RU2341850C1

RU2341850C1 - Device for reading of signal charge from matrix cid-photodetector

Info

Publication number: RU2341850C1
Application number: RU2007121157/28A
Authority: RU
Inventors: Владимир Михайлович Базовкин (RU); Владимир Михайлович Базовкин
Original assignee: Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук
Priority date: 2007-06-05
Filing date: 2007-06-05
Publication date: 2008-12-20

Abstract

FIELD: microelectronics.

SUBSTANCE: device for reading of signal charge from matrix CID-photodetector that has n×m elements organised into n lines and m columns, contains n×m input contacts, selection keys, n first keys, multi-phase pulse generator, the first and second shift registers, counter of lines, column busbars, key of charge fill, amplifier arranged on the basis of instrument with charge connection, which has key of charge drain, amplifier, the second keys, counter of line elements and analog-digital converter, the third key, RS-trigger, the first and second decoders of line counter, summator, digital subtracting unit, divider and unit of RAM. Technical result is achieved by subtraction of portion provided by ghost image from output signal. Device may be used in realisation of photodetecting devices of different spectral ranges.

EFFECT: improvement of threshold characteristics of matrix CID-photodetector.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области интегральной микроэлектроники и может быть использовано при реализации фотоприемных устройств различных спектральных диапазонов.The invention relates to the field of integrated microelectronics and can be used in the implementation of photodetectors of various spectral ranges.

Известено устройство считывания сигнального заряда матричного фотоприемника с прямой инжекцией заряда во входную диффузионную область регистра считывания на приборе с зарядовой связью (ПЗС) (под ред. Барба Д.Ф. Приборы с зарядовой связью. - М.: Мир, 1982, стр.74, 75). В устройстве один выход элемента матричного фотоприемника подсоединен к входу ПЗС-усилителя (метод модуляции истока). Вторым выходом элемента матричного фотоприемника обычно служит подложка, общая для всех элементов. В устройстве отсутствуют индивидуальные цепи смещения входов ПЗС-усилителей.A device for reading the signal charge of a matrix photodetector with direct injection of charge into the input diffusion region of the read register on a charge-coupled device (CCD) (edited by Barba DF Charge-coupled devices. - M.: Mir, 1982, p. 74 , 75). In the device, one output of the matrix photodetector element is connected to the input of the CCD amplifier (source modulation method). The second output of the matrix photodetector element is usually a substrate common to all elements. The device lacks individual bias circuits of the inputs of the CCD amplifiers.

Недостаток устройства проявляется в том, что в результате неконтролируемых в процессе изготовления флюктуаций порогового напряжения отдельные входные МДП-транзисторы ПЗС-усилителей могут оказаться полностью закрытыми, что подавляет инжекцию информационного заряда в ПЗС-усилитель.The disadvantage of the device is that as a result of fluctuations in the manufacturing process of the threshold voltage, the individual input MOS transistors of the CCD amplifiers can be completely closed, which suppresses the injection of information charge into the CCD amplifier.

Известно устройство считывания сигнального заряда с матричного прибора зарядовой инжекции (ПЗИ), имеющего n×m элементов, организованных в n строк и m столбцов, содержащее n×m входных контактов, каждый из которых соединен с входом своего ключа выборки, выполненного на полевом транзисторе («Матричные фотоприемные устройства инфракрасного диапазона», «Наука», Новосибирск, 2001 г, с.82, 83), управляющий затвор которого соединен с первым выходом многофазного генератора импульсов (МГИ), через один из n первых ключей, управляющий вход каждого из которых соединен с одним из n выходов 1-го сдвигового регистра, вход запуска которого соединен с выходом счетчика строк, а вход для тактового импульса соединен с счетным входом счетчика строк и с вторым выходом МГИ; выход ключа выборки соединен с одной из m столбцовых шин, каждая из которых соединена со своим ключом налива заряда, управляющий вход которого соединен с третьим выходом МГИ, и входом усилителя, выполненного на основе прибора с зарядовой связью (ПЗС), имеющего ключ для слива заряда, управляющий вход которого соединен с четвертым выходом МГИ, и информационный выход, который соединен с входом усилителя через вторые ключи, управляющий вход каждого из которых соединен с одним из m выходов 2-го сдвигового регистра, имеющего вход запуска, соединенный с выходом счетчика элементов строки, и вход для тактового импульса, соединенный счетным входом счетчика элементов строки и с пятым выходом МГИ, а выход усилителя соединен с входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП), имеющим управляющий вход, соединенный с шестым выходом МГИ, цифровой выход АЦП является выходом полезного сигнала.A device is known for reading a signal charge from a charge injection matrix (FDI) device having n × m elements arranged in n rows and m columns, containing n × m input contacts, each of which is connected to the input of its sampling key made on a field-effect transistor ( “Matrix infrared photodetectors”, “Nauka”, Novosibirsk, 2001, p. 82, 83), the control gate of which is connected to the first output of a multiphase pulse generator (MGI), through one of the n first keys, the control input of each of whichconnected to one of the n outputs of the 1st shift register, the start input of which is connected to the output of the line counter, and the input for the clock pulse is connected to the counting input of the line counter and to the second output of the MGI; the output of the sampling key is connected to one of m column buses, each of which is connected to its own charge loading key, the control input of which is connected to the third output of the MGI, and the input of an amplifier based on a charge-coupled device (CCD) having a key for draining the charge , the control input of which is connected to the fourth output of the MGI, and the information output, which is connected to the input of the amplifier through second keys, the control input of each of which is connected to one of the m outputs of the 2nd shift register having the start input, connected output with the output of the counter of line elements, and the input for a clock pulse connected by the counting input of the counter of line elements and with the fifth output of the MGI, and the output of the amplifier is connected to the input of an analog-to-digital converter (ADC) having a control input connected to the sixth output of the MGI, digital ADC output is a useful signal output.

