Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Ишанин Г.Г. Источники и приемники излучения (1991).pdf
Скачиваний:
356
Добавлен:
21.03.2016
Размер:
10.9 Mб
Скачать

наблюдения с подсветкой ИК-прожекторами и импульсными ла­ зерами. ЭОП с плоской конструкцией широко используют для регистрации быстропротекающих процессов в ядерной физике и исследований искровых разрядов с временным разрешением до 10~14 с при напряженности поля у фотокатода 3-105 В/см,

Приборы с ЭОП используют для визуализации рентгеновского и нейтронного излучения. В астрономии ЭОП применяют для фотографирования спектров далеких звезд. Кроме того, ЭОП применяют в оптической микроскопии для наблюдения слабо све­ тящихся объектов. Использование ЭОП в телевидении позволило создать системы, работающие в темноте по ИК-излучени.ю объек­ тов и при пониженной освещенности с дистанционным их наблюде­ нием. В научной фотографии ЭОП позволяет осуществлять высоко­ скоростное и спектрозональное фотографирование в У Ф , видимой и ИК-областях спектра.

Глава 6

МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЕ ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ

§6.1. Многоэлементные приемники излучения на основе фотодиодов и фоторезисторов

Рассмотрим вначале многоэлементные приемники излучения (МПИ), работающие без накопления сигнала. Такие МПИ еще называют приемниками «мгновенного действия», имея в виду, что в выходных цепях регистрируются установившиеся значения сиг­ нальных токов и напряжений. Причем выходные сигналы как бы определяются мгновенными значениями оптических потоков и не зависят от времени облучения. МПИ мгновенного действия можно подразделить на две группы: с параллельным и последователь­ ным опросом элементов.

МПИ с параллельным опросом. При использовани и таких МПИ обеспечивается одновременное подключение всех рабочих эле­ ментов к своим каналам усиления (рис. 6 . 1). Очевидно, что в этом случае число выводов МПИ должно быть не менее N + 1, где N — число элементов. МПИ с параллельным опросом наиболее эффек­ тивны в быстродействующих оптико-электронных приборах и системах, например в системах оптической пеленгации.

Однако необходимость одновременно подключать все элементы весьма затрудняет реализацию МПИ с большим числом элемен­ тов при малом шаге пространственной структуры. В рамках данной группы МПИ наиболее распространены четырехэлементные фото­ диоды, которые с успехом используются в качестве быстродей­ ствующих координатно-чувствительных фотоприемников в раз­ личных оптико-электронных измерительных системах.

Схемы включения позици­ онно-чувствительных четы­ рехэлементных фотодиодов.

Разрезной

фотодиод

с

по­

 

 

 

перечным фотоэффектом пред­

 

 

 

ставляет

 

собой

четырехка-

 

 

 

нальный фотоприемник,

реа­

 

 

 

лизованный

на

одной

под­

 

 

 

ложке. Рабочая площадка фо­

 

 

 

тодиода

состоит

из

четырех

 

 

 

квадратных элементов (Л, В,

 

 

 

С уD). Приборная система ко­

Рис. 6.1. Параллельное подключение фо-

ординат

х0у

обычно

совме­

точувствительных

элементов

многоэлс-

щается

с

центром

рабочей

ментного фотоприемника

площадки

(рис. 6.2).

Чтобы

 

 

 

обеспечить

условия независимого измерения

смещений

по двум

направлениям Дх и Ау, изображение марки целесообразно форми­ ровать квадратной формы со стороной, равной стороне одного эле-' мента фотодиода. При этом координаты центра изображения Дх, Ду вычисляют простейшими арифметическими операциями — сложением и вычитанием сигналов, снимаемых с элементарных площадок.

