Электрорадиоэлементы устройства функциональной микроэлектроники и технология радиоэлектронных (стр. 26 из 102)
Рассмотрим вариант с нагрузочным сопротивлением. Представим, что напряжения U1, U2, U3подаются на группы конденсаторов в соответствии со схемой рис. 1.10.6,а. На электроды 1.1, 1.2, 1.3 поступает 119 напряжение U1на 2.1, 2.2, 2.3 — U2; на электроды 3.1, 3.2, 3.3 - U3и т.д. Расположение по времени этих напряжений показано на рис. 6.16,б.
Рисунок 1.10.6
Вначале отвлечемся от резисторов R2.1, R2.2, R2.3. Тогда каждый раз, когда заряд, несущий информацию, под влиянием соответствующего напряжения U1, U2или U3 проходит под соответствующий электрод, его появление вызывает заряд на МДП-конденсаторе. Появление заряда требует, чтобы по цепи, по которой подается напряжение, протекал импульс тока. Перемещаясь последовательно, данный заряд, соответствующий какому-то входному напряжению, будет, не расходуясь вызывать последовательно импульс тока в цепях, по которым поступают напряжения U1, U2, U3и т.д. Очевидно, если нет резисторов, информация о заряде во внешнюю цепь не передается.
Учтем теперь наличие резисторов R2.1, R2.2, R2.3. При этом соответствующие заряды, подходя под средние электроды секции, 2.1, 2.2, 2.3, будут вызывать импульсы тока, пропорциональные значению заряда. Благодаря наличию сопротивлений эти импульсы тока превратится в импульсы напряжений. Таким образом, на выходе каждого среднего конденсатора 2.1, 2.2, 2.3 будет фиксироваться импульс напряжения, пропорциональный заряду.
Если, как это сделано на схеме рис. 6.16, соединить между собой
120 все электроды 2.1, 2.2, 2.3, то с общей шины будет сниматься импульс напряжения, равный сумме импульсов. При этом производится съем отсчетов в фильтре с одним знаком. Как было показано выше, такой фильтр будет фильтром низких частот с «прямоугольным окном». Эти фильтры применяют редко и изложение проведено для объяснения сущности формирования отклика на выходе фильтра. Если ПЗС-структура используется как линия задержки, то достаточно включить сопротивление в последней секции.
Рисунок 1.10.7
Реально с разных точек фильтра требуется съем с разными коэффициентами передачи, которые могут от одного отвода к другому меняться по разным законам. Для обеспечения этого нужно существенно усложнить подключение структуры ПЗС к схеме и изменить конструкцию напыляемых металлических электродов. Для пояснения принципа формирования выходного напряжения обратимся к рис. 1.10.7.
На нем изображена такая же структура, как и на рис. 1.10.6, только показано не сечение подложки и электродов, а вид сверху, причем те электроды, с использованием которых формируется выходное напряжение, разрезаны на две части. Длины верхних частей обозначены l2.1в, l2.2в, l2.3в, а длины нижних — l2.1н; l2.2н; l2.3н. Для удобства пояснения принципа действия взят пример, когда разрез находится в разных местах электродов. Каждая из половинок разрезанных электродов (полуэлектродов) образует самостоятельный МДП-конденсатор.
121
Рассмотрим отдельно функционирование верхней половины МДПструктуры. Разрезанный электрод 1 имеет практически полный размер (l2.1в в данном примере имеет максимальное значение). Когда под этот электрод подходит заряд, импульс тока, а следовательно импульс напряжения, будет примерно таким же, как у неразрезанного электрода. У разрезанного электрода 2 емкость будет в 2 раза меньше, так как разрез расположен в середине, и импульс тока и напряжения при том же заряде будет в 2 раза меньше. Наконец, на разрезанном электроде 3 импульс тока и напряжения будет очень маленьким, практически равным нулю, так как длина l2.3в, взятая для примера, очень мала. Следовательно, импульсы напряжения, снимаемые с верхних полуэлектродов, будут зависеть не только от приходящего заряда, но и от положения разреза.
Аналогично будет у нижних полуэлектродов.
Таким образом, можно, используя верхние или нижние полуэлектроды, сформировать дискретный фильтр с любым законом изменения коэффициента передачи по длине структуры, т.е. создать фильтр низкой частоты с разными характеристиками или «окнами». Напомним, что для формирования полосового фильтра необходимо, чтобы коэффициенты передачи имели разные знаки. Следовательно, для полосового фильтра недостаточно использовать верхние или нижние полуэлектроды, а необходимо осуществлять такие их соединения, чтобы получить возможность варьировать и коэффициентом передачи, и его знаком. Для этого достаточно выходные шины верхних и нижних полуэлектродов подсоединить к дифференциальному усилителю, с выхода которого снимается напряжение, равное разности напряжений:
Uвых=Uвых1 – Uвых2.
