Кремниевые фотодиоды (методика расчета)

Эквивалентная схема

Эквивалентная схема фотодиода показана на рис. 2-1. Используя вышеприведенную схему, выходной ток будет определяться как (2-1).

Напряжение разомкнутой схемы Voc – выходное напряжение, когда ток равен 0. Т.о. Voc будет выражаться, как (2-2).

Если принеберечь I`, т.к. Is увеличивается экспоненциально в зависимости от температуры окружающей среды, Voc – обратно пропорционально температуре и пропорционально логарифму фототока. Но данное выражение не справедливо для очень низких уровней освещенности.

Ток короткого замыкания Isc – выходной ток, когда сопротивление нагрузки 0 и Vo = 0.

Вольтамперная характеристика

Когда к фотодиоду приложено напряжение в неосвещенном состоянии будет получена вольтамперная характеристика сходная с кривой обычного резистивного диода, как показано на рисунке 2-2. Однако, когда свет падает на фотодиод кривая 1 сдвигается в 2, а далее 3 параллельно, согласно увеличению интенсивности падающего излучения. Для характеристик 2 и 3 выходы фотодиода замкнуты. Фототок пропорциональный освещенности будет протекать от анода к катоду. Если цепь разомкнута появится разность потенциалов с положительным зарядом на аноде.

Ток короткого замыкания линейно зависит от потока падающего на площадку фотодиода. Нижняя граница диапазона линейности определяется мощностью эквивалентной шуму, тогда как верхняя зависит от сопротивления обратной связи и приложенного обратного напряжения.

Когда лазерное излучение конденсируется в одной маленькой точке, последовательное сопротивление фотодиода увеличивается, а линейность нарушается. Voc изменяется логарифмически по отношению к заряду уровня освещенности и сильно зависит от колебаний температуры, делая его неудобным для измерения интенсивности излучения. [3]

Операционные усилители

Операционный усилитель – самое полезное устройство в аналоговой электронике. Он может производить множество операций по обработке аналоговых сигналов при использовании минимума внешних компонентов. Большинство операционных усилителей продаются по цене ниже доллара.

Одно из преимуществ этих цепей – принцип обратной связи, в основном, отрицательной обратной связи, которая составляет основу почти всех процессов автоматического управления.

Несимметричный и дифференциальный операционный усилитель

Для простого изображения сложных схем, операционный усилитель часто изображают треугольником, где внутренние компоненты не изображены. Эта симвология очень удобна, когда конструкция усилителя не важна.

Символы +V и –V обозначают позитивный и негативный выводы питания, соответственно. Входные и выходной выводы показаны одной линией каждый, т.к. считают, что все напряжения отнесены к общему выводу называемому землей.

Задолго до наступления технологии цифровой электроники, компьютеры были построены для произведения электронных вычислений с применением напряжений и токов для представления числовых величин. Это было особенно полезно для симуляции физических процессов. [2]

Обработка изображений

Измерение МПФ и др.

Модуляционная передаточная функция (МПФ) ассоциируется с измерением передаточной способности оптической системы и относится к теории линейных систем. Как требование более высокого качества, лучшее разрешение оптической системы (ОС) становится доминирующим фактором, разработчик и метролог начали исследовать МПФ, как обоюдный режим для характеристики ОС.

МПФ прямая численная характеристика качества изображения.

Для большинства ОС характерно определенное качество изображения. Фотообъективы, фотолитография, контактные линзы, видеосистемы, факсимильная и копировальная оптика, линзы для считывания информации с компакт-диска – типичные примеры таких ОС.

Общепринятая мера качества – способность ОС передавать мелкие детали от объекта к изображению. Способность измеряется в терминах контраста (уровня серого) или модуляции, и это относится к ухудшению изображения идеального источника построенного линзой.

МПФ описывает структуру изображения, как функцию пространственных частот, получаемую как Фурье-преобразование от функции рассеяния точки. Однако, МПФ позволяет получить амплитудно-частотную характеристику, сходную с АЧХ для звука. Различные частотные компоненты могут рассматриваться и оцениваться отдельно.

Часто система строящая изображение создана для проецирования или захвата мелких компонентов объекта или изображения. Области применения в которых очень важно качество изображения или разрешающая способность могут использовать МПФ как меру передачи мелких деталей, таких как ширина линии или разрешение пикселя, или расстояние между колбочками на сетчатке.

К примеру видеосистема должна быть разработана таким образом, чтобы размер и положение изображения должны быть согласованными с плоскостью ПЗС. Ширина пикселя матрицы 6 мкм – соответствует частоте отсечки 83 лин/мм. В большинстве случаев, попытки преодолеть этот барьер безуспешны; т.о. разработка линзы с более высоким пространственным разрешением ненужна. [1]

Введение в вейвлеты

Фундаментальная идея вейвлетов – анализ согласно масштабу. Некоторые исследователи использующие вейвлеты считают, что это новый тип мышления, будущее обработки данных.

Вейвлеты – функции, которые удовлетворяют нескольким математическим условиям и используются в представлении данных или других функций. Их идея не нова. Аппроксимация при использовании суперпозиции функций существует с 1800 года, когда Джозеф Фурье открыл, что он может при помощи синусов и косинусов представить другие функции. Однако, в вейвлет-анализе масштаб используемый при представлении данных играет особую роль. Вейвлет-алгоритм обрабатывает данные при разных масштабах или разрешениях. Если мы посмотрим на сигнал через «маленькое окно», мы отметим мелкие детали. Если мы посмотрим на сигнал через «большое окно», мы отметим крупные детали. Особенность вейвлет-анализа состоит в том, что мы видим, и лес, и деревья, так сказать.

Это делает вейвлеты интересными и полезными. Многие десятилетия ученые хотели использовать другие базовые функции, чем синусы и косинусы для Фурье-анализа, для аппроксимации волнистых сигналов. По их определению, эти функции не локальные (и растягиваются до бесконечности). Они делали «дурную работу» аппроксимируя резкие всплески. Но при помощи вейвлет-анализа, мы можем использовать аппроксимирующие функции имеющие границы существования. Вейвлеты хорошо подходят для аппроксимации данных с резкими сосредоточенными неоднородностями.

Процедура вейвлет-анализа состоит в адаптировании вейвлет-прототипа, называемого анализирующим вейвлетом или вейвлет-предок. Временной анализ проводится с сжатым, содержащим высокие частоты вейвлетом-прототипом, а частотный анализ – проводится с расширенным, низкочастотным тем же самым вейвлет-прототипом. Потому что исходный сигнал может быть представлен в терминах вейвлетов (используя коэффициенты в линейной комбинации вейвлет-функций), операции с данными могут быть выполнены используя только соответствующие вейвлет-коэффициенты. И если вы выберете лучший вейвлет адаптированный к вашим данным или отсечете коэффициенты ниже порога, ваши данные будут представлены выборкой. Это кодирование делает вейвлеты превосходным инструментом в области сжатия данных. [4]