Микросхема мультиплексора IZ320ROIC для тепловизионных камер

В большинстве современных устройств формирования тепловизионного изображения применяются микросхемы матриц инфракрасных приемников, расположенных в фокальной плоскости оптической системы, которые соединены с кристаллом электронной схемы считывания сигналов от детекторов матрицы. Среди обширного семейства матричных ИК-приемников наибольшей чувствительностью обладают фотонные приемники, а также многоэлементные приемники на квантовых ямах. Предельно допустимая чувствительность определяется собственными генерационно-рекомбинационными шумами, которые растут с температурой. Для уменьшения шумов и, следовательно, повышения чувствительности необходимо глубокое, до 40…90 К, охлаждение.
Рассматриваемая в статье микросхема IZ320ROIC (см. рис. 1) позволяет применять детекторы на основе InSb (антимонид индия), InGaAs (арсенид индия галлия), MCT (теллурид ртути кадмия),а также QWIP (фотодиоды инфракрасного диапазона на квантовых ямах) в диапазоне рабочих температур 300…70 К.

Рис. 1. Структурная схема мультиплексора

Микросхема IZ320ROIC представляет собой высокопроизводительную, 320×256 пикселов, ИС считывания с режимом фотографирования. Микросхема мультиплексора предназначена для считывания сигналов, поступающих с матрицы инфракрасных детекторов, которые преобразуют выходные сигналы и мультиплексируют их для дальнейшей обработки. Микросхема используется в приборах для генерирования термального изображения. IZ320ROIC является функциональным аналогом ISC 9705 фирмы Indigo.
ИС мультиплексора имеет два рабочих режима: упрощенный по умолчанию и программируемый пользователем командный режим.
Технические характеристики.
– Матрица 320×256 пикселов.
– Детекторы: InSb (антимонид индия), InGaAs (арсенид индия галлия), MCT (теллурид ртути кадмия), QWIP (фотодиоды ИК-диапазона на квантовых ямах).
– Режим фотографирования.
– Полярность применяемых фотодиодов: P на N.
– Управление режимом интегрирования: во время и после чтения.
– Выгрузка данных на 1, 2 или 4 выхода.
– Динамическое преобразование изображения: инвертирование (верх-низ) и реверс (слева направо).
– Динамическое оконное считывание.
– Выбираемый дифференциальный выходной режим.
– ЦАП для управления смещением детектора и подстройкой мощности.
– Управление коэффициентом усиления 1…4.
– Сигнал «скачивания».
– Буферизованный выход температурного датчика.
– Формирование смещения для высоковольтных QWIP.
– Подстройка мощности: работа с малой рассеиваемой мощностью и при высокоскоростном режиме с большей рассеиваемой мощностью.
– Работа в двух режимах: по умолчанию и конфигурируемый пользователем командный режим.

Режим по умолчанию. Этот режим обеспечивает простой интерфейс с меньшим количеством внешней электроники и сниженным рассеиванием мощности для применений, где не требуется большая функциональность микросхемы или производительность. В режиме по умолчанию не используется последовательный регистр управления. В результате такие функциональные возможности как организация окон, инвертирование/реверс и высокоскоростная выгрузка данных не используются. Режим по умолчанию поддерживает работу с детекторами с высоким и низким обратным смещением с помощью специальной процедуры смещения. В режиме по умолчанию микросхема IZ320ROIC работает со следующей конфигурацией:
– одиночный выход;
– изменяемое усиление;
– полное окно;
– нормальный порядок сканирования;
– отсутствие опорного выхода;
– поддержка временного режима NTSC или PAL;
– максимальная выходная скорость 6 MГц;
– «скачивание».
Цоколевка микросхемы при работе в режиме по умолчанию приведена на рисунке 2.

Рис. 2. Цоколевка при работе в режиме по умолчанию

Командный режим. При работе в командном режиме используется последовательный регистр управления и дополнительные функциональные возможности считывания. Для работы в этом режиме используется вывод DATA для загрузки данных в регистр управления. Установки в этом регистре определяют коэффициенты усиления, установку смещения детектора, управление смещением мощностью, смещение основного тока, установку «скачивания», выходной режим, размер, положение и перемещение окна, тестовый режим. При работе в командном режиме поддерживается частота основного тактирования до 5 MГц (10 MГц — скорость выдачи данных). Цоколевка микросхемы при работе в командном режиме приведена на рисунке 3.

Рис. 3. Цоколевка при работе в командном режиме

Выходные режимы. Микросхему IZ320ROIC можно сконфигурировать в командном режиме для выгрузки данных на один, два или четыре выхода. Для одиночного выходного режима все пикселы считываются через выход OutA. Максимальная скорость считывания всей матрицы на один выход составляет 66 кадров в секунду. При использовании режима множественных выходов пикселы назначаются определенному выходному каналу и считываются только через этот канал, независимо от перемещения изображения (инвертирование/реверс) и выбранного режима организации окон. Самый нижний левый пиксел определяется как пиксел (0, 0), и это означает расположение пиксела в нулевой строке и нулевом столбце матрицы. Пиксел (0, 0) является первым пикселом для считывания при использовании установок по умолчанию для инвертирования/реверса организации окон и режима повтора строки. Этот режим эксплуатации выбирается для нормальной «инвертирующей оптики». При этом типе оптики нормальное изображение растрового сканирования представляется путем размещения нижней строки (ряд 0) в нижней части камеры. При выборе режима выгрузки на два выхода первый пиксел представляется на выходе OutA, второй — на выходе OutB. Максимальная скорость считывания всей матрицы на два выхода составляет 121 кадр в секунду. При выборе режима выгрузки четырех выходов первый пиксел представлен на OutA, второй — на OutB, третий — на OutC, четвертый — на OutD. Максимальная скорость считывания всей матрицы на четыре выхода составляет 207 кадров в секунду. На рисунке 4 представлена работа микросхемы в четырехканальном режиме в различных вариантах организации окон.

Рис. 4. Организация окон

Работа схемы. Ток от детектора заряжает интегрирующую емкость ячейки (пиксела) в течение времени интеграции (см. табл. 1). Затем заряд с интегрирующей емкости перезаписывается в емкость хранения, а интегрирующая емкость обнуляется. При выборе строки для чтения выход ячейки коммутируется на шину столбца, и сигнал поступает на усилитель с управляемым коэффициентом усиления. Выходы столбцов мультиплексируются только на один выход (OUTA) в режиме по умолчанию. Динамические параметры входных и выходных сигналов микросхемы представлены в таблицах 2 и 3, на рисунках 5 и 6 — временные диаграммы входных и выходных сигналов мультиплексора, соответственно.

Рис. 5. Временная диаграмма входных сигналов мультиплексора

Рис. 6. Временная диаграмма выходных сигналов мультиплексора