Телевидение Методические указания по выполнению лабораторной работы

Примеры решения задач
контрольной работы
Электротехника
Общая электротехника
Примеры решения задач
Физика
Методичка
Лекции и конспекты
Лабораторные работы
Телевидение лабораторные
Расширенный конспект лекций
по курсу «Физика»
Примеры решения задач по физике
Измерительные системы
Лекции по термодинамике
Двигатели внутреннего сгорания
Механика, термодинамика
Атомная энергетика
Атомные электрические станции
Описание реакторной установки
Реакторы типа РБМК-1000
Физические принципы атомной энергетики
Черчение
Инженерная графика
Сопромат
Выполнение курсовой работы по сопромату
Машиностроительное черчение
Архитектурные стили
Французский стиль в русской архитектуре
Искусство борокко
Готика Франции
Эпоха Возрождения
Романский стиль
Художественная роспись тканей
Ручная роспись тканей
Роспись тканей в Японии
Декоративное искусство Японии
Японские мотивы в тканях модерна
Холодный батик
Математика
Дифференциальные уравнения
Ряды
Интегралы
Примеры вычисления интегралов
Элементарная математика
Высшая математика -
лекции , примеры решения задач
Информатика
Информационная безопасность
Модели управления доступом
Разграничение доступа
Вычислительные комплексы
Учебник по информатике
Общие принципы построения
вычислительных сетей
Основы передачи дискретных данных
Базовые технологии локальных сетей
Построение локальных сетей по
стандартам физического
и канального уровней
Сетевой уровень
Глобальные сети
Средства анализа и управления сетями
Почтовые программы
Примеры скриптов на JavaScript
Примеры программирования на Java
Иллюстрированный самоучитель по Java

Лабораторная работа 7

ИССЛЕДОВАНИЕ ЛИНЕЙНОГО ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НА ПРИБОРЕ С ПЕРЕНОСОМ ЗАРЯДА

Цель работы: изучение конструкции, принципа действия и основных характеристик линейного фотоэлектрического преобразователя на приборе с переносом зарядов.

Линейные фотоэлектрические преобразователи на приборах с переносом заряда (зарядовой связью – ПЗС) позволяют преобразовать в электрический сигнал распределение освещенности вдоль одной пространственной координаты. Основой всех ПЗС-устройств является МОП-конденсатор – элемент, состоящий из подложки (первый электрод), изоляционного слоя окиси кремния и металлического или поликремниевого затвора (второй электрод). При подаче на затвор смещения соответствующего знака собственные носители в подложке оттесняются в глубину, а вблизи поверхности раздела подложка–изоляционный слой образуется обедненная зона, в которой (под затвором) собираются неосновные носители, попавшие в эту зону тем или иным способом.

Изучаемый прибор (рис. 7. 1) относится к простейшим в своем классе и содержит светочувствительную область 1, представляющую собой МОП-конденсатор, перекрытый фотозатвором 2. Специальной стоп-диффузией этот конденсатор разделен на линейку светочувствительных элементов. Параллельно ей расположен ряд электрически связанных между собой МОП-емкостей – регистр переноса заряда (РПЗ) 5. В отличие от светочувствительной области в РПЗ конденсаторы имеют общий первый электрод – подложку, но отдельные затворы, расположение которых и определяет топологию этого узла. На каждый светочувствительный элемент приходится три соседних ячейки РПЗ, коммутируемых фазными напряжениями  таким образом, чтобы потенциальные ямы перемещались в РПЗ в заданном направлении. РПЗ отделен от фоточувствительной области разрешающим затвором 3. В выходном устройстве по схеме с плавающей диффузионной областью (ПДО) 6 величина достигшего выхода зарядового пакета преобразуется в напряжение . На входе РПЗ имеется устройство для ввода фонового заряда 4. Число триад МОП-емкостей РПЗ больше числа светочувствительных элементов; триады, не имеющие соответствующих фотоячеек, расположены как в начале РПЗ (около выходного устройства), так и в конце (около устройства ввода фонового заряда). Первые используются для измерения фонового уровня сигнала перед считыванием каждой строки. В дальнейшем полезный сигнал определяется как разность между выходным и запомненным вне прибора фоновым сигналами, что повышает динамический диапазон на 1…2 порядка [7]. "Лишние" триады в конце РПЗ необходимы для сброса остаточного заряда, образовавшегося в процессе считывания из-за неэффективности переноса (см. далее). С противоположной стороны от фоточувствительной области имеется затвор 7 и сток 8 антиблуминга, предотвращающие "заливку" соседних ячеек при локальном пересвете.

