CCD图像传感器典型输出波形分析.doc

CCD图像传感器典型输出波形分析CCD（charge coupled devices） ，电荷耦合器件，作为目前最主要的图像传感器之一，其应用十分广泛，对生活、科研、生产、安全和军事都有很重要的影响.虽然，它已高频率的出现在人们的生活中而?榇蠖嗍?人们所熟知，例如，数码相机，监控摄像头，违章拍摄相机等等，但它的内部信号的运行却仅为少数专业人士所掌握.因此，当人们在使用它的过程中，一旦出现故障，就会感到困惑与束手无策.如果人们对它内部信号的运行有所了解，则可以对手中的故障相机自行进行初步的检查与诊断. 由于 CCD图像传感器是一个封装完善的整体，也多为进口器件，对其进行解剖成本过高，也需要相当的专业技能，这对用户来说，既不可能也无必要.但对于其输出信号的检查，对其故障原因做出初步判断并能与生产者进行前期沟通，则是完全可以做到的.为了能够通过对输出信号进行检测分析，本文首先根据对 CCD读出原理的理解，建立模型，对其正常读出的典型波形进行分析. 一、CCD 信号读出原理 CCD 图像传感器通过内光电效应把入射到像素上的光转化成为信号电荷，像素内的势阱将信号电荷收集为电荷包.像素内的信号电荷包大小即代表像素上的光强大小.CCD 的信号读出就是将像素内的信号电荷的多少转化为输出波形中电压幅度的变化.其基本原理如下式 ΔV=Q/C（1） 式中 V、Q 和 C分别为电压、电荷量和电容.CCD 图像传感器通常以浮置扩散放大器来实现该原理，其过程如图 1所示. 图中，ΦT、ΦRG 分别为转移、复位时钟，控制其所施加电极下方半导体内电势的变化，实现半导体内信号电荷的转移.OG 为输出栅极，上加一直流偏置，在下方对应的半导体内形成固定势垒.FD 上方无电极控制，称为浮置扩散区.当信号电荷越过输出栅极势垒，进入 FD区时，就会造成此区电势的变化，该变化经过一放大器放大后输出.此时 FD区可等效为一电容器，根据公式（1） ，其电势变化与电荷量成正比，因此起到衡量信号相对大小的作用.为了测量下一个像素信号，注入 FD区的上一像素信号电荷需要被清空.这通过 CCD器件直流偏置 VREF来实现.当复位时钟 ΦRG 消除复位势垒，VREF 可将 FD区电势瞬间复位为某固定值.根据上述电荷检测的过程，CCD output 输出端的电压值将周期性的恢复为某一固定电压值，称为参考电平.图 1 然而，根据对 CCD output输出端的实际检测波形（如图 2） ，在任一个像素周期内，波形中除对应信号电荷量的数据电平外和一固定参考电平外，仍存在一尖峰信号.该尖峰对应着 FD区的信号复位动作，被称为复位反馈峰. 二、信号读出的电容充放电模型 为了解释 CCD输出波形中复位反馈峰、参考电平和数据电平三个基本要素的图 3形成原因，根据 CCD浮置扩散放大器的工作过程，建立电容充放电模型如图 3所示.CFDRG为复位栅极与 FD区之间的寄生电容，CFD 为 FD区除CFDRG以外的等效电容；将复位时钟控制复位势垒消失与产生的过程等效为一个电压控制开关 K的通断. 当 ΦRG=VH 时，K 闭合； 当 ΦRG=VL 时，K 断开. 首先令 ΦRG=VH（2） 有 VFD=VREF（3） 设 FD点的总电荷量 Q0分为两部分，一部分属于电容CFDRG，一部分属于电容 CFD，分别记为 Q1和 Q2，则有： Q1=CFDRG（VREF-VH） （4） Q2=CFDVREF（5） 在这个状态的基础上，令 ΦRG=VL（6） 则 K断开.此时，FD 点的电荷总量 Q0不变，即 　　Q0=Q1+Q2=VREF（CFD+CFDRG）-VHCFDRG（7） 但 Q在 CFDRG、CFD 上的配分发生变化，记此时CFDRG、CFD 上的电荷量分别为 Q1′和 Q2′， Q1′+Q2′=Q1+Q2=Q0（8） 由于电荷量配分发生改变，则 FD点电压变为 VFD′，则有 Q1′=CFDRG（VFD′-VL） （9） Q2′=CFDVFD′（10） 联立方程（7） 、 （8） 、 （9）和（10） ，可求得 VFD′=VREF-CFDRGCFDRG+CFD（VH-VL） （11） 在此基础上，FD 区增加电荷量 QS，则 FD区电压变为VFD″，此时 CFDRG、CFD 上的电荷量分别为 Q1″和 Q2″，有如下关系成立 Q1″+Q2″=Q0+QS（12） Q1″=CFDRG（VFD″-VL） （13） Q2″=CFDVFD″（14） 联立（7） 、 （12） 、 （13） 、 （14）得 VFD″=VREF-CFDRGCFDRG+CFD（VH-VL）+QSCFDRG+CFD（15） 上述公式（3） 、 （11）和（15）中的VFD、VFD′、VFD″乘以放大器的放大系数，则分别为 CCD典型波形复位反馈峰、参考电平和数据电平的数值. 　　本文基于 CCD图像传感器电荷读出基本原理及浮置扩散放大的电荷读出基本方式，建立了 CCD电荷读出的电容充放电模型，利用该模型对 CCD实际输出波形中复位反馈峰、参考电平和数据电平三要素给出了解释.本文可以为CCD输出端口的波形诊断提供一定的理论参考. （收稿日期：2016-09-16）。