А. Гольдшер, В. Кучерский, Б. Юргаев

БИС синхронизации и управления фотоприемными устройствами

Описаны быстродействующие БИС синхронизации и управления твердотельными линейными и матричными фотоприёмными устройствами оптико-электронных, в частности, тепловизионных систем.

Введение

Тепловидение, позволяющее воспринимать информацию за пределами спектральной чувствительности зрения, является одним из приоритетных направления развития современной науки и техники. Однако его развитие в нашей стране долгое время сдерживалось по ряду причин, одна из которых, в частности, была связана с отсутствием электроники вывода информационных сигналов с фотоприёмника (ФП) и их последующей обработки.

Плата управления фотоприёмным устройством (ФПУ) обычно включает:

• генератор тактовых импульсов с управляемым делителем частоты;
• формирователь системы управляющих и синхронизирующих последовательностей импульсов;
• преобразователь уровня импульсных сигналов.

Недостатки реализации названных функциональных модулей на основе микросхем общего назначения очевидны — увеличение массогабаритных показателей аппаратуры, снижение её надёжности, рост стоимости. В качестве преобразователей уровней используются микросхемы (ИС) серии 1119 [1-2]. БИС синхронизации и управления (БИС СУ) являются специализированными, поскольку каждая из них "привязана" к конкретной временной диаграмме (ВД), определяемой типом используемого ФП. Анализ ФП большинства типов показывает, что для управления ими необходимы БИС СУ, формирующие выходные сигналы, соответствующие как ТТЛ-, так и КМОП-уровням.

Цифровой базовый матричный кристалл (ЦБМК) серии 1589 [3] обеспечи вает, в отличие от известных ранее МТТЛШ БМК, возможность создания на его основе БИС, сопрягаемых как с ТТЛ-, так и КМОП-микросхемами. На его основе к настоящему времени разработаны и освоены в производстве БИС СУ серии 1589ХМ1, описанные ниже.

БИС 1589ХМ1-02 для синхронизации и управления ФПУ на основе ФП линейчатого типа

Рисунок 1. Структурная схема БИС 1589ХМ1-02

Структурная схема БИС приведена на рис. 1. Она содержит следующие функциональные блоки:

• формирователь управляющих и синхронизирующих последовательностей импульсов (набор из 7 серий), обеспечивающих вывод информационных сигналов с фотоприёмной линейки;
• формирователь признака канала памяти, предназначенный для формирования сигналов "Признак канала памяти", а также для управления счётчиком адреса в режиме внешнего управления;
• 8-разрядный счётчик адреса, предназначенный для формирования адреса как при внутреннем, так и при внешнем управлении.

Основу приведённых функциональных блоков составляют многоразрядные счётчики импульсов с различными коэффициентами деления, многовходовые дешифраторы, анализирующие состояние счётчиков и выделяющие сигналы в нужные моменты времени, регистры и простые комбинационные схемы. Они реализованы на микро- и макроэлементах БМК серии 1589ХМ1 [3].

Разработка принципиальных электрических схем БИС велась путём компьютерного моделирования с использованием пакета программ P-CAD. Моделирование осуществлялось в условиях максимального приближения режимов работы БИС к реальным, то есть учитывались временные параметры входных, базовых, микро-, макро- и выходных элементов в наихудших условиях эксплуатации.

Состав входных сигналов управления, их условные обозначения и назначение приведены в табл. 1.

Уровни входных сигналов — КМОП, ТТЛ.

Таблица 1. Состав входных сигналов управления, их условные обозначения и назначение

Краткое описание работы БИС

Режимы работы и условия формирования выходных сигналов микросхемы приведены в табл. 2.

Таблица 2. Режимы работы и условия формирования выходных сигналов БИС

Тип выходных сигналов F1...F4, R, A0...A7, CH1, CH2 — TTL; Ft, Ft’, Fk, Fk’ — KMOП.