Каждый из четырех каналов фотоприемника можно рассма­

тривать как независимый одноэлементный фотодиод, который дол жен быть подключен к входной цепи последующей электронной схемы. В качестве согласующего каскада в данном случае целесо­ образно использовать преобразователь ток — напряжение на операционном усилителе. В свою очередь, фотодиод может быть включен как в фотогальваническом, так и в диодном режимах. Схема включения четырехплощадочкого фотодиода показана на рис. 6.3 (UCM— напряжение смещения). Каждый из четырех эле­ ментов фотодиода служит как бы генератором фототока /ф, про­

порционального оптиче­ скому потоку Ф е, падаю­ щему на соответствующую площадку. Операционные усилители выполняют роль

 

преобразователей

фотото-

 

ков в выходные

напряже­

 

ния

Uвых = f<$R0.c>

где

 

R 0, с — сопротивление

ре­

 

зистора

в цепи

обратной

 

связи.

 

 

 

 

Приведенная на рис. 6.3

 

схема включения обладает

Рис. 6.2. Формирование изображения целе­

существенными достоинст­

вами:

 

 

 

 

вой марки на четырехэлементном позицион­

 

 

 

 

но-чувствительном фотодиоде

каждый фотодиод рабо­

 

тает

на

кизкоомную

на-

Рис. 6.3. Схема подключения четырех­ элементного фотодиода к операционным усилителям

грузку, роль которой выпол­ няет весьма малое эквива­ лентное входное сопротивле­ ние преобразователя ток — напряжение; таким образом, во-первых, обеспечивается линейность световой характе­ ристики в широком динами­ ческом диапазоне, и, во-вто- рых, ослабляется действие емкости фотодиода и пара­ зитной емкости входной цепи;

отпадает необходимость стабилизировать коэффици­ ент усиления и напряжения питания схемы, так как при правильно выбранных эле­

ментах эти параметры практически не влияют на точность из­ мерения.

Указанные обстоятельства позволяют получить хорошие ме­ трологические характеристики оптико-электронного прибора в целом.

Чтобы уяснить критерии для оптимального выбора элементов схемы, необходимо более подробно рассмотреть фотоприемный

узел

(ФПУ) на

основе пары фотодиод — операционный

усили­

тель

(ФД — ОУ)

(рис. 6.4).

 

 

Фотодиод можно рассматривать как источник тока сигнала tc. д

и тока шума *ш. д, обладающий внутренним динамическим

сопро­

тивлением 7?д. Если О У при разомкнутой

петле обратной

связи

имеет собственное входное сопротивление

i?BI, то при замкнутой

петле обратной связи входное эквивалентное сопротивление умень­ шается до

R BX = Я о .с / ^ О ,

(6 .1 )

^вых

Рис. 6.4. Эквивалентная схема пары фотодиод—операцион­ ный усилитель

где k0 — собственный коэффициент

усиления О У при

разомкну­

той петле обратной связи, который

составляет обычно

10410е.

Поскольку jR0. с обычно не превышает единиц мегаом (см. ниже),

значение Я В1,

в свою очередь, не превышает десятков ом.

 

При k0 >

1 напряжение сигнала на выходе О У определяется

выражением

 

 

 

^c = S/^ 0. c®e = St7O e,

(6 .2)

где S j — токовая чувствительность фотодиода; Ф в — поток

оп­

тического излучения, воздействующий на фоточувствительную

площадку;

Sv — вольтовая

чувствительность

фотопр немного

узла.

 

 

 

 

Как видно из выражения (6.2), напряжение сигнала не зависит

от коэффициента усиления О У

и напряжения

питания.

Таким

образом, изменяя

в

широких пределах сопротивле­

ние R 0mс, можно пропорционально изменять вольтовую чувстви­ тельность Ф П У, что позволяет использовать данную схему в боль­ шом динамическом диапазоне Ф е. Однако следует иметь в виду,

что

максимальное значение

/?0#с не должно превышать

 

 

с ^

^ max О у / ( 5 / Ф в max)»

(6*3)

где

UmELXоу — максимально

допустимое

напряжение

на выходе

ОУ,

при котором сохраняется линейность усиления (дано в спра­

вочнике);

Ф еШах — максимальное значение потока

оптического

излучения

в рабочем диапазоне.

 

 

Выбирая оптимальное сопротивление

R 0. Ci выполнять усло­

вие (6.3) всегда необходимо. В то же время соблюдение условия (6.3) не во всех случаях является достаточным для выбора макси­ мально допустимого значения R 0. c. Так, при работе ОЭП с очень малыми потоками, когда необходимо обеспечить максимальную чувствительность ФПУ, верхний предел сопротивления R 0. с определяют с учетом следующих обстоятельств.

