Розділ 2. Вхідні пристрої схем зчитування. Cполучення ІЧ-фотодіодів та схем зчитування.
2.1. Вступ.
Перетворення інфрачервоного випромінювання в електричний сигнал потребує виваженої розробки вхідних пристроїв схем зчитування, які не повинні вносити значних додаткових шумів, мати мінімальні між елементні впливи, малу споживну потужність, стабільні робочі характеристики. Розв'язанню цих задач присвячено багато досліджень (див., напр., [24,27,30,31,54,55,56]).
Вхідні пристрої виконують функцію перетворення (узгодження) імпедансу інфрачервоних детекторів з колами обробки сигналу. Їх можна поділити по принципу перетворення сигналу на дві групи: чутливі до напруги та чутливі до струму. Якщо, інфрачервоні детектори мають високий динамічний опір то вони під'єднуються до високоімпендансних (напругочутливих) вхідних кіл. У той же час детектори з низьким динамічним опором під'єднуються до низькоімпендансних вхідних кіл (струмочутливих).
Звичайно використання HgCdTe фотодіодів, чутливих в діапазоні 8-12 мкм, з типовим значенням динамічного опору більшого за 100 кОм, відносяться до напругочутливих вхідних пристроїв, а для HgCdTe фоторезисторів з типовим значенням опору 100 Ом - до струмочутливих вхідних кіл.
2.2. Вимоги до вхідних кіл схем зчитування.
Головні вимоги до вхідних кіл перетворення імпедансу (схем зчитування) можуть бути сформульовані у наступному виді [24,27,57,58,59]:
1. Реалізація максимального коефіцієнту передачі сигналу (струму чи напруги) від детектора до кіл обробки сигналу;
2. Визначення оптимальної робочої точки детектора для забезпечення широкого динамічного діапазону оптичного сигналу;
3. Реалізація низької чутливості до розкиду електричних параметрів детекторів.
Існує багато модифікацій вхідних пристроїв сполучення інфрачервоних детекторів зі схемами зчитування інформації. Умовно їх можна поділити на 5 основних видів [26,27,29] (рис.2.1):
1. Схема з піксельним витоковим повторювачем (the source follower per detector (SFD) circuit). Використовується при низьких фонових випромінюваннях та низький кадровій розгортці (рис.2.1.а). Накопичення фотоструму відбувається на ємності детектора (діода) та паралельно підключеної до неї вхідної ємності керуючого транзистора витокового повторювача. При значних потоках випромінювання можливий вихід з лінійного режиму. Це потребує значного початкового зміщення на детекторі, що для багатьох детекторів (зокрема КРТ фотодіодів) неприпустимо.
2. Схема з модуляцією затвора (gate modulation (GM) circuit). Має токове підсилення (в деяких випадках ослаблення). Потребує обов'язкового високоомного навантаження для подачі напруги зміщення на фотодетектор, узгодженого з параметрами перетворювання оптичного потоку. Перетворює фотострум в напругу на ємності детектора та паралельно під'єднаної з нею вхідній ємності. Накопичує перетворений сигнал на вихідній ємності СS (рис.2.1.б). Оптимальна у короткохвильовому діапазоні інфрачервоного випромінювання (short wavelength IR (SWIR)), коли потрібен надвисокий вхідний опір.
Рис.2.1 Основні види вхідних пристроїв сполучення ІЧ фотодетекторів зі схемами зчитування:
а) схема з піксельним витоковим повторювачем; б) схема з модуляцією затвора; в) схема прямої інжекції; г) схема буферізованої прямої інжекції; д) схема з ємностним перетворюючим підсилювачем
3. Схема прямої інжекції (direct injection (DI) circuit) (рис.2.1.в). Найбільш поширена на наш час схема сполучення за рахунок простої конструкції та високих узгоджувальних характеристик. Використовується у середньо- та довгохвильовій частині ІЧ-випромінювання (medium and long wavelength IR (MWIR, LWIR).
4. Схема буферізованої прямої інжекції (buffered direct injection (BDI) circuit) (рис.2.1.г). Модернізована схема прямої інжекції з використанням підсилювача зворотнього зв'язку. Порівняно з попередньою їй притаманний більший коефіцієнт інжекції (близький до 1), менший рівень шуму МДП транзистора, більш широка смуга підсилення. Оптимальне використання - в довгохвильовій частині ІЧ-спектра та в середньохвильовій частині спектра при недостатнім охолоджені фотоприймача (при використанні термоелектричного охолодження), так як забезпечує стабілізацію напруги зміщення детектора та зміну вхідного імпедансу.
5. Схема з ємностним перетворюючим підсилювачем (або інтегруючим підсилювачем) (сapacitаnce transimpedance amplifier (CTIA) circuit) (рис.2.1.д). Являє собою інвертуючи й підсилювач з ємностним від'ємним зворотнім зв'язком (інтегруючий підсилювач). Накопичує сигнал на ємності зворотнього зв'язку, яка розряджається імпульсом розгортки. Використовується при малих потоках випромінювання, коли потрібна широка смуга пропускання сигналу. Найбільш поширена при низьких рівнях фонових випромінювань, наприклад, при астрономічних дослідженнях.
При аналізі можливостей застосування цих схем для різних завдань необхідно мати на увазі, що розвиток технології виготовлення детекторів на основі КРТ дозволяє в наш час отримувати високі параметри фотодіодів. Навіть для довгохвильової ІЧ-області спектру КРТ фотодіоди можуть мати питомий опір RoA ? 10 Ом•см2 при зворотньому зміщенні 50 - 100 мВ. У цьому випадку типовий фотодіод розміром А ? 30?30 мкм2 має динамічний опір не менш ніж R ? 107 Ом. Враховуючі це, можна провести оцінку та межі застосування деяких з вищезгаданих схем.
Схема з модуляцією затвора (рис.2.1.б) потребує присутності високоомного опору навантаження. В такій якості може працювати МДН транзистор, працюючий в підпороговому режимі, або спеціально спроектовані динамічні каскади, які забезпечують роботу з наноамперними струмами. Такі каскади досить складні самі по собі, потребують, як мінімум, два імпульсних сигнали. Вимоги, які висуваються до навантажуючого транзистора, який працює в підпороговій області, такі самі, як до транзистора прямої інжекції. Найбільш складна ситуація відбувається тоді, коли накопичення сигналу відбувається на вихідному конденсаторі Сs. Тоді необхідно виконати узгодження порогової напруги
- Київ+380960830922