Инфракрасные системы «смотрящего» типа

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

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).

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.

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.

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.

В [99] проведен анализ требований, предъявляемых к схемам считывания различных МПИ. Параметры этих схем, разрабатываемых компанией «Raytheon IRCoE» приведе­ны в табл. 10.3.

Компанией «Raytheon ЖСоЕ» разработаны схемы считывания для резисторных и диэлектрических болометров [99]. Форматы этих схем - 320x320 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.