Частота следования выходных серий синхроимпульсов изменяется прямо пропорционально изменению частоты следования входных (опорных) импульсов. Стабильность коэффициента пропорциональности зависит от стабильности частоты тактовых пусковых импульсов. Максимальная опорная частота импульсов FОП = 20 МГц. В БИС предусмотрена возможность реализации генератора опорных импульсов (ГОИ) непосредственно в её составе. Электрическая схема ГОИ, выполненного на выходных периферийных элементах БМК 1589ХМ1, приведена на рис. 2.

Рисунок 2. Принципиальная электрическая схема генератора опорных импульсов

Временные диаграммы работы БИС 1589ХМ1-02 приведены на рис. 3 и 4.

Рисунок 3. Временная диаграмма работы БИС 1589ХМ1-02. Формирование сигналов F1...F4, R, A0...A7, Ft и Fk

Значения управляющих входных сигналов при различных режимах работы БИС приведены в табл. 3-6.

Формирование R0 производится на фронте нарастания напряжения питания U_CC1 = 5 В.

Задаванием различных значений управляющих входных сигналов и режимов работы обеспечивается формирование всех выходных сигналов соответствующих ВД, показанных на рис. 3 и 4.

Статические параметры БИС серии 1589ХМ1 приведены в табл. 7.

Рисунок 4. Временная диаграмма работы БИС 1589ХМ1-02. Формирование сигналов CH1 и CH2; A0...A7 при M01=0

Таблица 3. Автономный режим работы при внутреннем управлении

R0*	MO0	MO1	C0	C1	ST	D1... D8
	"0"	"1"		"0"	"0"	00000010 (мин. F4) 11111111 (макс F4)

*) R0 — единичный импульс (импульс сброса).

Таблица 4. Ждущий режим работы при внутреннем управлении микросхемы

R0	MO0	MO1	C0	C1	ST	D1... D8
	"1"	"1"		"0"		00000010 00000010

Таблица 5. Автономный режим работы при внешнем управлении микросхемы

R0	MO0	MO1	C0	C1	ST	D1... D8
	"0"	"0"			"0"	00000010 11111111

Таблица 6. Ждущий режим работы при внешнем управлении микросхемы

R0	MO0	MO1	C0	C1	ST	D1... D8
	"1"	"0"				00000010 11111111

Таблица 7. Статические параметры БИС серии 1589ХМ1

БИС 1589ХМ1-03, 1589ХМ1-04 для синхронизации и управления ФПУ матричного типа

Структурные схемы БИС обоих типов идентичны (рис. 5). Они содержат: 7-разрядный делитель управляющей частоты CM (F_ГЕН); селектор-мультиплексор 8–1 для выбора одного из 8 выходов делителя; формирователь 9 управляющих и 3 синхроимпульсов. Однако "Формирователь управляющих и синхронизирующих импульсов" в каждой из БИC выполнен с использованием различных функциональных узлов, что обусловлено разным количеством фоточувствительных элементов в матрице ФП.

Рисунок 5. Структурная схема БИС 1589ХМ1-03 и 1589ХМ1-04

Состав и назначение входных сигналов:

• Cм (F_ГЕН) - тактовая управляющая частота, не более 16 МГц;
• А0...А2 - код выборки одного из 8 выходов делителя управляющей частоты;
• DRD0, DRD1 - код рассогласования фаз сигналов FRD1 и FRD2;
• DM0, DM1 - код рассогласования фаз сигналов FM1 и FM2;
• R - сигнал сброса микросхемы в начальное состояние (сигнал обнуления).

Состав и назначение выходных сигналов:

• FRD1,2,3 - фазные импульсы управления регистром считывания;
• FM1,2,3 - фазные импульсы управления регистром управления;
• C01 - импульс управления питания затворов нечётных матричных ключей;
• C02 - импульс управления питания затворов чётных матричных ключей;
• СCM - импульс управления ключами подключения столбца;
• C1 - импульс синхронизации элементный, 1;
• C2 - импульс синхронизации элементный, 2;
• CK - импульс синхронизации кадровый.