Тогда для рассматриваемого примера с разрезанного электрода 1 на выход будет подаваться положительное напряжение, с 3 — отрицательное, а с 2 — напряжение будет равно нулю. Расположение разрезов на рис. 1.10.7 взято с максимально положительным, максимально отрицательным и нулевым коэффициентами передачи.
Определив при расчете фильтра требуемые коэффициенты передачи с разных отводов для формирования различных частотных характеристик, можно перейти к проектированию ПЗС-структуры, установив положение разреза в каждом из электродов. Таким образом, можно, используя динамические неоднородности и их перемещение, реализовывать фильтры на ПЗС-структуре с достаточно большим количеством МДПконденсаторов, отличающихся высокой стабильностью характеристик в широком диапазоне частот, с разными формами частотных характеристик и разной полосой пропускания.
Большое значение при реализации фильтров на ПЗС имеет возможность
122
применения высокоэффективной технологии микроэлектроники. В этом отношении перед фильтрами и линиями задержки на ПЗС открыты широкие возможности. Действительно, вся структура фильтра может быть сформирована на полупроводниковой подложке методами микроэлектронной технологии. Все электроды могут быть созданы напылением проводникового слоя на окисел. Все сопротивления, а также все соединительные проводники могут быть созданы методами напыления на подложку, и сложнейшая ПЗС-структура, имеющая, например, 1000 элементов, будет подключаться к остальной схеме всего пятью выводами.
Больше того имеются сообщения о том, что на единой подложке формируются также дифференциальный усилитель и тактовый генератор, создающий напряжения U1, U2, U3. Площадь такой структура на 1000 элементов примерно 100 мм2, масса — несколько десятков грамм, потребление энергии — десятки милливатт и стоимость (в перспективе) 10 руб. Отсюда ясно, какие богатые возможности дает использование ПЗС вместо устаревших LC-фильтров, электромеханических фильтров и т.д.
Примеры фильтров на ПЗС. Рассмотрим два наиболее характерных примера: фильтр низкой частоты на 63 элементах ПЗС и фильтр для сложного фазоманипулированного сигнала на 13 элементах. На рис. 1.10.8 показано схематичное изображение 63-элементного фильтра низкой частоты, построенного по принципу разрезных электродов. На рис. 1.10.9 показана область А разрезанных электродов в крупном плане.
Если применяется трехтактный принцип продвижения зарядов, то такой фильтр должен иметь 63Х3 МДП-конденсаторов, а также электрод ввода информации. Точки разреза электродов отчетливо видны на рис. 1.10.9. Как видно, форма «окна» в этом фильтре значительно сложнее «прямоугольного окна» или «окна Хемминга». Благодаря этому фильтр имеет широкую частотную характеристику с плоской частью в области пропускаемых частот и крутым срезом.
Рисунок 1.10.8 Рисунок 1.10.9
Частотная характеристика такого фильтра приведена на рис. 1.1010. При тактовой частоте 32 кГц фильтр обладает полосой пропускания от 0 до 3,2 кГц. Как и следовало ожидать, за счет
123
дискретного принципа действия фильтр в области задержания имеет неравномерную частотную характеристику с ослаблением от 40 до 60дБ. Импульсная характеристика, т.е. реакция по времени фильтра на короткий импульс по виду аналогична размещению разрезов в электродах по длине фильтра. Это совпадение физически понятно. Если подать на вход такого фильтра короткий импульс, то он поочередно, проходя под электродами, будет давать отклик, отображающий положение разреза. Требуемая форма частотной характеристики получается в результате того, что напряжение снимается и суммируется со всех 63 элементов. Площадь подложки такого фильтра составляет менее 100 мм2 и масса несколько граммов. Если создавать такой фильтр на старых принципах, то потребовалась бы цепочка из RС-элементов, состоящая из многих ячеек. Габариты и масса такого фильтра будут намного больше — масса в 200 раз, а габариты в 1000 раз.
Рисунок 1.10.10 Рисунок 1.10.11
Дополнительные элементы, требуемые для фильтра на ПЗС: входные каскады, обеспечивающие выборку и подачу необходимого напряжения на электрод, тактовый генератор и дифференциальный усилитель на выходе — могут быть реализованы на типовых микросхемах средней степени интеграции. В фильтре, использующем старые принципы, также требуются входные и выходные каскады.