При больших значениях сопротивления R 0. с (более 1 МОм) напряжение сигнала на выходе О У и входное сопротивление пре­ образователя ток— напряжение (служащее эквивалентным сопро­ тивлением нагрузки фотодиода) определяются следующими выра­ жениями:

Uc = 1 + Ro. сМоЯвх) + i/k0 ’

t6-4)

R BX = k0 + 1 + Yo. с/явх

(6-5)

По сравнению с выражениями (6.1) и

(6.2) выражения

(6.4)

и (6.5) представляют собой более точные зависимости, учитываю­

щие влияние параметров

ОУ, k0

и

7?вх.

Очевидно, что

при

Я 0. с / Я в х « £ о выражения

(6.4) и

(6.5)

приводятся квиду

(6.1)

и (6 .2).

 

 

 

 

 

Продифференцировав выражение (6.4) по k0 и пренебрегая

членами второго порядка

малости, получим

зависимость относи­

тельного изменения сигнала на выходе Ф П У от нестабильности коэффициента усиления О У Ak0

6 = AUC/U Cъ (R0. C/R BX+ 1) (Ak0/k0).

(6 .6)

Для всех реальных ОУ параметры kQj R BT и нестабильность k0 в зависимости от температуры окружающей среды даются в спра­ вочнике. Воспользовавшись выражением (6 .6), можно найти предельное значение сопротивления R 0. с шах, если заданы пре­ дельная относительная погрешность измерения амплитуды сиг­

нала и рабочий диапазон температур.

 

Минимальное сопротивление в цепи обратной связи О У

оп­

ределяется из

условия

 

 

 

1/Яо. с mm <

(2eIT/4kT) + T/(RATr ),

(6.7)

где е — заряд

электрона;

/ т — темновой ток фотодиода;

Т

рабочая температура Ф П У,

К; k — постоянная Больцмана;

динамическое сопротивление фотодиода в рабочей точке вольтамперной характеристики; TR — температура резистора в цепи ОС.

При работе с модулированным потоком оптического излуче­ ния следует учитывать зависимость входного сопротивления и

коэффициента передачи

преобразователя

ток — напряжение

от

частоты

 

 

 

^ = I T O T S T T 7 ! ;

,6 '8 >

Z “

= * + 1 +zl. c / Z b x

( 6 -9 )

где Uс, Z0.c, ZBX, k

соответственно выходное напряжение,

со­

противление в цепи обратной связи, входное сопротивление и коэффициент усиления ОУ, записанные в комплексном виде.

В реальных О У k и ZBX в значительной степени зависят от це­ пей коррекции, которые приходится включать, чтобы предотвра­

тить самовозбуждение ОУ. Комплексное

сопротивление

в цепи

обратной связи определяется следующим выражением:

 

 

z 0.с = R 0.с/(1 + /<*>Со. сЯо. с)»

(6.10)

где С0. с — паразитная

емкость монтажа

в цепи обратной

связи;

со — угловая

частота в

спектре сигнала,

со = 2я/; / — циклич­

ная частота,

Гц.

 

 

 

Отметим, что при правильно выбранном ОУ, обладающем до­ статочным коэффициентом усиления в заданном диапазоне ча­ стот, наибольшее влияние на частотную характеристику фото-

приемного узла оказывает цепь обратной

связи, при

этом

S u (/) « S i R 0. J V1 + (2я / ) 2 R

l оC l. G).

(6.11)

Последнее обстоятельство следует иметь в виду при выборе схемы управления чувствительностью Ф П У по цепи обратной связи.

Необходимо принимать меры для уменьшения монтажной ем­

кости С0. с.

При работе Ф П У в реяшме малых сигналов существенное зна­ чение приобретают шумовые характеристики пары ФД — ОУ

Напряжение

шума на выходе ОУ в полосе частот Л/ =

1 Га

определяется

выражением

 

 

и ш. вых = ] А ш . у -I,- (ini. у “Ь *ш. фд +

1%0J R о. с >

(6. 12)

где еШшу, *ш. 7, гш. фд, iBo с — спектральная

плотность напряже­

ния шума усилителя, шумового тока усилителя, шумового тока фотодиода и шумового тока сопротивления резистора Ro,0 со­

ответственно.

