Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

устройства функциональной электроники

.pdf
Скачиваний:
69
Добавлен:
15.02.2016
Размер:
3.32 Mб
Скачать

Динамический диапазон устройства определяется максимальной и минимальной амплитудой входного сигнала, при котором искажения сигнала лежат в допустимых пределах. Минимально допустимый сигнал ограничивается шумами, связанными с натеканием в «потенциальную яму» несанкционированных носителей заряда. Максимальный уровень сигнала ограничивается нелинейными искажениями сигнала. Обычно динамический диапазон составляет 60-95 дБ.

Потери зарядов при переносе достигают 10-4 от их максимального количества, т.е. они ничтожны.

На рис. 1.55. представлена структура с поверхностным переносом зарядов. Для уменьшения потерь зарядов за счет их рекомбинации применяют структуру с объемным переносом заряда (рис. 1.56). Эта структура имеет под оксидом n-области, ослабляющую рекомбинацию электронов. Если для первой структуры тактовая частота не превышает 10 МГц, то для второй – 100 МГц.

На рис. 1.55 приведена структура с трехтактным питанием. Оно может быть также однотактным, двухтактным, четырехтактным.

41

 

 

C6

 

S2

 

 

S1

 

S1

 

C2

+E

S2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вх

 

 

 

 

 

Вых

C1

C3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-E

 

 

 

 

 

 

C4

 

 

 

 

 

C5

 

 

 

 

Рис.1.54

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Шина

 

 

 

 

 

 

питания

Вх

 

 

 

 

 

Вых Коллектор

Инжектор

 

 

 

 

 

 

n+

 

 

 

 

 

n+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p-Si

 

 

 

обедненная область

 

 

Рис.1.55

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n+

 

 

 

 

 

n+

 

 

 

p-Si

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1.56

 

 

 

Время задержки сигнала

T3

=

mN ,

 

 

 

 

 

 

fг

 

Где m – число тактов,

N – число электродов,

fг – тактовая частота.

Сложение и разделение каналов осуществляется с применением p+- области в подложке или диэлектрических областей. На рис. 1.57 приведен

42

разветвитель каналов с р+-разделительными областями. Если поменять местами инжектор с коллектором, получим объединитель каналов.

Объединитель каналов с разной задержкой сигнала – мультиплексор – приведен на рис. 1.58. Если инжектор считать коллектором, а коллектор – инжектором, получим демультиплексор.

Линия задержки аналогового сигнала на ПЗС строится по схеме, приведенной на рис. 1.59. Здесь синусоидальный сигнал преобразуется аналого-дискретными преобразователями АДП в набор импульсов разной амплитуды, затем импульсы задерживаются ПЗС - структурой и преобразуются дискретно – аналоговым преобразователем ДАП в синусоидальный сигнал. Это линия задержки последовательного типа. Используется также линии задержки сигнала с параллельной организацией, где после АДП стоит регистр сдвига и каждый импульс попадает в отдельный ПЗС – канал, на выходе идет обратное преобразование сигнала. Также линии задержки позволяют получить большие времена задержки. При использовании М параллельных ПЗС – каналов Тз увеличивается в М раз, Тз достигает десятков секунд. Количество электродов достигает 500.

На основе линий задержки с ПЗС – структурами строятся трансверсальные (рис.1.60) и рекурсивные (рис. 1.61) фильтры. Здесь сигнал задерживается на разное время и эти по – разному задержанные сигналы ослабляются или усиливаются, а затем суммируются, т.е. складываются с разными весовыми коэффициентами. В рекурсивных фильтрах введена и обратная связь, что позволяет получать более качественные характеристики фильтров. Законы изменения весовых коэффициентов – секрет фирм. От этих законов зависит форма амплитудно – частотной характеристики фильтра.

Трансверсальный фильтр, построенный с помощью мультиплексора и демультиплексора, приведен на рис. 1.62.

Широкое распространение получили трансверсальные фильтры с расщепленными электродами (рис. 1.63). Здесь весовые коэффициенты определяются длинами частей расщепленных электродов. Закон распределения щелей – sin x/x.

Недостатком описанных линий задержки и фильтров на ПЗС является высокий уровень шума, связанного с преобразованием аналогового сигнала в дискретный и обратно, с переносом зарядов.

