задать допустимую погрешность следующего значения45(4)к2 3 250Емкость 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 Т, много меньше 1 и упрощенное выражение зависимости Ч, (С), полученное на основе (1) будет где С - длительность интервала выьборки информационного уровня.Величина С ограничивает максиьмальную частоту следования импульсов 35 выборки Г,.+- с ехр( )сехр( )гл ( -, ) 2 Я - ) -" где С - время, отсчитываемое от начала интервала времени выборкиотсчетного уровня;кЧ, - изменение отсчетного уровня.Переменная д(С) принимает максимальное значение д. = 0,064 при1,4 АУчитывая, что погрешность Р, не1 макс должна превышать величины, определяемой соотношением (4), можно получитьаЧо Сс скС = в в60 пФ (6)2 ЧА 1 зь моксПри этом предполагается, что ЬЧ =300 мН - типовая величина изменения отсчетного уровня ряда промьппленных ИСХС, Минимальное время выборки информационного сигнала можноопределить с помощью соотношения (2),откуда следует, что С 52 нс, максимальную частоту следования импульсов управления 1, - из соотношения(3), соответственно , = 6,4 МГц длятрехфазной ИСЗС.Устройство считыв; и, выполненное на основе относительно медленныхМОП-ключей, позволярт осуществитьсчитывание выходных сигналов практически у всех ИСЗС с по 1 ерхностнымканалом работающих с тактовыми частотами до 10 МГц, с высокой точностью,Формула изобретения Устройство считывания, сод;ржащее два накопительных конденсатор", три усилителя, три ключевых элемента, первый вывод первого 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 вьходу второго ключевого элемента, вход которого подключен к выходу второго усилителя, второй вы1 О 1348911 2,вод первого накопительного конденсатора подключен к выходу третьего ключевого элемента, вход которого соединен с выходом первого усилителя,вход которого является информационным входом устройства, управляющиевходы первого, второго и третьегоключевых элементов являются соответственно входами фиксации потенциаласмещения устройства, фиксации величины информационного сигнала устройства и фиксации сигнала,отсчетногоуровня устройства, выход третьегоусилителя является информационнымвыходом 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 5входы 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 ивходом второго усилителя, вход пятого ключевого элемента является экранным входом устройства.,Я 70 ю ег) 7,7 70 1 г Составитель А,ЕршовТехред ц.Ходанич Король оррек едактор Т,Лазорен писное