Шумовые характеристики ОУ обычно приведены в справоч­ нике. Для большинства современных ОУ спектральная плотность шумового напряжения и шумового тока находятся соответственно

в

следующих пределах: еш, у = (1~ 7)- 10~8

Вт/Гц1/2; 1Ш.у =

=

(1н-2)-10~ 14 А/Ги,1/2. Плотность шумового

тока фотодиода,

работающего в диодном режиме, /ш. фд = У 2е1т. Плотность шумо­ вого тока фотодиода, работающего в фотогальваническом режиме,

*ш. фд =

V ikT/Rx. Плотность шумового тока

резистора

# 0. с;

iR =

Y^4kT/R~с . Здесь / т — темновой

ток

фотодиода;

k

постоянная Больцмана;

Т — температура

р — n-перехода;

# д —

динамическое сопротивление несмещенного

р —м-перехода.

 

При использовании малошумящих ОУ преобладающую роль

играют

шумы фотодиода

и резистор

R 0. c. Поэтому

 

 

U Ш. ВЫХ ^

" j / \im . фд

i R 0' с )

R O . с*

(6.13)

При этом отношение сигнал/шум на выходе Ф П У в единичной по­

лосе частот можно рассчитать

по

формуле

 

 

(^с/^ш )в ы х — S / Ф

е

/ *ш. ф д~ |~ ^0 с *

(6 .14 )

При работе фотодиода в фотогальваническом режиме сопро­

тивление

резистора R 0. с выбирается обычно больше, чем

экви­

валентное

сопротивление несмещенного

фотодиода (#0. с > / ? д).

В этом случае спектральная плотность

шума фотодиода

im. фд

намного больше спектральной плотности шума сопротивления на­ грузки и отношение сигнал/шум в единичной полосе частот пре­ образуется к виду

( U j U m ) ВЫХ ^ S jO g l y W r f R *

(6.15)

На рис. 5.5 приведена принципиальная схема включения че­ тырехплощадочного фотодиода в оптико-электронной измеритель­ ной системе, работающей с модулированным потоком оптического излучения.

Рис. 6.5. Полная схема включения четырехэлементного фотодиода в коорди­ натно-чувствительном оптико-электролном устройстве

Аноды фотодиода VI (Л, В, С, D) подключены ко входам пре­ образователей ток— напряжение, которые реализованы на опе­ рационных усилителях Л 1-1, А 1-2, Л 1-3 и /11-4.

Операционные усилители Л 2-1 и Л 2-2 выполняют функции ана­

логовых

сумматоров сигналов, снимаемых со

смежных

каналов

B + D

и А + С в соответствии с алгоритмом, показанным на

рис. 6 .2 .

 

 

 

 

 

В качестве схемы вычитания, формирующей разностный сиг­

нал

+ D) -f С),

пропорциональный

смещению

вдоль

оси

х , используется О У

ЛЗ. С выхода ЛЗ сигнал поступает на

вход синхронного детектора (на рисунке не показан).

 

Разностный сигнал

+ В) -f D),

пропорциональный

смещению вдоль оси у , можно получить с помощью аналогичной схемы. При этом целесообразно использовать одни и те же О У Л 1-1, Л 1-2 , Л 1-3 и Л 1-4. Но сигналы на вход перьюго сумматора следует подавать с выходов О У Л 1-2 и Л 1-4 (точки d), а на вход второго сумматора — соответственно с выходов Л 1-1 и Л 1-3.

Выбирать ОУ, выполняющие роль преобразователей ток— напряжение, следует с учетом вышеуказанных рекомендаций. Кроме того, желательно стремиться к тому, чтобы вся схема была реализована на микросхемах одной серии, что позволяет свести к минимуму число питающих напряжений и упростить конструк­ цию прибора в целом. На приведенной схеме (рис. 6.5) в качестве примера использованы О У серии 153УД1,

Конденсаторы С2-1 (2, 3, 4), так же как и конденсаторы С4-1 (2) и С 6 , служат для коррекции частотной характеристики ОУ с целью предотвратить их самовозбуждения. Емкости этих

конденсаторов обычно составляет несколько пикофарад и подби­

раются

при настройке.

