СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ШУМА УЗЛОВ МФПУ Российский патент 2014 года по МПК G01R31/26 

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.

где U_ш1 - напряжение шума без подачи напряжения питания ФПУ (напряжение шума стенда), В;

U_ш2 - напряжение шума при подаче напряжения питания ФПУ (суммарное напряжение шума стенда и ФПУ), В;

U_ш - 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.

Технический результат достигается тем, что в известном способе измерения шума узлов ФПУ, включающем измерение напряжения шума U_ш1 с выключенным напряжением питания ФПУ, измерение напряжения шума U_ш2 с включенным напряжением питания и заданным временем накопления ФПУ, и расчет напряжения шума ФПУ U_ш по формуле

дополнительно измеряют напряжение шума U_ш3 с включенным напряжением питания и нулевым временем накопления ФПУ, и рассчитывают уровень шума МФЧЭ U_шМФЧЭ и БИС U_шБИС 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.

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_ш1, U_ш2, U_ш3 приведены в таблице. Там же приведены рассчитанные значения шумов ФПУ, БИС и МФЧЭ.

Таблица U_ш1; мВ U_ш2; мВ U_ш3; мВ U_шФПУ; мВ U_шБИС; мВ U_шМФЧЭτ; 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.

Изобретение относится к измерительной технике. Сущность: способ измерения шума узлов фотоприемного устройства (ФПУ) включает измерение напряжения шума U _ш1 с выключенным напряжением питания ФПУ, измерение напряжения шума U _ш2 с включенным напряжением питания ФПУ и заданным временем накопления ФПУ, расчет напряжения шума ФПУ U _ш по формуле: $$U_{ш}=\sqrt{U_{ш2}^2-U_{ш1}^2}$$ . Дополнительно измеряют напряжение шума U_ш3 с включенным напряжением питания и нулевым временем накопления ФПУ и рассчитывают уровень шума матрицы фоточувствительных элементов (МФЧЭ) U _шМФЧЭ и большой интегральной схемы (БИС) U _шБИС по формулам: $$U_{шМФЧЭ}=\sqrt{U_{ш2}^2-U_{ш3}^2}$$ , $$U_{шБИС}=\sqrt{U_{ш3_{}}^2-U_{ш1}^2}$$ . Технический результат - раздельное измерение шума МФЧЭ и БИС. 3 ил., 1 табл.

Способ измерения шума узлов фотоприемного устройства (ФПУ), включающий измерение напряжения шума U _ш1 с выключенным напряжением питания ФПУ, измерение напряжения шума U _ш2 с включенным напряжением питания ФПУ и заданным временем накопления ФПУ и расчет напряжения шума ФПУ U _ш по формуле:
,
в котором дополнительно измеряют напряжение шума U_ш3 с включенным напряжением питания и нулевым временем накопления ФПУ и рассчитывают уровень шума матрицы фоточувствительных элементов (МФЧЭ) U _шМФЧЭ и большой интегральной схемы (БИС) U _шБИС по следующим формулам :
,
.