Устройство работает следующим образом. Циклически повторяются следующие операции. Открывается ключ выборки, ключ налива заряда, через время, необходимое для налива заряда, ключ налива заряда закрывается, а лишний заряд удаляется через ключ для слива заряда, после чего этот ключ закрывается. В результате потенциал затвора элемента оказывается привязанным к поверхностному потенциалу истоковой области полевого транзистора ключа выборки, а потенциал столбцовой шины привязывается к поверхностному потенциалу истоковой области входного затвора ПЗС-усилителя. После чего с ПЗИ-фотоприемника в ПЗС-усилитель инжектируется сигнальный заряд. Для увеличения быстродействия считывание сигнального заряда проводят параллельно (одновременно) для элементов одной строки. Строки выбираются с помощью первых ключей и 1-го сдвигового регистра, для формирования импульса запуска которого служит выход счетчика строк. Сигналы с выходов ПЗС-усилителей через вторые ключи по очереди поступают на вход усилителя. Вторые ключи управляются вторым сдвиговым регистром, для формирования импульса запуска которого используется выход счетчика элементов строки. С выхода усилителя сигнал поступает на вход АЦП, который запускается управляющим сигналом с шестого выхода МГИ. Цифровой выход данных (шина данных) является полезным выходом устройства.The device operates as follows. The following operations are repeated cyclically. The sampling key is opened, the charge filling key, after the time required for charging, the charge filling key is closed, and the excess charge is removed through the key to drain the charge, after which this key is closed. As a result, the gate potential of the element is tied to the surface potential of the source region of the field-effect transistor of the sample key, and the potential of the column bus is tied to the surface potential of the source region of the input gate of the CCD amplifier. Then, a signal charge is injected from the PZI photodetector into the CCD amplifier. To increase the speed, the signal charge is read in parallel (simultaneously) for elements of one row. Lines are selected using the first keys and the 1st shift register, the output of the line counter serves to generate a trigger pulse. The signals from the outputs of the CCD amplifiers through the second keys in turn arrive at the input of the amplifier. The second keys are controlled by a second shift register, the output of the line element counter is used to form a trigger pulse. From the output of the amplifier, the signal is fed to the input of the ADC, which is triggered by a control signal from the sixth output of the MGI. A digital data output (data bus) is a useful output of the device.

Однако в процессе привязки потенциала столбцовой шины при достижении равенства ее потенциала и поверхностного потенциала истоковой области входного затвора ПЗС-усилителя ток носителей не прекращается из-за эффекта «испарения» из ямы. При этом часть заряда столбцовой шины перетекает в ПЗС-усилитель, создавая там паразитный заряд, который складывается с полезным сигналом. Величина заряда столбцовой шины может меняться во времени, например, из-за изменения заряда на поверхностных состояниях на границе раздела полупроводник - диэлектрик под входным затвором ПЗС-усилителя. Такое изменение заряда столбцовой шины приводит к изменению паразитного заряда, что приводит к дополнительному шуму. Спектральный состав такого шума имеет низкочастотные компоненты 1/F, что соответствует известным данным о характере шумов в МДП-транзисторе, вызванных перезарядкой поверхностных состояний под затвором. Величина такого шума может быть весьма заметной, т.к. в реальных приборах емкость столбцовой шины может превышать емкость входного затвора в 40 и более раз. Т.е. изменение заряда, захваченного на границе раздела подзатворный диэлектрик - полупроводник под входным затвором, на 1 электрон приведет к изменению заряда столбцовой шины на 40 и более электронов. Часть этого изменения приведет к изменению паразитного заряда и увеличит шум считывания сигнального заряда с ПЗИ-приемника. По оценкам, случайный процесс перезарядки поверхностных состояний на границе Si-SiO₂ под входным затвором с плотностью на уровне 10⁹ см^-2 эВ^-1 может дать избыточный шум на уровне 200 электронов.However, in the process of binding the potential of the column bus when it reaches the equality of its potential and the surface potential of the source region of the input gate of the CCD amplifier, the carrier current does not stop due to the effect of “evaporation” from the pit. At the same time, part of the charge of the column bus flows into the CCD amplifier, creating a stray charge there, which adds up to the useful signal. The magnitude of the charge of the column bus can vary with time, for example, due to a change in the charge at surface states at the semiconductor – dielectric interface under the input gate of the CCD amplifier. Such a change in the charge of the column bus leads to a change in spurious charge, which leads to additional noise. The spectral composition of such noise has low-frequency components 1 / F, which corresponds to the known data on the nature of the noise in the MOS transistor caused by the recharging of surface states under the gate. The magnitude of such noise can be very noticeable, because in real devices, the capacity of the column bus can exceed the capacity of the input gate by 40 or more times. Those. a change in the charge captured at the gate-to-dielectric-semiconductor interface under the input gate by 1 electron will lead to a change in the charge of the column bus by 40 or more electrons. Part of this change will cause a parasitic charge to change and increase the noise of reading the signal charge from the PZI receiver. According to estimates, a random process of recharging surface states at the Si-SiO ₂ interface under an input gate with a density of 10 ⁹ cm ^-2 eV ^-1 can produce excess noise at a level of 200 electrons.

Недостатком устройства является избыточный шум.The disadvantage of this device is excess noise.