 

 

Резисторы Я 1-1

(2, 3, 4) служат

для увеличения

динамиче­

ского

диапазона

преобразователей

ток— напряжение

за счет

компенсации постоянных составляющих темновых токов фото­ диодов и фототока от возможной постоянной фоновой засветки. Сопротивления резисторов R 1-1 (2 , 3, 4) рекомендуется выбирать равными сопротивлениям резисторов в цепи обратной связи. Емкости конденсаторов С 1-1 (2, 3, 4) должны быть достаточными, чтобы для нижней граничной частоты в спектре видеосигнала со­ противления конденсаторов Х с = 1/(2nfnC) были близки к нулю и неинвентирующие входы О У (+) находились под нулевыми по­

тенциалами

по переменному току:

* с =

1/(2я/нС1)<0,17?1, т. е. С 1> 10/(2я/нД1), (6.17)

где /л — нижняя граничная частота в спектре сигнала.

При модуляции оптического излучения импульсами прямо­ угольной формы /н можно найти из условия

/н “ 0Г/(2эТТимп).

(6.18)

где ст — максимально допустимый относительный спад вершины импулъса, возникающий при ограничении спектра в области нижних частот, обычно а < ; 0 , 1; тимп — длительность излучае­ мых импульсов.

Разделительные конденсаторы СЗ-1 (2, 3, 4) необходимы для обеспечения «развязки» между каскадами по достоянному току, что позволяет исключить влияние дрейфа постоянных составляю­ щих выходных напряжений ОУ. Резисторы ЯЗ-1 (2, 3, 4) служат для ослабления взаимного влияния сигналов, снимаемых с раз­ личных площадок фотоди:ода. С этой целью сопротивления рези­ сторов ЯЗ-1 (2, 3, 4) должны быть значительно больше выходных сопротивлений О У . Напр»имер, для О У серии 153УД1, обладаю­ щих выходным сопротивлением порядка 300 Ом, в качестве «раз­ вязывающих» резисторов можно рекомендовать ЯЗ = 150 кОм. Резисторы Я4-1 (2) необходимы для выравнивания коэффициен­ тов передачи суммируемых сигналов при настройке сумматоров

на О У A2A (2).

 

 

 

Коэффициент передачи сумматора k2

на

О У

определяется

соотношением сопротивлений резисторов

ЯЗ,

Я4

и Я 6

«2Я6ДЯЗ + 0,5Я4).

Чтобы обеспечить высокую точность суммирования, не следует стремиться к получению большого коэффициента передачи. Реко­ мендуемое значение == 1-^3. При этом в приведенном примере сопротивление резистора R6 составит 75— 230 кОм.

Резисторы #5-1 (2) служат для повышения стабильности ре­ жима работы сумматора на ОУ. Значение сопротивления R5 надо выбирать из условия

0в&(ЯЗ + 0,5Я1)Л6

~0,5 (ЯЗ + 0.5Л4) + R6

Операционный усилитель ЛЗ выполняет роль схемы вычита­

ния (сравнения) сигналов -f D) и (A

С) Точную настройку

схемы вычитания осуществляют с помощью резистора R9, сопро­

тивление

которого должно составлять

0,3— 0,5 от сопротивле­

ния R7.

Коэффициенты передачи, т. е. масштабные коэффициенты

сравниваемых сигналов, определяются соотношением сопротив­ лений

 

 

 

ЯП

+ о,5Я9 .

 

R 10

 

 

 

£(В-К>)

Я7 + 0,5Я 9*’

*М+С) - -£ 8 •

 

Для того чтобы обеспечить условия стабильной работы схемы,

следует стремиться

к

тому, чтобы R7

+ 0,5i?9

R8\

R11 +

4- 0,5R9 ж

R 10. При этом конкретные

значения

сопротивлений

резисторов

R 7 R 11

определяются с учетом требуемого

усиле­

ния

АЗ: kA3^ R l O / R 8 .