Промышленность выпускает линии задержки «фильтры на ПЗС : К593БР1, К528БР1, К528БР2, К528ФВ1». Микросхема К593БР1 – это

43

Коллектор 1

p+

n+

n+

p+

 

Коллектор 2

n+

Инжектор

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p-Si

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Разделительная область

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Электроды

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1.57

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вх2

n+

 

 

 

 

 

 

Вх3

 

 

 

 

 

n+

 

 

 

 

 

 

Вх4

n+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вых

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вх1

n+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1.58

 

Вх

 

Вых

АДП

ПЗС

ДАП

~

 

~

Генератор fт

Рис.1.59

44

Линия задержки

Вх

a0

a1

a2

a3

a4

a5

aN

 

Вых

 

Рис.1.60

Вх

a0

b1

a1

b2

a2

b3

a3

bN

aN

Усилитель-ослабитель

 

 

Рис.1.61

Усилители-ослабители

Сумматор

Вых

Сумматор

Линия задержки

Усилитель-ослабитель

45

Вх

а0

Мульти

Демульти

плексор

 

плексор

 

а1

 

 

а2

 

 

а3

 

 

аn

 

 

Рис.1.62

 

 

U1

Инжектор

U2a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вых

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Генератотр

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вх

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U2a,

 

U2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U2б

 

U2б

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Коллектор

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1.63

восьмикаскадная линия задержки с восемью отводами – до 2 мкс (от 1 мкс). Схема включения микросхемы показана на рис. 1.64. Микросхема К528БР1 – это две 64 – каскадные линии задержки с отводами от 32-го каскада в каждой линии. Микросхема К528БР2 – две независимые линии задержки по 512 каскадов в каждой. Микросхема К528ФВ1 – дискретно – аналоговый гребенчатый фильтр. Параметры этих устройств, схемы их включения приведены в (22).

Устройства задержки сигналов и фильтры могут быть построены и без преобразования аналогового сигнала в дискретный. Для этого используют ПЗС – МДП – структуру с резистивным электродом (рис. 1.65). Здесь переменный сигнал на фоне постоянной составляющей подается на инжектор. Введенные в подложку неосновные носители заряда захватываются обедненным каналом и дрейфуют вдоль него по направлению к коллектору. При этом U1 < U2 и в канале создается продольная напряженность поля. Попадающие в обратносмещенный коллектор заряды создают на коллекторной нагрузке выходной сигнал. Структура похожа на биполярный транзистор, включенного по схеме с общей базой и имеющий длинную базу, в которой скорость переноса носителей регулируется напряжениями U1 и U2.

46

Величины U1 и U2 должны быть достаточными, чтобы при выбранной толщине диэлектрика под резистивным электродом образовывался обедненный канал (5-25В). Если носителями заряда являются дырки, то скорость V=(0,05-25)км/с. Заметим, что в устройствах на поверхностных акустических волнах скорость V=(1,7-3,8)км/с. В описываемом устройстве скорость лежит в более широких пределах и легко регулируется. Кремниевые подложки намного дешевле пьезоэлектрических (монокристаллов).

Процесс переноса зарядов описывается уравнением непрерывности (при движении электронов) :

dQdt = dxdj , где j = μ nQEx + Dn dQdx ; Ex = − γ (Fn dx1 dQdx )

здесь Q - поверхностная плотность зарядов;

j- ток, приходящийся на единицу ширины обедненного канала;

μn и Dn - усредненные по длине канала подвижность и коэффициент

диффузии;

Ex - продольная напряженность поля;

γ- константа, равная 0,6-0,8;

F =

dU ,

полевая функция,

зависящая от выбранного

закона

n

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

распределения напряжения на резистивном электроде;

 

C0 x

- приходящаяся

на

единицу поверхности емкость

между

подложкой и резистивным электродом.

 

 

При

U =

U2 U1

x + U1 ,

 

F = U2 U1 .

 

 

 

 

 

l

 

 

n

l

 

 

 

 

 

 

Ex

 

 

Т.е. здесь напряженность

постоянна. Это случай, когда ширина

резистивного электрода неизменна. В этом случае время задержки

 

 

 

 

T3 =

 

 

 

l2

.

 

 

 

 

 

μ

nγ (U2 U1)

 

 

 

 

 

 

 

 

Неравномерное распределение напряженности поля можно обеспечить, если часть резистивного электрода располагать на тонком диэлектрике, а часть – на толстом (рис. 1.66.). В показанном на рис. 1.66 случае напряженность поля по мере удаления от инжектора будет уменьшаться. Поэтому впереди движущиеся носители заряда будут притормаживаться, на них накладываются идущие сзади и плотность пакета заряда может увеличиваться. На рис. 1.67 показаны два случая: рис. 1.67,а – распределение нормированной плотности заряда σ от нормированного расстояния X (X=1 при l) при Ex = const , рис. 1.67,б – то же при уменьша-

ющемся Ex . Видно, что во втором случае сигнал на выходе будет большим.

