Двойная коррелированная выборка (ДКВ)

В данном разделе рассматриваются особенности видеоусилителя телевизионного датчика, использующего ПЗС-матрицу в качестве источника сигнала. Первая особенность состоит в том, что входной каскад усилителя, выполненный на МОП-транзисторе (рисунок 4.15, а), встроен непосредственно в кристалл ПЗС.

Это обеспечивает минимизацию паразитной емкости C, на которой фиксируется зарядовый пакет, выведенный из матрицы в область затвора транзистора первого усилительного каскада. Напряжение сигнала U _c, создаваемое зарядовым пакетом на емкости C, равно

U _c =q/C, (4.37)

т.е. тем больше, чем меньше паразитная емкость. После усиления этот сигнал поступает на внешний усилитель.

Рисунок 4.15 – Эквивалентная схема выходного узла матрицы ПЗС (а) и временная диаграмма сигнала (б)

Так как входное сопротивление встроенного каскада на МОП-транзисторе велико, заряд на паразитной емкости не растекается и должен быть принудительно снят перед выводом очередного зарядового пакета. Для этой цели в выходной узел матрицы ПЗС введен транзисторный управляемый ключ K, который перед выводом очередного зарядового пакета на некоторое время замыкается и нейтрализует заряд от предыдущего пакета.

При построении временной диаграммы сигнала U _c (рисунок 4.15, б) учтена неидеальность работы транзисторного ключа K, приводящая к появлению в сигнале шумов сброса, аналогичных тепловому шуму нагрузочного резистора передающей трубки. Неидеальность работы ключа заключается в том, что при замкнутом ключе его сопротивление R _к ≠ 0. При этом параллельно входу МОП-транзистора включена цепочка R _к C, являющаяся источником дополнительного шума. В результате к моменту размыкания (t = t ₁ +nτ _Э, где n – целое число) на емкости C фиксируется не нулевой потенциал, как это должно было бы быть при идеальном ключе, а некоторый шумовой потенциал:

U _c (t ₁ +nτ _Э)=U _ш. (4.38)

Этот шумовой заряд при разомкнутом ключе не растекается и к моменту времени t=t ₂ +nτ _Э суммируется с очередным зарядовым пакетом:

U _c (t ₂ +nτ _Э)=U _ш +U _c. (4.39)

Из сравнения выражений (4.38) и (4.39) видно, что для получения отсчетов сигнала U _c, очищенного от шумов сброса, необходимо выполнить операцию

U _c = U _c (t ₂ +nτ _Э) – U _c (t ₁ +nτ _Э). (4.40)

Эта операция называется двойной коррелированной выборкой (ДКВ) и реализуется с помощью специального устройства (рисунок 4.16, а), включаемого в тракт внешнего видеоусилителя. Это вторая существенная особенность видеоусилителя сигнала ПЗС-матрицы.

Рисунок 4.16 – Функциональная схема устройства ДКВ (а) и эпюры напряжений в схеме (б)

Устройство ДКВ состоит из двух конденсаторов, двух управляемых ключей и двух повторителей, предотвращающих несанкционированный разряд конденсаторов при разомкнутых ключах. Из эпюр напряжений в схеме (рисунок 4.16 б) видно, что конденсатор C1 и ключ K1 образуют управляемую схему ВПС, выполняющую фиксацию входного сигнала (показана положительная полярность сигнала) на нулевом уровне в моменты t=t ₁ +nτ _Э. В выходном сигнале схемы ВПС (сигнал U ₀) в моменты времени t=t ₂ +nτ _Э при этом формируются отсчеты сигнала U _c, очищенные от шумов сброса и отвечающие выражению (4.40). С помощью ключа K2 эти отсчеты запоминаются на конденсаторе C2 на время t _Э и, таким образом, выходной сигнал U _вых становится аналоговым.