Устройство детектирования лазерных импульсов в ячейке фотоприемной матрицы ИК-диапазона

Предназначено для использования в системах приема оптической информации с многоэлементных приемников и ее обработки средствами интегральной микроэлектроники.
Современное развитие микрофотоэлектроники требует поиска новых путей совершенствования схем обработки сигналов многоэлементных фотоприемников ИК-диапазона. Использование матричного фотоприемного устройства в дальномерном режиме позволяет определить линейные размеры наблюдаемых объектов, тогда как классические ФПУ дают представление только об угловых размерах и скоростях.
Известна схема дальномером в ячейке [Shimon Elkind, Elad Ilan, Roman Dobromislin; Detector Pixel Signal Readout Circuit and an Imaging Method Threof US 2012/0261553 A1], содержащая цепь интегрирования фототока, полосно-пропускающий фильтр, компаратор напряжения и триггер-защелку.
Данная схема как наиболее близкая к предлагаемому устройству принята за прототип.
Ее недостатками являются большие линейные размеры и невозможность работать с лавинными фотодиодами в качестве фоточувствительных элементов из-за опасности выхода схемы из строя вследствие электрического пробоя.
Техническим результатом предлагаемого устройства является уменьшение габаритов ячейки, введение защиты от пробоя высоким напряжением, возможность непостоянного использования компаратора, что позволяет увеличивать формат глубокоохлаждаемой фотоприемной матрицы и использовать лавинные фотодиоды.
Технический результат достигается за счет того, что в известное устройство, принятое за прототип, содержащее входной транзистор с затвором, соединенным с истоком этого транзистора через буфер, компаратор напряжения и триггер-защелку, введен резистор для защиты от пробоя схемы, сигнал на емкости накопления снимается с буфера, что позволяет получить внутреннее усиление в ячейке, также из схемы исключен трансимпедансный усилитель с емкостью в цепи обратной связи, его роль выполняет буфер, подключенный между истоком и затвором входного транзистора, накопление заряда как в тепловизионном, так и в дальномерном режимах; в компаратор введен дополнительный управляющий контакт для возможности отключения питания компаратора извне.
Суть заявляемого устройства поясняется рисунками.
На фиг. 1 приведена блок-схема устройства.
На фиг. 2 приведены временные диаграммы работы устройства в тепловизионном режиме.
На фиг. 3 приведены временные диаграммы работы устройства в дальномерном режиме.
Устройство работает следующим образом.
int
int
int
В тепловизионном режиме ключ К1 разомкнут, через вход IN течет ток от ИК-фотоприемника через резистор R в исток входного транзистора M1, затвор которого соединен истоком через буфер BUF, а сток подключен к интегрирующему конденсатору Cint через ключ К3, управляющий контакт которого подключен к входу INT. Во время подачи на вход INT напряжения высокого уровня этот конденсатор линейно заряжается фототоком, а для приведения в изначальное состояние периодически подключается к шине земли GND через ключ К4 с периодом накопления T. Этот процесс отображен диаграммой VINT(t) на фиг. 2. При подаче на вход READ импульса с периодом T ключ К2 замыкается и напряжение с емкости C переносится через повторитель "+1" на выход схемы.
int
int
В дальномерном режиме на вход INT подается напряжение низкого уровня, таким образом сток транзистора M1 подключается к шине GND ключом К3. На вход ST подается импульс напряжения высокого уровня, таким образом на выходе Q RS триггера TRIG формируется напряжение низкого уровня, что замыкает ключ К1. На вход RAMP подключается генератор постоянного тока, что обеспечивает линейный по времени заряд емкости C. В момент фиксации фотоприемником сигнала на входе IN возникает импульс напряжения, который, пройдя полосно-пропускающий фильтр BPF, вызывает срабатывание компаратора СОМР, один вход которого подключен к выходу фильтра, а другой - к внешнему входу VTH. При срабатывании компаратора на выходе триггера Q формируется напряжение низкого уровня, что приводит к размыканию ключа К1. Напряжение, сформированное к этому моменту на емкости C переносится на выход схемы аналогично тепловизионному режиму. Работа схемы проиллюстрирована на фиг. 3.
В заявляемом устройстве, по сравнению с прототипом, имеется существенное уменьшение габаритов, а также возможность использовать лавинные фотодиоды с большей чувствительностью.
Это достигается за счет того, что в отличие от прототипа:
1. В схему введен резистор для защиты от пробоя.
2. Из схемы исключен трансимпедансный усилитель с емкостью в цепи обратной связи.