Уровни и тип входных и выходных сигналов:

• входных - CM, А, DRD, DM, R — ТТЛ;
• выходных - FRD, FM, C01, C02, Ccm — КМОП;
• выходных - C1, C2, CK — ТТЛ.

Формирователь выходных управляющих и синхронизирующих импульсов, входящий в состав микросхемы, работает на тактовой частоте Fd, которая равна входной тактовой частоте F_CM (F_CM = 1/Tсм, где Tсм — период следования тактовых импульсов) или она уменьшена в 2n раз, в зависимости от входного кода на входах А0…А2 (где n = 0…7). Значения тактовой частоты Fd, в зависимости от кода А0…А2, приведены в табл. 8.

Таблица 8. Значения тактовой частоты Fd

Временные диаграммы работы БИС 1589ХМ1-03 показаны на рис. 6-8. На рис. 6 - ВД формирования выходных сигналов FRD1, FRD2, C1 и C2, а на рис. 7 и 8 - формирования строчных и кадровых синхронизирующих импульсов. Фазовые соотношения выходных управляющих сигналов приведены на рис. 9.

Рисунок 6. Временная диаграмма формирования двух полутактов (периода) выходных сигналов FRD1, FRD2 и синхросигналов С1 и С2

Рисунок 7. Временная диаграмма формирования строчных синхроимпульсов

Рисунок 8. Временная диаграмма формирования кадровых синхроимпульсов

Рисунок 9. Фазовые соотношения выходных управляющих сигналов

В зависимости от значения кода на входах микросхемы DRD0, DRD1 (DM0, DM1), можно изменить задержку рассогласования фаз сигналов FRD1 и FRD2 FM1 и FM2). Задержка рассогласования кратна средней задержке распространения стандартного вентиля БМК 1589ХМ1.

Качественно ВД БИС 1589ХМ1-04 аналогичны показанным на рис. 6-8. Количественные фазовые соотношения в них различны.

Статические параметры БИС 1589ХМ1-03, 1589ХМ1-04 идентичны приведённым в табл. 7.

Конструктивно-технологические особенности ЦБМК серии 1589ХМ1 описаны в [3]. Топологии всех типов БИС защищены охранными документами (свидетельствами) об официальной регистрации, что подтверждает их новизну и оригинальность. Ряд используемых технологических и схемотехнических решений представляет собой "ноу-хау".

Применение разработанных БИС в электронных модулях тепловизионной аппаратуры различного целевого назначения позволит улучшить её массогабаритные, передаточные, частотные характеристики, повысить надёжность, радиационную стойкость и снизить стоимость. В частности, использование БИС 1589ХМ1-02 в одной из перспективных тепловизионных систем позволило заменить 28 микросхем средней степени интеграции.

Дальнейшее развитие БИС для устройств синхронизации, управления и обработки изображения связаны с разработкой специализированного ЦБМК с использованием диэлектрической изоляции и транзисторных структур с малыми геометрическими размерами и малыми глубинами залегания p-n-переходов. Это позволит повысить быстродействие, существенно, более чем на порядок, снизить потребляемую мощность и улучшить технико-экономические показатели их производства.

Литература

1. Быстродействующие интегральные преобразователи уровней К 1119ПУ1, ПУ2 для управления микросхемами с зарядовой связью /А.И. Гольдшер, П.А. Дик, А.И. Лашков, В.Я. Стенин. Электронная промышленность, 1989. Вып. 2. С. 48–49.
2. Быстродействующие двухуровневые преобразователи для управления приборами с переносом заряда /А.И. Гольдшер, П.А. Дик, В.Р. Кучерский, В.С. Машкова. Электронная промышленность, 1993. Вып. 6-7. С. 35–37.
3. Гольдшер А., Юргаев Б. Цифровой базовый матричный кристалл К 1589ХМ1 // Инженерная микроэлектроника. 1999. № 3. С. 20–25.