Техническим результатом изобретения является снижение уровня шумов с частотами ниже кадровой при считывании сигнала с матричного ПЗИ-фотоприемника. (За счет вычитания из выходного сигнала доли, обусловленной паразитным зарядом).The technical result of the invention is to reduce the noise level with frequencies below the frame when reading the signal from the matrix PZI photodetector. (By subtracting from the output signal the fraction due to stray charge).

Технический результат достигается тем, что в устройство считывания сигнального заряда с матричного ПЗИ-фотоприемника, имеющего n×m элементов, организованных в n строк и m столбцов, содержащее n×m входных контактов, ключи выборки, n первых ключей, многофазный генератор импульсов (МГИ), первый и второй сдвиговые регистры, счетчик строк, столбцовые шины, ключ налива заряда, усилитель, выполненный на основе прибора с зарядовой связью (ПЗС-усилитель), имеющий ключ слива заряда, усилитель, вторые ключи, счетчик элементов строки и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), причем каждый из n×m входных контактов соединен с входом своего ключа выборки, выполненного на полевом транзисторе, управляющий затвор которого соединен с первым выходом многофазного генератора импульсов через один из n первых ключей, управляющий вход каждого из которых соединен с одним из n выходов 1-го сдвигового регистра, вход запуска которого соединен с выходом счетчика строк, а вход для тактового импульса соединен с счетным входом счетчика строк и с вторым выходом многофазного генератора импульсов; выход ключа выборки соединен с одной из m столбцовых шин, каждая из которых соединена со своим ключом налива заряда, управляющий вход которого соединен с третьим выходом многофазного генератора импульсов и входом усилителя, выполненного на основе прибора с зарядовой связью, имеющего ключ слива заряда, управляющий вход которого соединен с четвертым выходом многофазного генератора импульсов, и информационный выход, который соединен с входом усилителя через вторые ключи, управляющий вход каждого из которых соединен с одним из m выходов 2-го сдвигового регистра, вход запуска которого соединен с выходом счетчика элементов строки, а вход для тактового импульса соединен с счетным входом счетчика элементов строки и с пятым выходом многофазного генератора импульсов, а выход усилителя соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, имеющим управляющий вход, соединенный с шестым выходом многофазного генератора импульсов, дополнительно введены третий ключ, RS-триггер, первый и второй дешифраторы счетчика строк (ДСС), сумматор, цифровой вычитающий блок (ЦВБ), делитель и блок оперативной памяти (БОП), причем вход 3-го ключа соединен с первым выходом многофазного генератора импульсов, выход - с входами первых ключей, управляющий, закрывающий, вход соединен с выходом RS-триггера, S-вход которого соединен с выходом первого дешифратора счетчика строк, R-вход - с выходом второго дешифратора счетчика строк, а выход аналого-цифрового преобразователя соединен с первым входом данных сумматора и с первым входом данных цифрового вычитающего блока, выход сумматора соединен с входом данных блока оперативной памяти, выход блока оперативной памяти соединен со вторым входом данных сумматора и с входом делителя, выход которого соединен с вторым входом данных цифрового вычитающего блока, выход которого является выходом устройства, причем блок оперативной памяти имеет разрешающий запись вход, соединенный с выходом RS-триггера, вход импульса стробирования, соединенный с шестым выходом многофазного генератора импульсов, внутренний блок обнуления ячеек памяти по нарастающему фронту импульса на разрешающем запись входе, вход шины адреса, каждый разряд которой соединен со своим разрядом счетчика элементов строки.The technical result is achieved by the fact that in the device for reading a signal charge from a matrix PZI photodetector having n × m elements arranged in n rows and m columns, containing n × m input contacts, sample keys, n first keys, multiphase pulse generator (MGI ), the first and second shift registers, a row counter, column buses, a charge loading key, an amplifier made on the basis of a charge-coupled device (CCD amplifier), having a charge discharge key, an amplifier, second keys, a line element counter and an analog-digital pre a generator (ADC), each of n × m input contacts being connected to the input of its sampling key made on a field-effect transistor, the control gate of which is connected to the first output of the multiphase pulse generator through one of the n first keys, the control input of each of which is connected to one from n outputs of the 1st shift register, the start input of which is connected to the output of the line counter, and the input for the clock pulse is connected to the counting input of the line counter and to the second output of the multiphase pulse generator; the output of the sampling key is connected to one of m column buses, each of which is connected to its own charge loading key, the control input of which is connected to the third output of the multiphase pulse generator and the input of an amplifier based on a charge-coupled device having a charge discharge key, control input which is connected to the fourth output of the multiphase pulse generator, and an information output, which is connected to the input of the amplifier through second keys, the control input of each of which is connected to one of the m outputs of the 2nd a shift register, the trigger input of which is connected to the output of the line element counter, and the input for a clock pulse is connected to the counting input of the line element counter and to the fifth output of the multiphase pulse generator, and the amplifier output is connected to the input of the analog-to-digital converter having a control input connected to the sixth output of a multiphase pulse generator, an additional third key, an RS-flip-flop, the first and second line counter decoders (LSS), an adder, a digital subtracting unit (CVB), a divider and an operand block are additionally introduced active memory (BOP), and the input of the 3rd key is connected to the first output of the multiphase pulse generator, the output is to the inputs of the first keys, the control, closing, the input is connected to the output of the RS-trigger, the S-input of which is connected to the output of the first decoder of the line counter , R-input - with the output of the second decoder of the line counter, and the output of the analog-to-digital converter is connected to the first data input of the adder and to the first data input of the digital subtracting unit, the output of the adder is connected to the data input of the RAM block, the output of the opera block memory is connected to the second input of the data of the adder and to the input of the divider, the output of which is connected to the second input of the data of the digital subtraction unit, the output of which is the output of the device, the RAM unit has a write-enabled input connected to the output of the RS-trigger, the gate pulse input, connected to the sixth output of a multiphase pulse generator, an internal block for zeroing the memory cells along the rising edge of the pulse at the recording-enable input, an address bus input, each bit of which is connected to its discharge meter line elements.