Отметим,

что

для ОУ

серии

153УД1

R10

и R I I

не должпы превышать единиц мегаом.

 

 

При выборе емкостей разделительных конденсаторов необхо­

димо соблюдать условия:

 

 

 

 

 

Х С9=

1/(2я/нС З )< 0 ,1 Я З ;

Х съ =

1/(2я/нС 5 )< 0,1 £7 ,

где /н — нижняя граничная частота спектра сигнала, определяе­ мая в соответствии с выражением (6.18).

Конденсаторы

С 8— С И выполняют роль

фильтров в цепях

питания. Причем

в приведенной схеме 6 8

и СЮ — электролити­

ческие конденсаторы большей емкости,

чем

конденсаторы С9

и С И . Керамические конденсаторы С9 и С11 в отличие от электро­ литических являются практически безиндуктивными и более эф­ фективно работают на высоких частотах, в то вре:мя как электро­ литические конденсаторы С8 и СЮ — на более низких. Емкости следует выбирать максимально большими с учетом рабочих на­ пряжений и допустимых габаритных размеров конденсаторов.

мпи с последовательным опросом. Фоторезисторные и фото­ диодные МПИ с параллельным опросом элементов обычно содер­ жат небольшое число (до нескольких десятков) элементов. В тех случаях, когда необходимо реализовать, многоэлементную фото­ приемную структуру, содержащую до нескольких сотен эле­ ментов, более предпочтителен принцип последовательного оп­ роса элементов с возможностью координатной выборки сигналов. Подобные МПИ можно использовать в качестве преобразователей пространственного распределения освещенное гей в плоскости анализа изображения во временную последовательность импуль­ сов — видеосигнал.

 

 

 

ч Т

_ Т

3

 

 

 

1

 

*0

3

Рис. 6.6.

Структурная

 

 

 

 

 

1

 

1

1

схема матричного много-

I

!

элементного

приемника

I

1

1

1

излучения с последоза- '

1

1

1

1

1

1

!1

1

тельным опросом без на­

 

1

~

 

 

копления сигнала

 

 

 

 

 

*0 1$

Кгш К усилителю

1

На рис. 6 .6 приведена схема фоторезисторной матрицы, со­ держащей п строк по т элементов в каждой. Как видно из рисунка, в цепь нагрузочного резистора R K может быть включен любой из фоторезисторов матрицы путем выбора нужной строки и столбца элементов с помощью соответствующих ключей горизонтальной Кг и вертикальной /Св разверток.

Такой принцип организации многоэ//ементной структуры поз­ воляет значительно уменьшить число выводов по сравнению с прин­ ципом параллельного включения. В данном случае структура, содержащая N = т х п элементов, имеет т + /г, а не т х п -f- 1 выводов. Причем выигрыш в числе выводов тем больше, чем больше число элементов.

Следует, однако, отметить, что в такой схеме не обеспечи­ вается полная развязка между элементами. Нетрудно показать, что вследствие параллельных связей между фоторезисторами че­ рез нагрузочный резистор протекает не только ток опрашивае­

мого элемента, но и токи

параллельных ветвей

 

 

 

п—1

 

 

 

I н =

^опр

 

S

^неопр (О

-^опр “Ь ^неопр»

 

 

 

i=\

 

 

 

где / 0Пр — ток опрашиваемого элемента; / неопр (о —

ток через

неопрашиваемую

t-ю ветвь;

/неопр — суммарный ток

неопраши-

ваемых ветвей. Наибольший вклад во второе слагаемое вносят строки и столбцы, где расположен опрашиваемый элемент.

Можно показать, что в такой структуре отношение тока опра­ шиваемых элементов к току параллельных неопрашиваемых вет­ вей при отсутствии освещенных элементов (либо при одинаковой освещенности всех элементов) определяется выражением

опр/ неопр

где п — число элементов в строке (столбце) квадратной матрицы

пхп .

