PostHeaderIcon ПРЕДУСИЛИТЕЛИ И СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ЯЧЕЕК СХЕМ СЧИТЫВАНИЯ

Чтобы обеспечить прием сигналов, соответствующих большим перепадам освещен­ности в изображении, и необходимые пределы корректировки неоднородностей чувст­вительности отдельных элементов МПИ, транзисторный предусилитель схемы считы­вания должен иметь достаточно большой динамический диапазон усиления. Обычно именно предусилитель является основным источником шума схемы считывания, зави­сящего от сопротивления источника входного сигнала — чувствительного элемента МПИ.

Наиболее распространенные схемы включения чувствительных элементов на вход предусилителей представлены в табл. 10.1 [151]. В силу разнообразия типов приемни­ков излучения чувствительный элемент МПИ в табл.10.1 изображен в виде кружка.

Схема 1, в которой заряды накапливаются на собственной емкости приемника, наи­более проста и содержит наименьшее число элементов. Выборка сигнала происходит в моменты замыкания ключа мультиплексора, т. е. когда в конце каждого кадра накопи­тельная емкость «очищается». Эквивалентная шумовая схема включения такого преду­силителя показана на рис. 10.2, где Яэ, Сэ — сопротивление и емкость элемента МПИ; RBX, Свх — входное сопротивление и емкость усилителя; Уш, /ш — генераторы, модели­рующие шумовые напряжение и ток.

Вместо полевого МОП-транзистора в предусилителе могут использоваться полевые транзисторы с управляющим />-и-переходом или биполярные транзисторы, первые — при необходимости получить малое значение эквивалентного шумового тока /ш (для высокоомных приемников, например для кремниевых фотодиодов, приемников на базе силицида платины), а вторые — малое значение эквивалентного шумового напряжения (для низкоомных приемников, например, фоторезисторов на базе КРТ).

Таблица 10.1

Типовые схемы предусилителей, применяемых в схемах считывания сигналов ФПУ

ПРЕДУСИЛИТЕЛИ И СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ЯЧЕЕК СХЕМ СЧИТЫВАНИЯ

Схема 2 с буферным усилителем после приемника позволяет с помощью мульти­плексора считывать сигналы в виде на­пряжений, а не токов, как в схеме 1. В простейшем случае в качестве буферного усилителя может быть использован рези­сторный трансимпедансный усилитель (РТУ), преобразующий входной сигнал в виде тока в напряжение на выходе. Этот усилитель не накапливает заряд во время кадра, а выдает непрерывный сигнал в ви­де напряжения, амплитуда которого про­порциональна входному току (фототоку).

Рис. 10.2. Эквивалентная схема включения элемента на вход СС

подпись: 
рис. 10.2. эквивалентная схема включения элемента на вход сс
Если ранее РТУ в виде отдельного элемента мог использоваться в системах с относи­тельно небольшим числом элементов МГТИ, то в настоящее время РТУ, изготавливае­мые виде на одном чипе со схемой выборки и хранения сигналов и мультиплексором, успешно применяются в ФПУ больших форматов.

При выборе параметров схемы с РТУ важно подобрать такое сопротивление в цепи обратной связи, которое одновременно обеспечивает минимальный тепловой шум и достаточный коэффициент усиления схемы.

ПРЕДУСИЛИТЕЛИ И СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ЯЧЕЕК СХЕМ СЧИТЫВАНИЯ

Рис. 10.3. Схема выборки и хранения, обеспечивающая запоминание кадра в ячейке

подпись: рис. 10.3. схема выборки и хранения, обеспечивающая запоминание кадра в ячейке

5 сх £ о Я о

4> ЬЙ М и

* К

* Е ю я

О й

СО Е?

Г — 2 § § « ^ г

подпись: 5 сх £ о я о
4> ьй м и
* к
* е ю я
о й
со е?
г- 2 § § « ^ г
Наличие ключа в цепи приемника объясняется тем, что мультиплексор не может снимать сигнал через буферный усилитель. Аналогичная, но более подробная схема на рис. 10.3 состоит из транзисторного ключа сброса, истокового повторителя и ключа выбора строк. В этой схеме коэффициент усиления истокового повторителя на полевом МОП-транзисторе выбирается близким к единице, т. е. здесь, как и в схеме 1, не проис­ходит усиления сигнала в ячейке накопления. Накопительная емкость определяется ем­костью чувствительного элемента МПИ и входной емкостью транзисто­ра-повторителя. Такая схема эффек­тивна при малом сопротивлении при­емника, когда его вклад в общий шум пренебрежимо мал.