Блок-схема устройства показана на фиг.1, где: 1 - входной контакт, 2 - ключ выборки, 3 - столбцовая шина, 4 - ключ налива заряда, 5 - первый ключ, 6 - первый сдвиговый регистр, 7 - усилитель, выполненный на основе прибора с зарядовой связью (ПЗС-усилитель), 8 - ключ слива заряда, 9 - третий ключ, 10 - счетчик строк, 11 - второй ключ, 12 - второй сдвиговый регистр, 13 - многофазный генератор импульсов (МГИ), 14 - первый дешифратор счетчика строк (ДСС), 15 - усилитель, 16 - счетчик элементов строки, 17 - второй дешифратор счетчика строк (ДСС), 18 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП), 19 - RS-триггер, 20 - сумматор, 21 - блок оперативной памяти (БОП), 22 - делитель, 23 - цифровой вычитающий блок (ЦВБ). Толстыми линиями показаны многоразрядные соединения - шины данных и адресные шины.The block diagram of the device is shown in figure 1, where: 1 - input contact, 2 - sample key, 3 - column bus, 4 - charge loading key, 5 - first key, 6 - first shift register, 7 - amplifier, made on based on a charge-coupled device (CCD amplifier), 8 - charge drain key, 9 - third key, 10 - line counter, 11 - second key, 12 - second shift register, 13 - multiphase pulse generator (MGI), 14 - first line counter decoder (LSS), 15 - amplifier, 16 - line element counter, 17 - second line counter decoder (LSS), 18 - analog-to-digital converter (A CPU), 19 - RS-flip-flop, 20 - adder, 21 - random access memory (BOP), 22 - divider, 23 - digital subtracting block (CVB). Thick lines show multi-bit connections - data buses and address buses.

Результат применения предлагаемого устройства в составе тепловизора показан на фиг.2, где: 24 - экспериментальная зависимость эквивалентной шуму регистрируемой тепловизором разности температур, NETD, от количества суммируемых кадров при температуре сцены 30°С, полученная с применением известного устройства-прототипа, 25 - экспериментальная зависимость эквивалентной шуму регистрируемой тепловизором разности температур, NETD, от количества суммируемых кадров при температуре сцены 30°С, полученная с применением предлагаемого устройства.The result of the application of the proposed device as part of the thermal imager is shown in figure 2, where: 24 - experimental dependence of the noise equivalent temperature difference recorded by the thermal imager, NETD, on the number of summed frames at a scene temperature of 30 ° C, obtained using the known prototype device, 25 - experimental the dependence of the noise equivalent recorded by the thermal imager of the temperature difference, NETD, on the number of summed frames at a scene temperature of 30 ° C, obtained using the proposed device.

Входной контакт 1 соединен с входом ключа выборки 2, выход которого соединен со столбцовой шиной 3, а управляющий вход соединен с выходом первого ключа 5. Столбцовая шина 3 соединена с ключом налива заряда 4 и с входом усилителя, выполненного на основе прибора с зарядовой связью (ПЗС-усилителя) 7. Управляющий вход ключа налива заряда 4 соединен с 3-им выходом МГИ 13. Вход первого ключа 5 соединен с выходом третьего ключа 9. Управляющий вход первого ключа 5 соединен со своим выходом сдвигового регистра 6, вход запуска которого соединен с выходом счетчика строк, а вход для тактового импульса соединен с счетным входом счетчика строк и с вторым выходом МГИ 10. Информационный выход ПЗС-усилителя 7 соединен с входом второго ключа 11. Управляющий вход ключа слива заряда ПЗС-усилителя 8 соединен с 4-ым выходом МГИ 13. Вход третьего ключа 9 соединен с 1-ым выходом МГИ 13.The input pin 1 is connected to the input of the sample key 2, the output of which is connected to the output of the column bus 3, and the control input is connected to the output of the first key 5. The column bus 3 is connected to the charge loading key 4 and to the amplifier input based on the charge-coupled device ( CCD amplifier) 7. The control input of the charge key 4 is connected to the 3rd output of the MGI 13. The input of the first key 5 is connected to the output of the third key 9. The control input of the first key 5 is connected to its output of the shift register 6, the start input of which is connected to counter output lines, and the input for the clock pulse is connected to the counting input of the line counter and to the second output of the MGI 10. The information output of the CCD amplifier 7 is connected to the input of the second key 11. The control input of the charge drain key of the CCD amplifier 8 is connected to the 4th output of the MGI 13. The input of the third key 9 is connected to the first output of the MGI 13.

Управляющий вход третьего ключа 9 соединен с выходом RS-триггера 19.The control input of the third key 9 is connected to the output of the RS-trigger 19.

Счетный вход счетчика строк 10 соединен с 2-ым выходом МГИ 13. Выходы всех разрядов счетчика строк 10 соединены с соответствующими входами первого дешифратора счетчика строк (ДСС) 14 и второго ДСС 17.The counting input of the line counter 10 is connected to the 2nd output of the MGI 13. The outputs of all bits of the line counter 10 are connected to the corresponding inputs of the first line counter decoder (LSS) 14 and the second LSS 17.

Выход второго ключа 11 соединен с входом усилителя 15. Управляющий вход каждого второго ключа 11 соединен со своим выходом второго сдвигового регистра 12, вход запуска которого соединен с выходом счетчика элементов строки 16, а вход для тактового импульса соединен с счетным входом счетчика элементов строки и с пятым выходом МГИ.The output of the second key 11 is connected to the input of the amplifier 15. The control input of each second key 11 is connected to its output of the second shift register 12, the start input of which is connected to the output of the line element counter 16, and the input for the clock pulse is connected to the counting input of the line element counter and fifth exit of the Moscow State Institute.