Полярность управляющих напряжений определяется материалом подложки и, соответственно, типом носителей заряда. В рассматриваемом приборе подложка выполнена из кремния n-типа, носителями являются дырки, поэтому все управляющие напряжения отрицательны относительно подложки (рис. 7. 2). (В лабораторном макете установлен фиксированный положительный потенциал подложки , превышающий размах управляющих напряжений). Во время накопления фотогенерированных носителей на фотозатвор подается отрицательное напряжение, формирующее потенциальные ямы в фоточувствительных элементах. Попадающие в эти элементы фотоны формируют электронно-дырочные пары, электроны оттесняются напряжением фотозатвора в глубь подложки, а дырки собираются под ним, образуя информационные зарядовые пакеты. В это время смещение с затвора разрешения снято, поэтому РПЗ отделен от фоточувствительной области потенциальным барьером, и из него производится вывод пакетов, накопленных в предыдущем цикле.

По окончании накопления на время, необходимое для полного переноса зарядовых пакетов из фоточувствительной области в РПЗ последний останавливается в состоянии, когда под одной из фаз имеются потенциальные ямы (рис. 7. 2, ). На затвор разрешения подается смещение. Между светочувствительными элементами и этими фазными МОП-емкостями образуются каналы, по которым накопленные зарядовые пакеты переводятся в потенциальные ямы РПЗ. Смещение с затвора разрешения снимается и в фоточувствительной области начинается новый процесс накопления. В РПЗ подачей и снятием фазных напряжений с затворов (рис. 7. 2, ) формируются потенциальные ямы (по одной на каждый элемент – триаду), перемещающиеся по регистру в направлении выходного устройства. В этих ямах принятые зарядовые пакеты передвигаются к выходу. Часть носителей зарядов при этом отстает, не успевая пройти потенциальную яму за время до очередного переключения фазных напряжений, или захватывается нарушениями кристаллической решетки на границе подложка – изоляционный слой – ловушками. Поэтому до выходного устройства доходит только часть зарядового пакета, а отставшие носители частично присоединяются к последующим пакетам. Эти эффекты носят название неэффективности переноса. Они частично могут быть снижены за счет предварительного введения во все пакеты фонового заряда постоянной величины для заполнения ловушек кристаллической решетки. Этот заряд – "жирный нуль" – вводится электрически через входное устройство 4.

Количество фотогенерированных носителей зависит от времени накопления и интенсивности падающего на каждый элемент света. Если некоторый элемент ярко освещен, то из-за большого числа полученных носителей некоторые из них могут преодолеть потенциальный барьер между элементами и попасть в соседние, создав помеху. Этот эффект называется блумингом. Для защиты от него на антиблуминговый затвор 7 подается смещение, делающее барьер под ним более низким, чем межэлементный. Поэтому избыточные носители переходят в сток антиблуминга 8, не давая помехи. Из сказанного следует, что максимальный объем зарядового пакета определяется разностью смещений на фотозатворе 2 и затворе антиблуминга 7.

В выходном устройстве каждый зарядовый пакет преобразуется в соответствующее ему значение выходного напряжения. В нем имеется [7] ПДО (рис. 7. 3, 2), не имеющая затвора. Она отделена от РПЗ затвором выборки (ЗВ) 1, а от области сброса 4 – затвором сброса (ЗС) 3. Потенциал ПДО управляет степенью открытия выходного транзистора 5.

Принцип работы выходного устройства заключается в следующем. Перед началом преобразования каждового зарядового пакета ЗВ 1 закрывается (с него снимается смещающий потенциал), а на ЗС 3 этот потенциал подается (рис. 7. 4, ). Образовавшимся под этим затвором каналом ПДО подключается к заземленной области сброса, поэтому на ПДО устанавливается близкий к нулю потенциал . Затем () потенциал с затвора сброса снимается и ПДО оказывается отключенной как от РПЗ, так и от области сброса. При этом ее потенциал () несколько изменяется за счет емкостных связей с соседними элементами прибора. В момент  подается смещение на ЗВ 1 (см. рис. 7. 3), образуется канал, связывающий ПДО с последним элементом РПЗ и в нее поступает информационный зарядовый пакет. Этот пакет складывается с зарядами, внесенными в ПДО ранее из области сброса, в результате потенциал ПДО принимает значение . Потенциал ПДО управляет степенью открытия канала выходного транзистора, в результате на выходе последовательно формируются три значения напряжения . Затем цикл повторяется для считывания следующего зарядового пакета. Из сказанного ясно, что напряжение, соответствующее полезному сигналу, является разностью напряжений Ошибка! Ошибка связи..

Для получения полезного сигнала и снижения влияния тактовой наводки из-за непостоянства от элемента к элементу уровня  выходной сигнал ПЗС обрабатывается схемой двойной коррелированной выборки (ДКВ), фиксирующей значения  и вычитающей второе из первого.

