СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ШУМА УЗЛОВ МФПУ
METHOD TO MEASURE NOISE LEVEL OF MPD UNITS

Изобретение относится к способам измерения параметров многоэлементных фотоприемных устройств (ФПУ), работающих в режиме накопления. Эти устройства работают в диапазонах 0,2-0,4 мкм, 0,4-0,9 мкм, 0,5-0,65 мкм, 0,8-1,1 мкм, 1-2,8 мкм, 3-5 мкм, 8-12 мкм и далее вплоть до 100-150 мкм.
ФПУ включают два основных узла, которые определяют параметры фоточувствительных элементов (ФЧЭ):
1 - Матрица фоточувствительных элементов (МФЧЭ);
2 - Кремниевый мультиплексор - большая интегральная схема (БИС).
МФЧЭ может включать более 1000000 ФЧЭ, которые должны иметь близкие параметры и осуществлять преобразование падающего на них излучения в фототок. БИС должна иметь такое же количество ячеек, скоммутированных поэлементно с МФЧЭ, и выполнять накопление фототоков с ФЧЭ, преобразование накопленных зарядов в напряжение, поэлементное считывание, предварительное усиление и вывод стандартизованных по диапазону изменений сигналов с заданной частотой кадров. Современные мультиплексоры-процессоры кроме этого осуществляют преобразование выходных сигналов из аналоговой формы в цифровую форму и осуществляют предварительную цифровую обработку этих сигналов. Рабочая температура МФЧЭ и БИС может быть и достаточно низкой, в случае работы в инфракрасном (ИК) диапазоне, чтобы снизить обратные токи ФЧЭ.
Производство ФПУ направлено на получение устройств с заданным фотоэлектрическим параметром, характеризующим его качество.
Таким параметром может быть пороговая облученность (NEI), или пороговая мощность (NEP), или удельная обнаружительная способность (D*), или пороговая разность температур (NETD).
Для производства годных ФПУ необходимо, чтобы величина заданного фотоэлектрического параметра удовлетворяла техническим требованиям (ТТ) или техническим условиям (ТУ). ФПУ, не удовлетворяющее требованию, считается дефектным и поставке не подлежит. В этом случае выпуск и дальнейшая поставка ФПУ останавливается до выяснения причин возникновения дефектов и принятия мер по их устранению, подтвержденному положительным результатом испытаний ФПУ с устраненным дефектом.
В этом случае нам требуется достаточно быстрый и корректный метод определения места возникновения дефектов и причин их возникновения.
Все вышеуказанные параметры являются пороговыми, т.е. определяются уровнем шума ФПУ. В дефектном ФПУ уровень шума будет повышенным. Шум ФПУ складывается из шума ФЧЭ и шума БИС. Следовательно, повышенным будет или шум МФЧЭ, или шум БИС, или оба шума.
В результате возникает необходимость раздельного определения уровня шумов МФЧЭ и БИС.
Известен метод измерения шума ФПУ, описанный в разделе 1.8 ГОСТ 17772-88.
В указанном методе необходимо измерить уровень шума измерительного стенда и суммарный уровень шума измерительного стенда и ФПУ, а затем определить уровень шума ФПУ в соответствии с формулой (19) ГОСТ 17772-88.
ш1
где U - напряжение шума без подачи напряжения питания ФПУ (напряжение шума стенда), В;
ш2
U - напряжение шума при подаче напряжения питания ФПУ (суммарное напряжение шума стенда и ФПУ), В;
ш
U - напряжение шума ФПУ, В.
Указанный метод не позволяет раздельно измерить шум МФЧЭ и шум БИС.
Задачей заявляемого способа является раздельное измерение величин шума МФЧЭ и шума БИС.
ш1
ш2
ш
Технический результат достигается тем, что в известном способе измерения шума узлов ФПУ, включающем измерение напряжения шума U с выключенным напряжением питания ФПУ, измерение напряжения шума U с включенным напряжением питания и заданным временем накопления ФПУ, и расчет напряжения шума ФПУ U по формуле
ш3
шМФЧЭ
шБИС
дополнительно измеряют напряжение шума U с включенным напряжением питания и нулевым временем накопления ФПУ, и рассчитывают уровень шума МФЧЭ U и БИС U по следующим формулам:
Сущность заявляемого способа состоит в следующем.
Шумы измерительного стенда и ФПУ являются некоррелированными. Тогда суммарный шум системы, включающей измерительный стенд и работающее ФПУ с заданным временем накопления τ, описывается выражением
а шум системы, включающей измерительный стенд и выключенное ФПУ, - выражением
Тогда шум работающего ФПУ с заданным временем накопления τ будет равен
Шум работающего ФПУ с заданным временем накопления τ является суммой шума БИС мультиплексора и МФЧЭ. Эти шумы также некоррелированные, поэтому их сумма описывается следующим выражением:
Если установить время накопления ФПУ равным нулю, то МФЧЭ будет изолировано от БИС. В этом случае шум ФПУ будет равен шуму БИС. Тогда суммарный шум системы, включающей измерительный стенд и ФПУ, работающее с нулевым временем накопления, будет описываться формулой
Из этого выражения мы получим формулу, описывающую величину шума БИС мультиплексора
и величину шума МФЧЭ,
В качестве примера реализации рассмотрим ФПУ формата 4×288 на основе фотодиодов из КРТ. МФЧЭ включает 8 линеек, расположенных в соответствии с топологией, представленной на фиг.1.
ш1
ш2
ш3
На автоматизированном стенде измерения параметров ФПУ были произведены измерения шумов в соответствии с заявленным способом. Измерение длилось 10 минут. Шум каждой ячейки ФПУ автоматически измерялся 1024 раза. Затем автоматически проводилось вычисление среднего значения шума каждой ячейки и значения средних шумов по линейкам и ФПУ. Средние значения измеренных напряжений шумов U, U, U приведены в таблице. Там же приведены рассчитанные значения шумов ФПУ, БИС и МФЧЭ.
Таблица
U<sub>ш1</sub>; мВ
U<sub>ш2</sub>; мВ
U<sub>ш3</sub>; мВ
U<sub>шФПУ</sub>; мВ
U<sub>шБИС</sub>; мВ
U<sub>шМФЧЭτ</sub>; мВ
0,106
0,247
0,173
0,223
0,137
0,176
Заявленный способ компьютеризирован и позволяет провести измерения шума за короткое время с высокой точностью. По этой причине полезность его также не вызывает сомнений.
Заявленный способ позволяет также измерять шум каждой ячейки ФПУ, каждой ячейки БИС и каждого ФЧЭ.
На фиг.2 и 3 приведены графические результаты измерений шумов ячеек ФПУ, ячеек БИС и ФЧЭ в единицах АЦП по всем линейкам ФПУ, которые также автоматически получаются при использовании заявляемого способа.