6-й выход МГИ 13 соединен с входом запуска АЦП 18 и с входом записи БОП 21.The 6th output of the MGI 13 is connected to the input of the ADC start 18 and to the input of the BOP 21 record.

Выход первого ДСС 14 соединен с S-входом RS-триггера, 19.The output of the first DSS 14 is connected to the S-input of the RS-trigger, 19.

Выход усилителя 15 соединен с аналоговым входом АЦП 18.The output of the amplifier 15 is connected to the analog input of the ADC 18.

Выходы всех разрядов счетчика элементов строки 16 соединены с соответствующими входами шины адреса БОП 21.The outputs of all the bits of the counter of the elements of line 16 are connected to the corresponding inputs of the address bus of the BOP 21.

Выход второго ДСС 17 соединен с R-входом RS-триггера 19.The output of the second DSS 17 is connected to the R-input of the RS-trigger 19.

Каждый разряд выхода АЦП, 18, соединен со своим разрядом первого входа данных сумматора 20 и со своим разрядом первого входа данных цифрового вычитающего блока (ЦВБ) 23.Each bit of the output of the ADC, 18, is connected to its bit of the first data input of the adder 20 and to its bit of the first data input of the digital subtraction unit (CVB) 23.

Выход RS-триггера 19 соединен с управляющим входом третьего ключа 9 и с входом обнуления-разрешения записи БОП 21.The output of the RS flip-flop 19 is connected to the control input of the third key 9 and to the input-reset-enable entry of the BOP 21.

Каждый разряд второго входа данных сумматора 20 соединен со своим разрядом выхода БОП 21 и со своим разрядом входа делителя 22. Выход сумматора 20 поразрядно соединен с входом данных БОП 21.Each bit of the second data input of the adder 20 is connected to its discharge bit of the BOP 21 and to its bit of the input of the divider 22. The output of the adder 20 is bitwise connected to the data input of the BOP 21.

Выход делителя 22 поразрядно соединен со вторым входом данных ЦВБ 23.The output of the divider 22 is bitwise connected to the second data input of the CVB 23.

Выход ЦВБ 23 является выходом устройства.The output of the CVB 23 is the output of the device.

Устройство работает следующим образом. Циклически повторяются следующие операции. Когда значение счетчика строк ≤n, открывается ключ выборки 2, ключ налива заряда 4, через время, необходимое для налива заряда, ключ налива заряда закрывается, а лишний заряд удаляется через ключ слива заряда 8, после чего этот ключ закрывается. Подключение вторых контактов ключей налива заряда и слива заряда зависит от типа проводимости подложки полупроводника. Например, для подложки р-типа второй контакт ключа налива заряда должен быть подключен к клемме источника питания, соединенной с подложкой полупроводника (нуль вольт), а второй контакт ключа слива заряда - к клемме источника положительного (относительно подложки полупроводника) напряжения питания. В результате потенциал затвора элемента, равный потенциалу входного контакта 1, оказывается привязанным к поверхностному потенциалу истоковой области полевого транзистора ключа выборки 2, а потенциал столбцовой шины 3 привязывается к поверхностному потенциалу истоковой области входного затвора ПЗС-усилителя 7. После чего с ПЗИ-фотоприемника через открытый ключ выборки 2 и столбцовую шину 3 в ПЗС-усилитель 7 инжектируется сигнальный заряд. Для увеличения быстродействия считывание сигнального заряда проводят параллельно (одновременно) для элементов одной строки. Строки выбираются с помощью первых ключей 5 и 1-го сдвигового регистра 6 для формирования импульса запуска которого использован выход счетчика строк 10.The device operates as follows. The following operations are repeated cyclically. When the value of the row counter is ≤n, the sampling key 2, the charge loading key 4 opens, after the time required for loading the charge, the charge filling key closes, and the excess charge is removed through the charge discharge key 8, after which this key is closed. The connection of the second contacts of the keys for loading and discharging the charge depends on the type of conductivity of the semiconductor substrate. For example, for a p-type substrate, the second contact of the charge discharge key must be connected to the power supply terminal connected to the semiconductor substrate (zero volts), and the second contact of the charge discharge key must be connected to the source terminal of the positive (relative to the semiconductor substrate) supply voltage. As a result, the gate potential of the element, equal to the potential of the input contact 1, is tied to the surface potential of the source region of the field transistor of the sample key 2, and the potential of the column bus 3 is tied to the surface potential of the source region of the input gate of the CCD amplifier 7. Then, from the PZI photodetector, a public sampling key 2 and a column bus 3 in the CCD amplifier 7 injects a signal charge. To increase the speed, the signal charge is read in parallel (simultaneously) for elements of one row. Lines are selected using the first keys 5 and the 1st shift register 6 to generate a trigger pulse which uses the output of the line counter 10.

Сдвиговый регистр устроен так, что в исходном состоянии на всех его выходах находится напряжение логического нуля. После подачи импульса запуска и первого тактового импульса на первом выходе появляется и удерживается до прихода следующего тактового импульса напряжение логической единицы. С приходом второго тактового импульса на первом выходе устанавливается напряжение логического нуля, а на втором выходе - напряжение логической единицы. Далее с приходом L-того тактового импульса напряжение логической единицы будет только на L-том выходе сдвигового регистра.The shift register is arranged in such a way that the voltage of logical zero is in the initial state at all its outputs. After the start pulse and the first clock pulse are supplied, the voltage of the logical unit appears and is held at the first output until the next clock pulse arrives. With the arrival of the second clock pulse, the logic zero voltage is set at the first output, and the logic one voltage is set at the second output. Further, with the arrival of the Lth clock pulse, the voltage of the logical unit will be only at the Lth output of the shift register.