Иногда для обеспечения широкой полосы пропускания, что важно, на­пример, для работы со слабыми сиг­налами в средневолновом ИК-диапа- зоне, используется не резисторный трансимпедансный усилитель, а емко­стной [102].

В обеих рассмотренных схемах (1 и 2 табл. 10.1) напряжение смещения на элементе МПИ изменяется в про­
цессе накопления зарядов. Это приводит к нелинейности выходной характеристики (напряжения на выходе схемы) в тех случаях, когда выходной сигнал приемника зави­сит от напряжения смещения.

В схеме на рис. 10.3 ячейка считывания содержит только три транзистора, что по­зволяет сделать ее размеры небольшими и применять в ФПУ больших форматов.

Несмотря на то, что КМОП-технология, используемая при изготовлении таких схем, хорошо освоена, следует учитывать, что в этом случае шумы считывания сравнительно велики, поскольку из-за интегрирования чувствительного элемента со схемой считыва­ния невозможна двойная коррелированная выборка (см. §10.4). Кроме того, в таких схемах может возникнуть проблема так называемой задержки изображений, хотя суще­ствуют и способы ее разрешения [161].

В схеме 3 (см. табл. 10.1) предусилитель с большим коэффициентом усиления охва­чен цепью емкостной обратной связи, в которой и происходит накопление заряда. Из­менение заряда приводит к небольшим изменениям сигнала на входе дифференциаль­ного усилителя. Это позволяет стабилизировать напряжение смещения в цепи прием­ника и линеаризует рабочую характеристику схемы. Поскольку в такой схеме коэффи­циент усиления регулируется цепью обратной связи, а не приемника, здесь можно ис­пользовать большое усиление сигнала перед его мультиплексированием. Однако схема требует гораздо больше места в чипе, чем две первые.

Схема 4 с прямой инжекцией предназначена для работы с низкоомными приемни­ками излучения. Используемый в ней полевой МОП-транзистор помогает сохранить напряжение смещения постоянным. Накапливаемый заряд интегрируется на емкости, включенной в цепи стока транзистора и определяющей коэффициент усиления, кото­рый, как и в схеме 3, может быть сделан достаточно большим. Эта схема, по своей компактности уступающая только схеме 1, давно используется как входная для ПЗС — матриц при средних и больших облученностях МПИ, когда обеспечивается стабильное напряжение смещения на приемнике. В разработках компании «Рауйгеоп» емкость от­дельной ячейки СС достигает 5 • 107 электрон. Разрабатываются схемы с емкостью до 108 электрон [99]. При малых уровнях тока на выходе приемника входной импеданс схемы резко возрастает, что приводит к нестабильности смещения до нескольких де­сятков милливольт, увеличивающей геометрический шум таких ФПУ и неоднород­ность темновых токов отдельных элементов, а также к снижению числа накапливаемых зарядов.

Схема 5 с прямой инжекцией, усиленной с помощью обратной связи, включает ин­вертирующий усилитель, помещенный между цепью приемника и затвором МОП — транзистора. Это уменьшает входной импеданс при работе с фоном, создающим малую облученность, что и определяет область применения этой схемы. Как и в схеме 1, на выходе схем 4 и 5 может быть включен буферный усилитель для преобразования сиг­нала в виде тока (заряда) к напряжению.

При очень больших облученностях приемника не удается собрать все образующиеся заряды в одну ячейку с ограниченной емкостью (вместимостью). В таких случаях сум­мируемый заряд перед интегрированием необходимо ограничить предусилителем тока с нагрузкой в виде МОП-транзистора, источником питания которого служит приемник (см. схему 6, иногда называемую схемой с зеркальным отображением). В схеме 7 с на­грузочным сопротивлением в цепи приемника решается та же задача, т. е. уменьшается заряд, поступающий на вход полевого МОП-транзистора и накапливаемый на интегри­рующей емкости. К сожалению, схемам 6 и 7 присуща та же нестабильность напряже­ния смещения, что и схемам с прямой инжекцией.

Схема 8 подобна схеме 3, но здесь емкость обратной связи и ключ заменены рези­стором, а заряд, образующийся в приемнике, не накапливается непрерывно, а снимает­ся в виде пропорционального ему выходного напряжения. Поскольку при этом не про­исходит «очистки» ячейки после съема (выборки) сигнала, верхний предел частотной характеристики такой схемы ограничен. Кроме того, в ней необходимо использовать высокоомную обратную связь для получения достаточно большого усиления, такого, например, как в схеме 3. Большое сопротивление резистора обратной связи требует увеличения его площади для уменьшения 1/^шума и дрейфа, что сопровождается уве­личением площади ячейки схемы считывания и затрудняет увеличение разрешения и формата ФПУ.

