Введение к работе
Диссертация посвящена решению крупной научной проблемы - СОЗДАНИЮ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ПОСТРОЕНИЯ ВЫСОКОТОЧНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ сигналов на микросхемах с ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ, имеющей важное народнохозяйственное значение для развития одного из приоритетных направлений -разработке элементной базы микроэлектронных средств вычислительной техники и систем управления.
Актуальность проблемы. С момента изобретения В.Бойлом и Д.Смитом в 1969 году приборов с зарядовой связью <ПЗС) актуальными остаются исследования по физике и моделированию ПЗС, конструированию и технологии СБИС, телевизионным системам, измерительным системам и системам технического зрения на ПЗС. Интерес к измерительным системам и системам технического зрения на ПЗС во многом стимулируется разработкой космических телевизионных систем наблюдения, автоматических систем технологического контроля в промыиленности, разработкой измерительных систем для научного приборостроения. Работа по теме диссертации была начата, когда применение серийных микросхем с зарядовой связью (МЗС) существенно сдерживалось отсутствием микросхем электронного обрамления, недостаток этих технических средств ощущается и в настоящее время. Развитие номенклатуры отечественных микросхем с зарядовой связью сдерживают сейчас как технологические проблемы, так и отсутствие методик системного проектирования как самих МЗС, тах и преобразователей на их основе, которые могли бы составить недостающую часть САПР ИЗС.
Исследования по теме диссертации связаны с разработкой методов и средств, ориентированных на построение высокоточных преобразователей. Под высокоточными преобразователями понимаются в данном случав преобразователи с контролируемой минимизированной величиной погрешности, что обеспечивается использованием соответствующих методов и технических средств их
построения.
В системах на приборах с зарядовой связь» можно выделить три основные части - операционную (процессорную) часть собственно на ПЗС, которая обычно выполняется в виде микросхемы с зарядовой связью, управляющую часть и элементы считывания и согласования по входным и выходным цепям ч с внешними устройствами, в частности ЭВМ. Практическое использование МЗС в системах обработки и преобразования сигналов невозможно без соответствующего электронного обрамления, выполненного на основе элементной базы транзисторной электроники. Разработка систем на МЗС с повышенной точностью обусловливает требования как на операционную часть устройства, так и на характеристики управляющего и считывающего обрамления.
Ножно выделить алгоритмические и структурные способы повышения точности. Основой методик проектирования структур на ПЗС является соответствующий математический аппарат - модели, позволяющие достаточно, просто учесть, оценить и минимизировать погрешности преобразования в сложных Функциональных комплексах. Структурные средства построения электронного обрамления должны ориентироваться на минимизацию источников погрешности - помех, наводок и т.д. Результатом должны быть практические разработки, подтверждающие обоснованность и достоверность методических подходов к построению преобразователей на ПЗС.
Методической основой анализа и синтеза преобразователей и их частей являются методы моделирования, включая методы моделирования физических характеристик элементов, алгоритмов преобразования конкретными техническими средствами, структурной организации преобразователей, электрических характеристик отдельных узлов и системы в целом.
Решению этих вопросов, а именно моделированию микросхем на элементах с зарядовой связью, разработке основ проектирования микросхем электронного обрамления, разработке преобразователей на МЗС, автор посвятил исследования , проводившиеся с 1977 по 1992 год, итогом которых является данная диссертация.
Состояние исследований по проблеме. Исследованию о области моделирования Физических процессов в ПЗС и разработка САПР посвящено значительное число работ как российских, так и зарубежных авторов, большой объем исследований в этой области проведен В.А.Шилиным, Э.Р.Караханяном, А.П.Канунниковым.В.П.Поповым, С.С.Татаур-щиковым, М.А.Тришенковым, результаты этих работ обобщены в ряде монографий. Исследования в области технологии и конструирования ПЗС и СБИС на их основе, разработка отечественных МЗС проведены А.В.Вето, Ю.А.Кузнецовым, Е.В.Костюковым, Б.А.Котовым, А.її.Марковым, Г.Я.Пригожиным, Ф.П.Прессом, А.С.Скрылевым и рядом сотрудников ведущих предприятий, специализирующихся в области разработки и производства МЗС. Существенный вклад в применение МЗС и в первую очередь фоточувствительных микросхем с зарядовой связью <ФМЗС) в различных . областях техники, научного приборостроения, включая схемотехнические аспекты проектирования преобразователей и систем на их основе, внесли В.И.Карасев, В.В.Колотков, А.В.Балягин, В.Ю.Березин,. В.С.Жильцов, Н.К.МИленин, Р.Е.Уваров, А.К.Цыцулии, А.И.Хромов, Н.В.Лебедев. Большой вклад в разработку и конструирование микросхем внешнего обрамления внесли В.А.Володин, А.Б.Гольдшер, П.А.Лик, Ю.И.Тишин.