Сигнал с выходов ПЗС-усилителей через вторые ключи 11 по очереди поступают на вход усилителя 15. Вторые ключи управляются вторым сдвиговым регистром 12, для формирования импульса запуска которого используется выход счетчика элементов строки 16. С выхода усилителя 15 сигнал поступает на вход АЦП 18. АЦП запускается управляющим сигналом с шестого выхода МГИ, 13.The signal from the outputs of the CCD amplifiers through the second keys 11 are fed to the input of the amplifier 15 in turn. The second keys are controlled by the second shift register 12, to generate a start pulse of which the output of the line 16 counter is used. From the output of the amplifier 15, the signal is input to the ADC 18. ADC triggered by a control signal from the sixth output of the MGI, 13.

При достижении счетчиком строк значения n+1, так же как и при значении счетчика строк ≤n, открывается ключ налива заряда 4 через время, необходимое для налива заряда, ключ налива заряда закрывается, а лишний заряд удаляется через ключ слива заряда 8, после чего этот ключ закрывается. В результате потенциал столбцовой шины привязывается к поверхностному потенциалу истоковой области входного затвора ПЗС-усилителя 7. Сигнал с выходов ПЗС-усилителей через вторые ключи, 11, по очереди поступают на вход усилителя 15. Вторые ключи управляются вторым сдвиговым регистром 12, для формирования импульса запуска которого используется выход счетчика элементов строки 16. С выхода усилителя сигнал поступает на вход АЦП 18. АЦП запускается управляющим сигналом с шестого выхода МГИ 13.When the row counter reaches the value n + 1, just as with the row counter value ≤n, the charge filling key 4 opens after the time required for charging, the charge filling key closes, and the excess charge is removed through the charge discharge key 8, after which this key is locked. As a result, the potential of the column bus is tied to the surface potential of the source region of the input gate of the CCD amplifier 7. The signal from the outputs of the CCD amplifiers through the second keys, 11, are in turn fed to the input of the amplifier 15. The second keys are controlled by the second shift register 12, to form a trigger pulse which uses the output of the counter of the elements of line 16. From the output of the amplifier, the signal is fed to the input of the ADC 18. The ADC is triggered by a control signal from the sixth output of the MGI 13.

Кроме того, первый дешифратор счетчика строк 14 устроен так, что установит на своем выходе логическую единицу (только если на его вход подано значение, равное n+1) и тем самым установит на выходе RS-триггера 19 логическую 1. При достижении счетчиком строк значения n+2 первый дешифратор счетчика строк установит на своем выходе логический 0. Второй дешифратор счетчика строк 17 устроен так, что только при достижении счетчиком строк значения n+2+К установит на своем выходе логическую единицу и тем самым установит на выходе RS-триггера 19 логический 0. После чего счетчик строк обнуляется. Нам известны два способа обнуления счетчика: сброс счетчика, когда на объединенный R вход всех триггеров счетчика подается управляющий импульс, и переполнение счетчика, когда все триггеры счетчика находятся в единичном состоянии и переходят в нулевое состояние с приходом очередного счетного импульса. Такая ситуация возможна, когда число n+2+К является степенью 2 без единицы. Для других значений n устройство необходимо дополнить специальной цепью сброса счетчика, соединяющей выход второго дешифратора счетчика строк с входом сброса счетчика строк.In addition, the first decoder of the line counter 14 is arranged so that it sets a logical unit at its output (only if a value equal to n + 1 is supplied to its input) and thereby sets the output of the RS-trigger 19 to logical 1. When the line counter reaches a value n + 2, the first decoder of the line counter will set logic 0 to its output. The second decoder of the line counter 17 is designed so that only when the line counter reaches the value n + 2 + K will it establish a logical unit at its output and thereby install the RS-trigger 19 at the output logical 0. After bringing the line counter to zero. We are aware of two methods for resetting the counter: resetting the counter when a control pulse is supplied to the combined R input of all counter triggers, and counter overflow when all counter triggers are in a single state and go to zero with the arrival of the next counting pulse. Such a situation is possible when the number n + 2 + K is a power of 2 without unity. For other values of n, the device must be supplemented with a special counter reset circuit connecting the output of the second line counter decoder to the line counter reset input.

Сигнал логической единицы с выхода RS-триггера 19 закрывает 3-ий ключ 9, запрещая тем самым подачу импульсов, открывающих ключи выборки 2.The signal of a logical unit from the output of the RS-trigger 19 closes the 3rd key 9, thereby prohibiting the supply of pulses that open the keys of the sample 2.