Ряд рассмотренных схем более подробно проанализирован в [122, 151]. В [122] при­водятся формулы и график для расчета и выбора уровня шума (среднего квадратиче­ского значения числа «шумовых» электронов), интегрирующей емкости, коэффициен­тов преобразования «заряд (фотоэлектроны) — напряжение» и некоторых других пара­метров СС в зависимости от отдельных параметров элементов, входящих в состав рас­смотренных схем.

Многие фирмы, ведущие разработку МПИ и ИКС на их основе, выпускают стан­дартные схемы считывания. В качестве примера в табл. 10.2 приводятся технические характеристики стандартных микросхем считывания компании «Indigo Systems» (США), которые могут использоваться с МПИ на основе InSb, KPT, ФКЯ и работать в режимах как одновременного накопления, так и последовательного накопления и счи­тывания. Считывание, направление которого по строкам и столбцам может изменяться на противоположное, может осуществляться как для всех пикселов, так и для части кадра (субкадровые режимы). При этом части пикселов задается формат и положение субкадра. Число выходов может устанавливаться равным 1, 2 или 4. Во всех микросхе­мах можно регулировать напряжения смещения приемников, коэффициенты усиления и вычитать из тока всех пикселов постоянное значение. Микросхемы имеют встроен­ный температурный датчик и могут работать в интервале температур 80…300 К.

Для всех этих микросхем предусмотрены режим фиксирования мгновенного состоя­ния, умножение на 1; 1,3; 2; 8, а также два режима накопления: «накопление при счи­тывании» (Opt. l) и «накопление, а затем считывание» (Opt.2). Коэффициент усиления можно регулировать в диапазоне двух бит. Режимами считывания являются инвертиро­вание (строк), реверсирование (столбцов), инверсия (строк-столбцов) и повтор строк. Для управления напряжением смещения на чипе используют напряжение смещения датчика (7 бит), а также регулировку напряжений питания (2 бита) и основного смеще­ния (3 бита). Кроме того, все микросхемы имеют эталонный выход.

Технические характеристики стандартных микросхем

Характеристики

КС 9801 Орг. 1-2

КС 9806 Ори-2

Формат матрицы

128×128

128×128

Шаг пикселов, мкм

30

38

Время накопления, мкс

>5

>5

Рабочая температура, К

80 (до 310)

80 (до 310)

Входная цепь

Прямая инжекция

Прямая инжекция

Полярность входа

Р-на-«

Р-на-п

Диапазон смещения на датчике, В

-0,15

…0,5

-0,15.

.0,5

Разрешение смещения на датчике, мВ

<

5

/?оА т (миним.), Ом-см

1хЮ3

1хЮ3

Емкость датчика (максимальная), пФ

0,5

0,5

Варианты схем

ОрМ

Ор1.2

Ори

Ор1:.2

Объем хранения:

1 (при минимальном усилении)

6,9-10б

18-106

6,9-10б

39-10б

2

5,2-10б

13-Ю6

5,2-10б

29-106

3

3,4-10б

8,8-10б

3,4-10б

19-106

4 (при максимальном усилении)

1,9-10б

4,9-10б

1,9-10б

10-106

Входной ток:

Минимальный, пЛ

20

20

Номинальный, нЛ

1

1

Максимальный, нА

10

10

Минимальное время накопления, мкс

5

Варианты схем

ОРи

Ор1:.2

Ори

ОрО

Среднее квадратическое значение шума, электрон, при усилении:

Минимальном

<450

<1200

<450

<1500

Максимальном

<300

<1100

<300

<1400

Выходное напряжение, В

3

3

Выходной интерфейс:

/?, кОм

>100

>100

С, пФ

25

25

Рабочая частота пикселов, мГц

10

10

Полная частота кадров, Гц:

1 выход

480

480

2 выхода

800

800

4 выхода

1200

1200

Мощность, мВт:

1 выход

25

25

4 выхода

105

105

* Рассчитанное значение

ISC 9705

ISC 9803 Opt. 1-2

ISC 9901 Opt. 1-2

18С 9809

320×256

640×512

640×512

320×256

30

25

20

30

>5

>9,6

>100

>0,5

80 (до 310)

80 (до 310)

80 (до 310)

80 (до 310)

Прямая инжекция

Прямая инжекция

Прямая инжекция

СПА

Р-на-«

Р-на-п

Р-иа-п

Р-на-п или п-на-р

-0,1…0,5 0,5 (вплоть до 0,8)

0..

