Электростатика

а
). В этом случае 
используются перекрестные связи затворов, которые управля-
ются напряжениями аналоговых сигналов 
U
1
и 
U
2
. Если 
U
1
>
U
2
, 
то в верхнюю цепочку элементов заряд не поступает вследствие 
более глубокой потенциальной ямы в первом элементе верхней 
цепочки по сравнению со второй.
Рис. 4.16. Схемы вычитания зарядовых пакетов:
а
- с перекрестными связями; 
б
- с зарядом смещения; 
в
- на плавающих затворах 
Таким образом, после этапа экстракции электроны будут 
экстрагированы обратносмещенной 
п
+
-областью истока. В ниж-
нюю цепочку будет введен зарядовый пакет величиной 

---

143 
q
2
 = SC
(
U
1
- U
2
)
, q
1
= 0.
 
 
 
(4.16) 
Для случая
U
1

2
заряд вводится только в верхнюю цепоч-
ку, т. е. 
q
1
 = SC
Д
(
U
2
– U
1
)
, q
2
= 0.
 
 
 
(4.17) 
Итак, разность двух сигналов (
U
2
– U
1
) формируется в 
нижней цепочке, если разность положительная, и в верхней - 
при отрицательной разности. При считывании сигналов из обе-
их цепочек можно определить как разность потенциалов 
U
1
- 
U
2
, так и знак этой разности. 
Другой способ предусматривает представление входных 
сигналов в виде зарядовых пакетов. Разностный сигнал преоб-
разуется в нужную форму: в виде заряда или напряжения (рис. 
4.16, 
б
). Во входной элемент инжекции - экстракции вводится 
фиксированный зарядовый пакет
q
0
.
Этот заряд делится между 
двумя элементами, затворы которых находятся под напряжени-
ем 
U
1
и 
U
2
. 
При достаточно медленном спаде напряжения на шине
 Ф
2
соблюдаются квазистатические условия передачи. Это означает, 
что поверхностный потенциал шины 
Ф
2
и электродов 
U
1 
и 
U
2
одинаковы и 
1
= 
2
. Если 
S
1
=
S
2
 = S, 
 
 
 
(4.18) 
q
1
 = q
2
 = q,
 
 
(4.19) 
то 
q
1
 =
1/2[
q
0
 + SC
Д
(
U
1
– U
2
)],
 
 
 
(4.20)
 
q
2
 =
1/2[
q
0
 + SC
Д
(
U
2
– U
1
)].
 
 
 
(4.21)
 
 
Таким образом, в верхней и нижней цепочке электродов 
будут передаваться заряды, отличающиеся от половинного за-
ряда 
q
0
/2 на величину, пропорциональную разности входных 

---

144 
сигналов (
U
1
- 
U
2
). При считывании выходной сигнал будет 
смещен относительно среднего уровня, соответствующего
q
0
/
2 
(при
U
1
= 
U
2
), на величину, пропорциональную (
U
2
– U
1
). 
Операцию вычитания можно реализовать на плавающих 
затворах (рис. 4.16, 
в
). При этом используется эффект умноже-
ния потенциала затвора при передаче зарядового пакета в эле-
мент с плавающим затвором. Если объединить два плавающих 
затвора и в один вводить заряд 
q
1
, а из другого выводить заряд 
q
2
,то заряд 
q
1
вызовет понижение потенциала, а выводимый 
заряд
q
2
- повышение потенциала плавающего затвора. Резуль-
тирующее изменение потенциала плавающей шины будет про-
порционально разности зарядовых пакетов, передающихся по 
верхним и нижним цепочкам. 
Операцию дифференцирования можно реализовать путем 
соединения плавающих затворов двух соседних разрядов (рис. 
4.17,
 а
)
.
При этом зарядовый пакет
Q
n
(
nT
) из элементов1 экстра-
гируется и вызывает увеличение потенциала
U
A
,
одновременно в 
элемент2вводится зарядовый пакет 
Q
n
[(
n 
+ 1)
T
], соответствую-
щий следующей выборке сигнала. На плавающей шине форми-
руется сигнал, пропорциональный разности двух зарядов или 
производной передаваемого аналогового сигнала. 
Операция интегрирования сигнала является обратной опе-
рации дифференцирования и осуществляется суммированием 
(накоплением) зарядовых пакетов. 
На ПЗС-структурах выполняют аналогово-цифровые и 
цифроаналоговые процессоры, мультиплексоры и демультип-
лексоры. 
Мультиплексор, например, служит для временной задерж-
ки и накопления информации (рис. 4.17, 
б
). Тактовая частота 
подбирается таким образом, чтобы задержка между отдельными 
входами была равна времени перемещения изображения между 
входными приемниками. При этом происходит когерентное 
сложение зарядовых пакетов. Важно отметить, что шумы скла-
дываются некогерентно. 

---

145 
Логические ячейки и операции могут быть реализованы с 
помощью комбинации уже рассмотренных устройств, предна-
значенных для арифметических операций. 
Рис. 4.17. Схемы дифференцирования и умножения
сигналов (
а
) и мультиплексора (
б
) 
Подадим на входные электроды в отдельности или на оба 
сразу напряжение, соответствующее логической единице. Воз-
никающий зарядовый пакет также будет иметь величину, соот-
ветствующую логической единице (рис. 4.18). С любого из 
входов
X
1
или
Х
2
зарядовый пакет
,
благодаря зарядовой связи пе-
ремещается под общий электрод и далее индицируется как ло-
гическая единица. Если же логическая единица подается сразу 
на оба входа, то на общем электроде будет удвоенный заряд. 
Для преобразования такого удвоенного зарядового пакета в за-
рядовый пакет, соответствующий логической единице, форми-
руется регулируемый сток заряда. Он отделяется от потенци-
альной ямы под общим электродом с помощью потенциального 
барьера в виде ионно-легированной области. 
Высота барьера выбирается такой, чтобы в потенциальной 
яме оставался зарядовый пакет, строго соответствующий логи-
ческой единице. Стоком является обратносмещенный 
р-п
-
переход. 
На рис. 4.18, 
а
представлена логическая ПЗС-ячейка, вы-
полняющая операцию логического сложения (ИЛИ). 

---

146 
Логическая ячейка для операции логического умножения 
(И) строится аналогично ячейке типа ИЛИ. За время действия 
напряжения фазы 
Ф
1
потенциальные ямы образуются под элек-
тродами 
D
и 
С
. Под электрод
С
заряд попадает только в том 
случае, если на оба входа 
X
1
и
Х
2
подаются одновременно заря-
довые пакеты, соответствующие логической единице. По окон-
чании действия фазового напряжения
Ф
1
начинает действовать 
напряжение
 Ф
2
. 
Этим напряжением зарядовый пакет перемеща-
ется на выход из-под электрода С, а из-под электрода
D
перево-
дится в обратносмещенную область и затем экстрагируется. По 
такому принципу конструируются логические ячейки, выпол-
няющие комбинацию логических функций. Малые размеры ло-
гических ячеек позволяют формировать сложные арифметико-
логические устройства. 
Рис. 4.18. Логические ПЗС-ячейки:
 а
- схема реализации
функции ИЛИ;б - функции И