По нарастающему фронту сигнала с выхода RS-триггера БОП 22 разом обнуляет все свои ячейки памяти. Используемые при создании БОП микросхемы памяти могут не иметь общего для всех ячеек памяти входа сброса (обнуления). Тогда можно каждый разряд выхода микросхемы памяти соединить резистором с напряжением логического нуля, а вход не разрешения выхода соединить с выходом первого дешифратора счетчика строк. Важно, чтобы на выходе БОП было равное нулю значение, когда счетчик строк имеет значение n+1. Кроме того, высокий уровень на выходе RS-триггера разрешает запись в БОП. Далее, в соответствии с состоянием счетчика элементов строки (номер элемента в строке соответствует номеру столбца в кадре), адресом на адресной шине на выходе БОП появляется число, записанное по адресу. Это значение поступает на второй вход данных сумматора, 20, на первый вход данных сумматора поступает значение с выхода АЦП, сумма с выхода сумматора поступает на вход данных БОП и запоминается по импульсу с шестого выхода МГИ. Таким образом, в конце «строки» с номером n+1 для каждого столбца будет запомнено одно значение паразитного заряда, полученное считыванием после привязки потенциала столбцовой шины с закрытыми ключами выборки. Проведя еще К таких дополнительных циклов, получаем сумму К+1 значений паразитного заряда для каждого столбца. После сброса RS-триггера 19 перезапись в БОП запрещена и значения сохраняются в течение всего следующего кадра. Для получения значения среднего арифметического от К+1 значений паразитного заряда выход сумматора 20 соединен с делителем (делит на К+1) 22. Удобно выбрать К+1 равным 2 в целой степени, тогда делитель можно выполнить на основе регистра сдвига. На цифровом выходе данных (шине данных) ЦВБ 23 получаем результат с вычтенным значением паразитного заряда. Так удалось вычесть влияние паразитного заряда и уменьшить шум.On the rising edge of the signal from the output of the RS-trigger, the BOP 22 immediately resets all its memory cells. The memory chips used to create the BOP may not have a reset input (zeroing) for all memory cells. Then it is possible to connect each bit of the output of the memory microcircuit with a resistor to a logic zero voltage, and connect the input not permitting the output to the output of the first line counter decoder. It is important that the output of the BOP is zero when the row counter is n + 1. In addition, a high level at the output of the RS-trigger allows recording in the BOP. Further, in accordance with the state of the line element counter (the element number in the line corresponds to the column number in the frame), the address written on the address appears on the address bus at the output of the BOP. This value goes to the second input of the adder data, 20, the first input of the adder data receives the value from the ADC output, the sum from the output of the adder goes to the BOP data input and is stored by the pulse from the sixth output of the MGI. Thus, at the end of the “row” with the number n + 1, for each column, one parasitic charge value obtained by reading after binding the potential of the column bus with private selection keys will be remembered. After conducting K such additional cycles, we obtain the sum of K + 1 values of the parasitic charge for each column. After resetting the RS flip-flop 19, overwriting in the BOP is prohibited and the values are stored for the entire next frame. To obtain the arithmetic mean value from K + 1 of the parasitic charge, the output of the adder 20 is connected to the divider (divides by K + 1) 22. It is convenient to choose K + 1 equal to 2 to an integer degree, then the divider can be performed based on the shift register. At the digital data output (data bus) of the CVB 23, we obtain a result with a subtracted parasitic charge value. So it was possible to subtract the influence of the parasitic charge and reduce noise.

Использование в качестве вычитаемого среднего арифметического значения повышает точность определения паразитного заряда и уменьшает шум результата. Значение К может быть в диапазоне от 0 до 100000, хотя для большинства применений, на наш взгляд, достаточно выбирать К в диапазоне от 0 до 3, т.к. уже при К=3 шум вычитаемого становится существенно меньше шума уменьшаемого и далее, при увеличении К шум результата вычитания спадает слабо.Using the arithmetic mean as a subtracted value increases the accuracy of determining the stray charge and reduces the noise of the result. The value of K can be in the range from 0 to 100000, although for most applications, in our opinion, it is enough to choose K in the range from 0 to 3, because already at K = 3, the noise of the subtraction becomes significantly less than the noise that is reduced, and further, with increasing K, the noise of the result of the subtraction decreases slightly.

Значения n и m могут быть в диапазоне 1≤n<1000000, 1≤m<1000000.The values of n and m can be in the range of 1≤n <1,000,000, 1≤m <1,000,000.

Применяя предлагаемое устройство, надо иметь в виду, что время кадра увеличивается по сравнению с прототипом на время одной или нескольких строк, что приведет к снижению максимальной кадровой частоты на единицы процентов (при числе строк в кадре больше 100). Эффективно будут подавляться только компоненты шума с частотами существенно ниже кадровой.Using the proposed device, it must be borne in mind that the frame time increases compared to the prototype by one or several lines, which will lead to a decrease in the maximum frame rate by units of percent (with the number of lines in the frame more than 100). Only noise components with frequencies significantly lower than the frame will be effectively suppressed.

Устройство было выполнено для считывания сигнального заряда с матричного, 128×128, ПЗИ-фотоприемника на основе арсенида индия n-типа. Часть устройства считывания, содержащая входные контакты, ключи выборки, столбцовые шины, ключ налива заряда, первые ключи, первый сдвиговый регистр, ПЗС-усилитель, ключ слива заряда, вторые ключи, второй сдвиговый регистр, выполнена на кремниевой подложке по n-канальной технологии и присоединена с помощью 16384-х индиевых микростолбиков к матричному ПЗИ-фотоприемнику. Другая часть, содержащая третий ключ, МГИ, счетчик строк, первый и второй дешифраторы состояния счетчика строк, RS-триггер, счетчик элементов строки, усилитель, аналого-цифровой 12-разрядный преобразователь (АЦП), сумматор, БОП размером 1×128 14-разрядных слов, делитель, цифровое вычитающее устройство выполнены на стандартных микросхемах.The device was designed to read the signal charge from a matrix, 128 × 128, PZI photodetector based on n-type indium arsenide. The part of the reader containing input contacts, sample keys, column buses, charge key, first keys, first shift register, CCD amplifier, charge drain key, second keys, second shift register, is made on a silicon substrate using n-channel technology and connected with the help of 16384 indium micro columns to the matrix FDI photodetector. The other part, containing the third key, MHI, line counter, first and second line counter state decoders, RS-trigger, line element counter, amplifier, analog-to-digital 12-bit converter (ADC), adder, 1 × 128 14- BOP bit words, divider, digital subtractor made on standard microcircuits.