47

 

+24 В

+5В

 

6

11

 

10

 

 

 

 

Вых1

3

 

 

9

 

 

Вых2

 

 

 

8

 

 

 

Вых3

12

 

 

7

 

 

Вых4

 

 

 

 

 

К593БР1

 

15

Вых5

 

 

 

16

 

 

 

Вых6

 

 

 

1

 

 

 

Вых7

-24В

 

 

2

 

 

Вых8

13

14

5

 

 

 

У1

У2

У3

 

 

 

Рис.1.64

 

 

 

Вх -U1

 

 

Резистивный электрод

 

х

 

-U2

Коллектор

 

 

 

P+

 

 

 

P+

n

Инжектор

Диэлектрик

Подложка

Обедненная область Рис.1.65

Часть резистивного электрода на толстом диэлектрике

Инжектор

Резистивный электрод

Коллектор

 

 

на тонком диэлектрике

 

 

 

 

 

Рис.1.66

 

τ=0

τ1

τ2>τ1

 

 

 

а)

τ2

1

х

 

 

τ=0

τ1

 

 

 

 

 

 

 

 

б)

 

1

х

 

Рис.1.67

 

 

 

 

 

48

Коэффициент передачи по току в первом случае получается (0,1-0,5), а во втором – (0,7-0,85). Объединение нескольких линий задержки с разной шириной и длиной резистивного электрода (инжекторы вместе, точки приложения напряжения U1 – объединены, точка приложения U2 – объединены) позволяет получить трансверсальный фильтр. Можно применить конфигурацию, приведенную на рис. 1.68. Это или полосовой фильтр, или дисперсионная линия задержки.

Функциональные возможности описываемых структур расширяются, если в качестве диэлектрика под резистивным электродом использовать пленку титаната бария. При подаче напряжения (положительного) на резистивный электрод из подложки захватываются заряды и длительное время удерживаются в пленке, создавая напряженность Ex без U1 и U2. Эти заряды удаляются из пленки подачей напряжения противоположного знака. Таким образом, можно получить перепрограммируемую линию задержки или фильтр.

1.15. Понятие о цифровых фильтрах и устройствах задержки сигналов

Структурная схема таких устройств, приведена на рис. 1.69. Аналоговый (непрерывный сигнал) поступают на аналого-цифровой преобразователь (АЦП). В момент подачи синхроимпульса на выходе АЦП возникает сигнал, отображающий результат измерения мгновенного значения входного колебания в виде двоичного числа с фиксированным количеством разрядов, т.е. в виде цифрового кода. В зависимости от особенностей построения устройства это число представляет собой последовательность коротких импульсов (передача в последовательном коде), либо набор уровней напряжения на сигнальных шинах отдельных разрядов (передача в параллельном коде). Преобразованный таким образом сигнал поступает в основной блок устройства – цифровой процессор, состоящий из арифметического устройства и устройства памяти. Арифметическое устройство выполняет над цифрами ряд операций (сложение, вычитание, сдвиг во времени и т.д.). В блоке памяти хранится программа обработки сигнала, промежуточные результаты обработки, которые необходимы для получения конечного результат. На выходе процессора получается выходной сигнал в виде двоичного кода. Для его преобразования в аналоговый сигнал используется цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).

Быстродействие цифровых устройств задержки и фильтрации зависит от скорости протекания процессов в электронных блоках и от сложности алгоритмов обработки информации. Блоки могут быть разработаны на логических устройствах – жестком диске или на микропроцессорах, программируемой логике. Цифровые фильтры строятся с использованием теории аналоговых и дискретных фильтров, по схемам трансверсальных и рекурсивных фильтров. Предельная частота цифровых фильтров – 1 МГц. Цифровую фильтрацию или задержку сигналов можно реализовать

49

программным методом на персональных компьютерах и других электронновычислительных машинах.

Инжектор Коллектор

Вх

U1U2 Резистивный электрод

Рис.1.68

 

 

Цифровой процессор

 

 

 

 

Устройство

 

 

 

 

памяти

 

 

X(t)

 

Арифметическое

 

 

Вх

АЦП

ЦАП

Вых

устройство

 

 

 

 

Генератор

синхроимпульсов

Рис.1.69

50