0,5

0..Д5

0…2,5

5

5

5

Внешнее управление

1*103

1хЮ3

1х103

1хЮ3

0,5

0,5

0,5

0,1

Opt. l

Opt.2

Opt. l

Opt.2

18-106

13.5- 106 9-10б

4.5- 10б

11,2-10* 8,4-10б 5,6-10б 2,8-106

3,2-106 2,4-106 1,6-10* 0,8-10б

7-10б 5,2-106 3,5-106 1,8-10*

3-106 2,3-106 1,5-106

0,75-10*

3,5 106 Отсутствует Отсутствует 170-10

20

1

10

1

1

10

1

1

10

Отсутствует Отсутствует Зависит от /н

5

9,6

«100

0,5

Opt. l

Opt.2

ОРи

Ор1.2

<1800

<1300

<550

<350

<250

<250

<350

<200

<300*

<300*

<700

<70

3

2,5

2,5

2,8

>100

25

>100

25

>100

25

>500

25

10

10

10

10

110

202

346

30

58

107

30

55

97

110

201

346

30

120

90

180

90

180

90

150

Таблица 10.2

Считывания компании «Indigo Systems»

подпись: считывания компании «indigo systems»

Приведенные в табл. 10.2 значения шумов соответствуют средним квадратическим числам шумовых электронов в секунду. Измерение и анализ среднего квадратического значения шума проводились для рабочей температуры 80 К, за исключением микро­схем ISC 9809, для которых шум измерялся при времени накопления (интегрирования) tH= 16 мс и температуре 300 К.

Технические характеристики (требования) схем считывания, разрабатываемых компаний «ЯауМеоп ШСоЕ» [99]

подпись: технические характеристики (требования) схем считывания, разрабатываемых компаний «яаумеоп шсое» [99]В [99] проведен анализ требований, предъявляемых к схемам считывания различных МПИ. Параметры этих схем, разрабатываемых компанией «Raytheon IRCoE» приведе­ны в табл. 10.3.

Рабочая температура, К

10…300

80…300

2…70

Формат, пиксел

432×432

256×256

128×128

640×480

256×256

128×128

2052×2052

1024×1024

512×512

320×320

256×256

Наименьшие размеры ячейки, мкм

30×30

<25×25

27×27

Динамический диапазон входных сигналов, дБ

72

84…90

86

Нелинейность, %

<3

<0,3

<1

Шум считывания, электрон

<35

<1000

<20 (слабый фон) <1000 (мощный фон)

Мощность рассеяния, мВт

-100

5…250

0,3 (слабый фон) <100 (мощный фон)

Неоднородность коэффициента усиления, %

1

1

1

Коэффициент перекрестных электрических связей, %

<0,1

<0,1

<0,1

Максимальная частота кадров, Гц

120

300

500

Максимальная частота выходного сигнала, МГ ц

10

12

2,5

Максимальная выходная емкость, пФ

200

50

600

Таблица 10.3

Компанией «Raytheon ЖСоЕ» разработаны схемы считывания для резисторных и диэлектрических болометров [99]. Форматы этих схем — 320×320 пикселов размером 25 и 50 мкм, а мощность рассеяния — менее 100 мВт. Неохлаждаемые ФПУ, работающие с этими схемами в составе ИКС с К— 1 и — Рк — 30 Гц, имеют ЛТП < 10 мК для пиксела раз­мером 50 мкм и АТ„ < 50 мК для пиксела размером 25 мкм.

В [99] сообщается о том, что компания «РауШеоп ШСоЕ» создала опытные образ­цы оптических схем для параллельной передачи информации, потребляющие малую

Мощность (0,02 мВт на 106 пикселов), обеспечивающие высокую скорость обработки данных (100 Мб/с) и работающие при температуре 80 К. Назначение таких схем — эф­фективная передача сигналов из охлаждаемого объема (дьюара с ФПУ) к неохлаждае — мым электронным блокам для последующей их обработки. Схемы используют матрицу полупроводниковых лазеров. Драйвер лазера преобразует напряжение сигнала, посту­пающего на его вход, в ток, модулирующий поток, излучаемый лазером.

Оставить комментарий

..

Ноябрь 2018
Пн Вт Ср Чт Пт Сб Вс
« Мар    
 1234
567891011
12131415161718
19202122232425
2627282930  

Мастерская Своего Дела - msd.com.ua