Минимальное время, необходимое для налива заряда, было порядка 100 нс, а ключ налива заряда открывался (с запасом) на время порядка 1 мкс. На ПЗИ-фотоприемник с помощью инфракрасного объектива фокусировалось изображение сцены. Частота кадров равнялась 100 с^-1.The minimum time required for loading the charge was about 100 ns, and the charge loading key was opened (with a margin) for a time of the order of 1 μs. An image of the scene was focused on a PZI photodetector using an infrared lens. The frame rate was 100 s ^-1 .

Устройство было включено в состав тепловизора. Результат применения предлагаемого устройства с определением величины паразитного заряда усреднением по четырем измерениям (К=3) показан на фиг.2, где:The device was included in the thermal imager. The result of the application of the proposed device with determining the magnitude of the parasitic charge by averaging over four measurements (K = 3) is shown in figure 2, where:

24 - экспериментальная зависимость эквивалентной шуму регистрируемой тепловизором разности температур, NETD, от количества суммируемых кадров при температуре сцены 30°С, полученная с применением известного устройства-прототипа,24 - experimental dependence of the noise equivalent recorded by the thermal imager of the temperature difference, NETD, on the number of summed frames at a scene temperature of 30 ° C, obtained using the known prototype device,

25 - экспериментальная зависимость эквивалентной шуму регистрируемой тепловизором разности температур, NETD, от количества суммируемых кадров при температуре сцены 30°С, полученная с применением предлагаемого устройства.25 - experimental dependence of the noise equivalent recorded by the thermal imager of the temperature difference, NETD, on the number of summed frames at a scene temperature of 30 ° C, obtained using the proposed device.

Видно, что применение предлагаемого устройства позволяет вплоть до 1024 суммируемых кадров и эффективной кадровой частоты порядка 0.1 Гц получить зависимость NETD достаточно близкой к теоретической зависимости 1/(N)^1/2, где N - количество суммируемых кадров, а NETD улучшается с 25 мК (без суммирования кадров) до 1 мК в результате суммирования 1024 кадров. При суммировании 128-ми кадров применение устройства снижает шумы и NETD в полтора раза.It can be seen that the application of the proposed device allows up to 1024 summed frames and an effective frame frequency of the order of 0.1 Hz to obtain the NETD dependence quite close to the theoretical dependence 1 / (N) ^1/2 , where N is the number of summed frames, and NETD improves from 25 mK ( without summing frames) up to 1 mK as a result of summing 1024 frames. When summing 128 frames, the use of the device reduces noise and NETD by one and a half times.

Таким образом, применение предлагаемого устройства позволяет существенным образом подавить низкочастотные (с частотами ниже кадровой) составляющие шума и улучшить пороговые характеристики матричного ПЗИ-фотоприемника, и тепловизора на его основе, в частности, NETD, особенно при суммировании кадров.Thus, the application of the proposed device can significantly suppress the low-frequency (with frequencies below the frame) noise components and improve the threshold characteristics of the matrix PZI photodetector and thermal imager based on it, in particular, NETD, especially when summing frames.

Claims

A device for reading a signal charge from a matrix PZI photodetector having n × m elements arranged in n rows and m columns, containing n × m input contacts, sample keys, n first keys, multiphase pulse generator, first and second shift registers, row counter , column buses, charge loading key, amplifier made on the basis of a charge-coupled device, having a charge discharge key, amplifier, second keys, element counter, line and analog-to-digital converter, each of n × m input contacts being connected to one of its sampling keys made on a field effect transistor, the control gate of which is connected to the first output of the multiphase pulse generator through one of the n first keys, the control input of each of which is connected to one of the n outputs of the 1st shift register, the start input of which is connected to the output a line counter, and the input for the clock pulse is connected to the counting input of the line counter and to the second output of the multiphase pulse generator; the output of the sampling key is connected to one of m column buses, each of which is connected to its own charge loading key, the control input of which is connected to the third output of the multiphase pulse generator, and the input of an amplifier based on a charge-coupled device having a charge discharge key controlling the input of which is connected to the fourth output of the multiphase pulse generator, and the information output, which is connected to the input of the amplifier through second keys, the control input of each of which is connected to one of the m outputs of the 2nd a shift register, the trigger input of which is connected to the output of the line element counter, and the input for a clock pulse is connected to the counting input of the line element counter and to the fifth output of the multiphase pulse generator, and the amplifier output is connected to the input of the analog-to-digital converter having a control input connected to the sixth output of a multiphase pulse generator, characterized in that a third key, an RS-flip-flop, first and second line counter decoders, an adder, a digital subtractor are additionally introduced into the device a block, a divider and a RAM block, the input of the 3rd key being connected to the first output of the multiphase pulse generator, the output to the inputs of the first keys, the control closing input connected to the output of the RS trigger, the S-input of which is connected to the output of the first counter decoder lines, R-input - with the output of the second decoder of the line counter, and the output of the analog-to-digital converter is connected to the first data input of the adder and to the first data input of the digital subtracting unit, the output of the adder is connected to the data input of the operational pa block That is, the output of the RAM block is connected to the second data input of the adder and to the input of the divider, the output of which is connected to the second data input of the digital subtracting block, the output of which is the output of the device, the RAM block having a write-enabled input connected to the RS-trigger output, a gating pulse input connected to the sixth output of a multiphase pulse generator, an internal block for zeroing memory cells along a rising edge of a pulse at a record-enabled input, an address bus input, each bit which is connected to its discharge meter line elements.