Фотодиодные матрицы с координатной адресацией

Фотодиодные матрицы относятся к матричным формирователям сигналов изображения с координатной адресацией, которая осуществляется генераторами горизонтальной и вертикальной разверток. Обычно в качестве генераторов разверток применяются регистры сдвига или же мультиплексоры, управляемые от генератора тактовых импульсов (ГТИ).

Один из вариантов структуры фотодиодной матрицы представлен на рис. 21.27, а. Она содержит N_a фотодиодов в каждой строке и Z_a — в каждом столбце, т. е. всего М = Z_aN_a фотодиодов. Функция каждого фотодиода — преобразовать интенсивность падающего на него света в электрический ток соответствующей величины. Все остальные компоненты матрицы на рис. 21.27, а предназначены для считывания электрических сигналов с каждого отдельного фотодиода. Как ранее отмечалось, данная структура является адресной.

Обратим внимание на следующие особенности схемы на рис. 21.27, а:

• • затворы полевых транзисторов (ключей), принадлежащих одной строке, соединены между собой и подключены к одному из выходов регистра вертикальной развертки;
• • стоковые концы каналов МОП-транзисторов, расположенных в одном столбце, соединены между собой и через канал сток — исток одного из транзисторов Tj, Т₂,…, T_v подсоединены к выходу (через усилитель).

Рис. 21.27. Пассивная фотодиодная матрица с координатной адресацией (а) и структура активного пикселя (б)

Конкретизируем условия, необходимые для считывания информации с заданного фотодиода, например с фотодиода ФД_И расположенного по адресу — первая строка, первый столбец. Для этой цели необходимо:

• а) обеспечение высокого потенциала на затворах полевых транзисторов первой строки подачей импульса напряжения на первую горизонтальную шину. Таким воздействием открываются каналы всех МОП-транзисторов первой строки;
• б) подача высокого напряжения на затвор транзистора Т, при этом открывается его капал, соединяющий выход с первой вертикальной шиной.

Среди транзисторов, подключенных к заданной вертикали, открытым является только МОП-транзистор, включенный последовательно с ФД_П. Поэтому образуется замкнутый контур, включающий в себя ФД, канал упомянутого МОП-транзистора, вертикальную шину первого столбца, открытый канал транзистора Т, и вход усилителя. Подаваемый на вход усилителя ток равен току, текущему через ФД_П. Следовательно, сигнал на выходе усилителя и_тлх определяется этим током.

Последовательность считывания информации с фотодиодов зависит от воздействий, поступающих с регистров вертикальной и горизонтальной разверток. Обычно считывание происходит последовательно по строкам и столбцам.

Матрица на рис. 21.27, а называется пассивной. Ее главный недостаток заключается в том, что МОП-ключи, используемые для коммутации слабых сигналов с пассивных фотодиодов, вносят в выходной сигнал большие помехи (геометрический шум). Для улучшения отношения между полезным сигналом и помехами последовательно с каждым фотодиодом включили усилитель на полевых транзисторах (см. рис. 21.27, б). Полученная таким образом матрица стала называться активной.

Следующим шагом борьбы с помехами стало преобразование усиленного сигнала в цифровую форму сначала в каждом столбце, а затем и в каждой ячейке с помощью индивидуального АЦП 116|.

В настоящее время активные фотодиодные матрицы и все необходимые для их работы блоки располагаются на одном кристалле СБИС. Такая СБИС уже может рассматриваться как законченная видеосистема (без объектива) [2].