7.1. Лабораторная установка

В состав лабораторной установки для исследования линейного фотоэлектрического преобразователя на ПЗС входят следующие основные узлы (рис. 7. 5): фотоэлектрический преобразователь типа К1200ЦЛ1 1, двухлучевой осциллограф 2, блок контроля и измерения параметров управляющих сигналов 3, устройство формирования управляющих сигналов 4, схема управления режимом работы преобразователя 5, схема электрического ввода сигналов в регистр преобразователя 6, схема усиления и формирования выходного сигнала преобразователя 7, оптическое устройство (объектив) для построения изображения на оптическом входе ФППЗ 8, тест-таблица 9, осветитель с регулировкой освещенности тест-таблицы 10. Вместо тест-таблицы на оптический вход ФППЗ может быть спроектировано излучение импульсного источника (светодиода) 11 через диафрагму 12.

7.2. Программа экспериментальных исследований

7.2.1. Подготовка к выполнению работы

При подготовке к лабораторной работе следует изучить конструкцию и принцип действия линейного ПЗС [7], зарисовать ожидаемые диаграммы управляющих напряжений и сигнала на выходе исследуемого прибора и схемы ДКВ.

7.2.2. Порядок выполнения работы

Отобразить на экране осциллографа фазные импульсные последовательности РПЗ ( Ф1, Ф2, Ф3 ). Изменением скорости развертки получить отображение этих последовательностей, относящееся к нескольким (2…3) элементам. Регулировкой частоты задающего генератора установить период фазных напряжений равным 5…10 мкс. Зарисовать импульсные последовательности (по 2-3 периода) друг под другом, сравнить их с полученными из теории (см. рис. 7. 2, ).

С помощью переключателя выбора участка строки отобразить на одной линии развертки осциллографа сигнал фотозатвора (ЗФ), а на другой – один из фазных сигналов. Зарисовать осциллограммы этого напряжения и всех фазных напряжений в течение времени переноса зарядовых пакетов из фоточувствительной области в РПЗ (см. рис. 7. 2, ). Сравнить с теорией.

 Установить значение длительности развертки осциллографа, необходимое для наблюдения одного цикла (строки) работы ПЗС. Зарисовать диаграмму сигнала на фотозатворе, измерить длительность цикла и нанести его на диаграмму. Оценить соотношение периодов импульсов ЗФ и фаз РПЗ.

Удалить тест-таблицу из оптической схемы, выключить осветитель тест-таблицы (если он был включен). Включить светодиод ( тумблер вверх)(рис. 7. 5, 11), перемещением вручную диафрагмы 12 (лист гетинакса, на котором лежала тест-таблица) получить на экране осциллографа изображение строки вывода с откликом на световой импульс. Для этого один из лучей осциллографа включить в контрольную точку выходного сигнала макета. Переключателем выбора участка строки добиться изображения отклика от светодиода в начале развертки осциллографа. Установить длительность развертки, обеспечивающую наиболее подробное полное отображение отклика (15…20 периодов фазных напряжений). Зарисовать диаграмму выходного сигнала и одной из фаз (например, ). Уяснить причину ступенчатой формы сигнала.

Изучить принцип работы ПДО. Установить длительность развертки, равную 2…3 периодам фазных напряжений. Зарисовать друг под другом формы 6-ти следующих сигналов: выходного сигнала ПЗС, , импульсных сигналов сброса, фиксации, выборки и выходного сигнала макета, соблюдая их взаимное временное положение.

Измерить и построить характеристику "свет-сигнал" преобразователя [5, лабораторная работа № 9]. В ходе измерения характеристики изменять подаваемую на оптический вход преобразователя световую энергию изменением длительности светового импульса (контрольная точка макета – «сигнал управления светодиодом») и фиксировать размах выходного сигнала (контрольная точка – «выходной сигнал»).

Снять апертурно-частотную характеристику [5, лабораторная работа № 2] преобразователя. Выключить светодиод, включить осветитель, ввести в оптическую схему тест-таблицу и, перемещая ее вручную, получить на выходе прибора сигнал (контрольная точка – «выходной сигнал») от строки, содержащей штриховые миры различной пространственной частоты. Измерить глубину модуляции сигнала для различных мир. Построить АЧХ. Сравнить с теорией. Выключить осветитель.

Измерить неэффективность переноса зарядовых пакетов в РПЗ. Определение коэффициента неэффективности переноса проводить по искажению формы прямоугольного пакета импульсов, подаваемого от устройства электрического ввода сигналов. Установить нулевой уровень постоянной составляющей фонового заряда и размах импульсов, достаточный для их наблюдения в выходном сигнале. Манипулируя переключателем участка строки и регулятором длительности развертки осциллографа, добиться наилучших условий наблюдения пакета. Изменяя уровень постоянной составляющей вводимого заряда, с помощью осциллоскопа наблюдать искажение формы пакета импульсов. При измерениях не допускать насыщения сигнала, в необходимом случае уменьшая размах импульсов. Снять зависимость отношения размаха первого импульса к максимальному размаху импульсов в пакете от величины постоянной составляющей фонового заряда. Построить соответствующий график. Изменить (по заданию преподавателя) частоту задающего генератора. Повторить исследование.

Физика, электротехника решение задач