Шумы — мифы и реальность  

17.07.2013

17.07.2013

Всегда интересно работать с фоточувствительным сенсором, который обладает очень и очень высокими характеристиками, настолько высокими, что уже собственные шумы схемы становятся значимыми с уровнем сигнала. Именно разработка отладочного комплекта такого сенсора (e2v CCD47-20) была завершена в мае коллективом разработчиков «КБ ВиТА». Несмотря на напряженный график работ по разработке новых устройств, мы нашли время провести измерения шумов сенсора и схемы (отладочный комплект не является примером идеальных или лучших схемотехнических решений, а призван продемонстрировать работу и формирование сигналов управления сенсором разработчикам фотоприёмых устройств).

Важной характеристикой сенсора и окружающей его схемотехники являются шумы чтения. Именно они не могут быть в полной мере учтены и являются значимыми при последующей обработке. Именно их мы и решили измерить. Нами были записано сто кадров в штатном режиме чтения сенсора с частотой выборки данных 1 МГц. Сенсор не охлаждался и его температура составляла около 35°С. Разрядность АЦП 14 бит. Усиление соответствует 5 e^- на отсчёт. Grade сенсора: engineering (инженерный образец с, возможно, ухудшенными характеристиками в части темновых токов и равномерности характеристик элементов).

Нами были получены изображения вида:

Изображение сильно контрастировано. Кажущийся уровень дробового шума соответствует 4-10 отсчётам. Разность яркости обусловлена тем, что, к несчастью, один выходной каскад исследуемого сенсора получил повреждение и внутри сенсора пробит на «землю»

В первую очередь, мы получили фурье преобразование данных с сенсора, что позволило судить о наличии шумов источников или других периодических, синхронных с сенсором паразитных шумов.

Спектр сигнала в целом равномерен, что позволяет считать, что в сигнале не присутствует ярко выраженных паразитных составляющих.

Следующий шаг оценка равномерности по строке. Тут нас ждал «сюрприз»:

Просуммировав строки всех кадров, мы увидели затухающие колебания, которые начинаются в начале строки и почти затухают в концу выборки данных. Их природа – недостаточная фильтрация питания выходного усилителя сенсора. Но в данном случае данные колебания статические, повторяются от строки к строке и в малой степени влияют на измерения.

Исключив из полученных сигналов известные составляющие такие как: постоянная составляющая и колебательный процесс по строке, мы получили оценку шума в виде СКО, которая составила 3.4 отсчёта или 17 e^-. Много это или мало? Необходимо понять, какие составляющие вошли в данный шум:

• шум выходного усилителя;
• шумы схемы (объединённые);
• шумы квантования.

Шум квантования не зависит от схемы, а только от шага квантования и составляет не более 1.5 е^-.

С шумом входного усилителя чуть сложнее. CCD47-20 имеет следующую зависимость шумов выходного усилителя от частоты считывания данных:

Таким образом, для частоты 1 МГц шумы составляют 6 e^-. А на долю шумов схемы остаются 9 e^-.

Таким несложным образом, мы получили косвенную оценку шумов схемы нашего отладочного комплекта. Можно ли получить оценку прямым способом? Как оказалось да. «Не было бы счастья, да несчастье помогло». Уникальность изучаемого нами комплекта состоит в том, что в используемом сенсоре один выходной регистр не работает. Все сигналы формируются, но внутри сенсора сигнал соединён с землёй, таким образом, при всех сохранившихся электромагнитных параметрах мы можем произвести прямое измерение шумов во второй части изображения, которое составило 1.2 отсчёта или 6 e^-. За вычетом шумов квантования, шумы схемы составляют около 5 e^-. Где находится правда? Наверное, где-то посередине. Мы склонны считать, что «теплый» (с температурой 35°C) выходной регистр шумит чуть больше, чем приведено в документации у производителя. Но измерения охлаждённого отладочного комплекта – это тема отдельной статьи.

Итак, подведём итоги, отладочный комплект e2v CCD47-20 «КБ ВиТА» обладает следующими шумовыми характеристиками:

• шумы квантования: 1.5 e^-;
• шум выходного регистра сенсора 8 e^-;
• шумы схемы 8 e^-.

PS: используемые для обработки данные хранятся на сервере ООО «НПК «Фотоника» и могут быть по отдельному запросу предоставлены сторонним разработчикам.