
устройства функциональной электроники
.pdfДинамический 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