Следует занетить, что ' несмотря на обилие работ по конкретным разработкам, относительно немного ученых работает над фундаментальными задачами в области моделирования МЗС, а также разработки методов проектирования систем на .основе МЗС, особенно преобразователей с повышенной точностью преобразования..
Следует также отметить, что методы проектирования высокоточных преобразователей включают методы моделирования для целей . анализа и синтеза; методы структурной организации преобразователей и их. частей; схемотехнические приемы и средства использования тех или иных методов улучшения совокупности характеристик преобразователей или отдельных их частей; методы синтеза преобразователей. От эффективности метода моделирования зависит результативность перехода от модели к практической
разработке реального устройства или последовательность переходов от одних моделей к другим - от алгоритмических к структурным и Функциональным, а затем к топологическим при изготовлении устройств и их частей по той- или иной технологии.
Необходимо было развить структурно-схемотехнические методы построения быстродействующих высокоточных микросхем управления, согласования и считывания, предназначенных для построения преобразователей на основе широкого круга МЗС.
Цель работы - развитие методов и средств построения высокоточных преобразователей сигналов .на микросхемах с зарядовой связь» как основы создания новой элементной базы микроэлектронных средств вычислительной техники и систем управления.
Цель достигается путем решения следующих задач:
развитие методов моделирования микросхем с зарядовой связью и систем на их. основе;'
совершенствование структурной организации преобразователей на основе микросхем с зарядовой связью, включая развитие методов и- схемотехнических средств улучшения совокупности характеристик основных блоков таких преобразователей: Формирователей цифровых сигналов управления, преобразователей . уровней, согласующих преобразователей для считывания сигналов;
разработка интегральных микросхем управляющего и считывающего обрамления, обеспечивающих высокую точность преобразователей сигналов на основе микросхем с зарядовой связью.
Апробация работы. Результаты исследований, составляющих содержание диссертации, были представлены докладами на следующих конференциях и совещаниях:
. '/ и III Всесоюзные научно-технические конференции "Приборы с зарядовой связно", Ташкент, 1977 г.; Москва, 1983 г.;
IV конференция с международным участием "Приборы с зарядовой связью и системы на их основе", Геленджик, 1992г.;
VIII, IX и XII Всесоюзные научно-технические
конференции по микроэлектронике, Москва, 1978 г.; Казань, 1980 г.; Тбилиси, 1987 г.;
IV Всесоюзный симпозиум "Проблеми создания
преобразователей форм информации", Киев, 19SO г.;
II Всесоюзная научно-техническая конференция "Методы и ' средства аналого-цифрового преобразования параметров электрических сигналов и цепей", Пенза, 1981 г.;
III, IV, V Всесоюзные совещания "Координатно-чувствительные фотоприемники и оптико-электронные устройства на их основе", Барнаул, 1985 г.; 193? г.; 1989 г. ;
Всесоюзная конференция "Современные проблемы
информатики, вычислительной техники и автоматизации", Москва, 1938 г. ;
VII, VIII Всесоюзные научно-технические конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение", Москва,
1988 г.; 1990 Г.;
XIV Всесоюзная научно-техническая конференция "Высокоскоростная фотография, фотоника и метрология быстропротекающих процессов", Москва, 1989 г.;
Всесоюзная научно-техническая конференция "Методы и никроэлектронные средства цифрового преобразования и обработки сигналов", Юрмала, 1989 г.;
Всесоюзная научно-техническая конференция "Оптико-электронные измерительные устройства и системы", Томск,
1989 г.;
I межотраслевая научно-техническая конференция "Функциональная электроника", Ленинград, 1990 г.;
XI Всесоюзная научно-техническая конференция по Фотоэлектронным приборам "Новые принципы формирования телевизионных изображений", Ленинград, 1990 г.;
V Всесоюзное совещание по диагностике
высокотемпературной плазмы, Минск, 1990 г.;
научные конференции МИФИ и семинары кафедры электроники МИФИ, Москва.
Публикации. По результатам работы опубликовано: 1 монография, 4 учебных пособия, 29 статей, 28 тезисов докладов на Всесоюзних и Республиканских конференциях, симпозиумах, совещаниях; получено 46 авторских
свидетельств на изобретения.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, изложенных на 394 страницах, включая 66 страниц рисунков, 27 страниц таблиц и список литературы 224 наименований.