Пусть

 

 

 

 

 

kR = R$ (i)/Rr (о»

 

 

 

 

 

где /?ф(о — сопротивление элемента при воз­

 

 

 

 

действии

оптического

излучения; jRT(f) —

 

 

 

 

темновое

сопротивление

элемента.

 

 

 

 

 

Тогда при наличии оптического сигнала

Рис.

6.7.

Эквивалент­

только на опрашиваемом

элементе

 

 

 

 

 

 

ная

схема

матричного

 

/ф . оп р//т . неопр -

2kz/n.

 

фотоприемника,

ра­

 

 

ботающего

без

накоп­

Наиболее неблагоприятная ситуация

воз­

 

ления сигнала

 

никает,

когда опрашивается неосвещенный

 

 

 

 

элемент,

а освещен элемент, расположенный в одной строке

или

столбце с опрашиваемым. В таком случае

 

 

 

А . опр//ннеопр

Эквивалентная схема фоторезисторной матрицы приведена на рис. 6.7.

Как видно из эквивалентной схемы, взаимное влияние элемен­ тов можно уменьшить, увеличив сопротивление неопрашиваемых элементов. Этого можно достичь за счет дополнительного включе­ ния диодов в цепь каждого фоторезистора. Полярность включе­ ния диодов должна быть такой, чтобы при подключении какоголибо элемента к источнику питания и нагрузочному резистору соответствующий диод был бы открыт. В диодно-фоторезисторной матрице диоды неопрашиваемых элементов находятся в закрытом состоянии, что позволяет уменьшить суммарный ток неопрашивае­ мых ветвей.

Использование диодов хотя и позволяет уменьшить взаимное влияние элементов, но не обеспечивает полной развязки между ними, поскольку МПИ обычно работает в режиме относительно слабых токов, при которых отношение сопротивлений диода в от­ крытом и закрытом состояниях сравнительно невелико.

Взаимные связи между элементами характерны также и для матриц на основе фотодиодов. По существу, этот недостаток яв­ ляется общим для МПИ мгновенного действия.

Другой их недостаток заключается в необходимости комму­ тации малых токов, что предъявляет высокие требования к выбору элементов для ключей Кг и Кв-

Указанные обстоятельства служат основной причиной того, что подобные структуры имеют ограниченную сферу применения. Более широко применяют многоэлементные фотоприемные струк­ туры с накоплением сигнала.

МПИ с накоплением сигнала. На рис. 6.8 приведена схема ти­ пичного МПИ с накопительными ячейками.

Каждая накопительная ячейка состоит из фоточувствительного элемента — фотод иода V2 (или фоторезистора), разрядного ключа

177

Ucmp

Рис. 6.8. Структура многоэлементного матричного фотоприем­ ника, работающего с накоплением сигналов

сброса на МДП-транзисторе VI и предварительного усилителя на МДП-транзисторах УЗ— V4.

Эквивалентная схема накопительной ячейки показана на рис. 6.9.

После замыкания ключа сброса на емкости С* накопитель­ ного элемента устанавливается напряжение, близкое к напряже­ нию питания. После размыкания ключа происходит разряд С* через R t. При этом С* представляет собой собственную емкость фотодиода и параллельно подключенную входную емкость уси­ лителя, a R t — внутреннее сопротивление фотодиода в запертом

состоянии,

которое зависит

от

по­

 

тока оптического излучения,

воздей­

 

ствующего на данный элемент.

 

.° — г--------

В данном случае R t является

не­

J J ^cSp(i)

линейным

сопротивлением,

и

раз­

 

рядный ток, протекающий через

R tJ

 

почти не зависит

от напряжения на

г

 

нем. Таким

образом, разряд С* про­

I

I

исходит практически

с постоянной

= г ^ I

I

скоростью.

 

 

 

I

 

 

 

I

Полезный

сигнал

определяется

Нанопительный\<ыи\

 

степенью разряда С* за фиксирован­

I______ элемент г 4 Квыба)

ное время накопления Тн. Считыва­

 

 

ние напряжения

на

Ct осущест­

Рис. 6.9. Эквивалентная схема

вляется в момент

замыкания ключа

 

накопительной ячейки

7 Г. Г. Ишаннн и др.