6. Электроника видеотехники

6.1. Электроника фото- и видео- камер

Электронные фото- и видео- камеры получили широчайшее распространение. При всем их разнообразии, в основе работы всех их типов лежит использование приборов с зарядовой связью (ПЗС).

Простейший ПЗС представляет собой цепочку МДП структур, соответствующую обобщенной схеме на рис. 32. Фрагмент такой цепочки изображён на рис. 51,а. На затворы МДП структур от схемы управления (контроллера) подаются отрицательные напряжения, которые вызывают обеднение приповерхностного слоя n- полупроводника. Затворы структур очень тонкие и оптически прозрачны. Поэтому концентрация подвижных носителей заряда в обедненном слое зависит не только от напряжения на затворах, но и от освещённости поверхности, поскольку световая энергия вызывает генерацию «дополнительных» электронно-дырочных пар.

Рис. 51,а

МДП структуры сближены настолько, что образуют сплошной обеднённный n^- - слой, через который структуры могут обмениваться носителями зарада (рис. 51,б).

Рис. 51,б

Если, например, на затворы 1 и 3 поданы некоторые напряжения -U₁, а на затвор 2 большее по модулю напряжение -U₂, под затвором 2 образуется более глубокий обеднённый слой с более низкой концентрацией электронов. Потенциал здесь минимален, поэтому эту область можно рассматривать как потенциальную яму. Очевидно, что потенциальная яма способна собирать и удерживать дырки. Благодаря низкой концентрации свободных электронов в n^- слое рекомбинация не уничтожает дырки достаточно долгое время. Заряд дырок в потенциальной яме называется зарядовым пакетом.

Зарядовый пакет можно перемещать вдоль цепочки структур, изменяя напряжения на затворах подобно тому, как перемещается информация в ЗУ последовательного типа (раздел 4.6). В конце цепочки, на выходе имеется узел, способный вырабатывать напряжение, пропорциональное величине заряда пакета.

Появление дырок в потенциальной яме обусловлено, главным образом, генерацией n – p пар под действием света, т.е. заряды пакетов и соответствующие выходные напряжения являются функцией освещенности. Поэтому ПЗС цепочка способна вырабатывать цепочки пакетов, соответствующие строке сфокусированного на неё изображения. Объединение ПЗС цепочек в группу (матрицу) позволяет получить электрические сигналы, соответствующие полноформатному изображению. При этом количество элементов (пикселов) изображения равно количеству МДП структр ПЗС матрицы.

6.2. Электроника информационных дисплеев

Основным типом информационных дисплеев являются жидкокристаллические дисплеи, ЖКД. Они получили массовое распространение (мониторы ПК, ТВ экраны, смартфоны, часы и т.п.). В ЖКД используется особый тип веществ – жидкие кристаллы (ЖК). Оптические свойства ЖК зависят от силы элетрического поля.

Упрощенно работу ЖКД иллюстрирует рис. 52. Каждый элемент (пиксел) ЖКД имеет два прозрачных электрода, между которыми помещено ЖК вещество. С внутренней стороны имеется источник света, например, в виде светодиода с желаемой цветностью. Рис. 52,а соответствует случаю, когда напряжение на электроды не подано и электрического поля нет. Молекулы ЖК при этом ориентированы хаотично и свет не пропускают. При подаче напряжения молекулы под действием поля ориентируются вдоль силовых линий поля и пропускают свет.

Рис. 52,а Рис. 52,б

В реальности пиксел ЖКД имеет более сложное устройство, рис. 53.

Рис. 53

Молекулы ЖК в отсутствие поля имеют спиралевидную форму и поэтому изменяют плоскость поляризации проходящего через ЖК света. При определённой толщине и свойствах слоя ЖК изменение плоскости поляризации может составлять 90^о.

В таком пикселе имеются два поляризацинных фильтра – внутренний (горизонтальный, 1) и наружный (вертикальный, 2), т.е. отличающиеся поляризацией света на 90^о. Входящий в пиксел свет поляризуется фильтром 1 горизонтально. Молекула ЖК в отсутствие поля обеспечивает поляризацию света на 90^о. Поэтому свет приобретает вертикальную поляризацию и беспрепятственно проходит наружу через внешний поляризационный фильтр 2. Пиксел «светится». Если на прозрачные электроды 3, 4 подано напряжение, молекулы ЖК «вытягиватся» и перестают изменять поляризацию света. Горизонтально поляризованный свет не проходит через внешний фильтр с вертикальной поляризацией, пиксел не светится. Очевидно, что яркость свечения зависит от силы электрического поля, т.е. от поданного на электроды напряжениея.

Как уже отмечалось, цвет свечения зависит от цвета свечения светодиода. Поэтому каждый элемент изображения может содержать пикселы с красным, зелёным и синим светодиодами (RGB). Их суммарный свет, в зависимости от поданных напряжений, может создавать любой цвет свечения. Этот принцип является основным при содании цветных ЖКД.

Управление свечением пикселов дисплея осуществляется контроллером, способным управлять матрицей ЖКД. Количество пикселов в ЖКД сегодня может достигать десятков миллионов (форматы HD, 4K).