CCD圖像傳感器典型輸出波形分析

張善鈞

CCD（charge coupled devices），電荷耦合器件，作為目前最主要的圖像傳感器之一，其應(yīng)用十分廣泛，對(duì)生活、科研、生產(chǎn)、安全和軍事都有很重要的影響.雖然，它已高頻率的出現(xiàn)在人們的生活中而為大多數(shù)人們所熟知，例如，數(shù)碼相機(jī)，監(jiān)控?cái)z像頭，違章拍攝相機(jī)等等，但它的內(nèi)部信號(hào)的運(yùn)行卻僅為少數(shù)專業(yè)人士所掌握.因此，當(dāng)人們?cè)谑褂盟倪^(guò)程中，一旦出現(xiàn)故障，就會(huì)感到困惑與束手無(wú)策.如果人們對(duì)它內(nèi)部信號(hào)的運(yùn)行有所了解，則可以對(duì)手中的故障相機(jī)自行進(jìn)行初步的檢查與診斷.

由于CCD圖像傳感器是一個(gè)封裝完善的整體，也多為進(jìn)口器件，對(duì)其進(jìn)行解剖成本過(guò)高，也需要相當(dāng)?shù)膶I(yè)技能，這對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，既不可能也無(wú)必要.但對(duì)于其輸出信號(hào)的檢查，對(duì)其故障原因做出初步判斷并能與生產(chǎn)者進(jìn)行前期溝通，則是完全可以做到的.為了能夠通過(guò)對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)分析，本文首先根據(jù)對(duì)CCD讀出原理的理解，建立模型，對(duì)其正常讀出的典型波形進(jìn)行分析.

一、CCD信號(hào)讀出原理

CCD圖像傳感器通過(guò)內(nèi)光電效應(yīng)把入射到像素上的光轉(zhuǎn)化成為信號(hào)電荷，像素內(nèi)的勢(shì)阱將信號(hào)電荷收集為電荷包.像素內(nèi)的信號(hào)電荷包大小即代表像素上的光強(qiáng)大小.CCD的信號(hào)讀出就是將像素內(nèi)的信號(hào)電荷的多少轉(zhuǎn)化為輸出波形中電壓幅度的變化.其基本原理如下式

ΔV=Q/C（1）

式中V、Q和C分別為電壓、電荷量和電容.CCD圖像傳感器通常以浮置擴(kuò)散放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)該原理，其過(guò)程如圖1所示.

圖中，ΦT、ΦRG分別為轉(zhuǎn)移、復(fù)位時(shí)鐘，控制其所施加電極下方半導(dǎo)體內(nèi)電勢(shì)的變化，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體內(nèi)信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移.OG為輸出柵極，上加一直流偏置，在下方對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體內(nèi)形成固定勢(shì)壘.FD上方無(wú)電極控制，稱為浮置擴(kuò)散區(qū).當(dāng)信號(hào)電荷越過(guò)輸出柵極勢(shì)壘，進(jìn)入FD區(qū)時(shí)，就會(huì)造成此區(qū)電勢(shì)的變化，該變化經(jīng)過(guò)一放大器放大后輸出.此時(shí)FD區(qū)可等效為一電容器，根據(jù)公式（1），其電勢(shì)變化與電荷量成正比，因此起到衡量信號(hào)相對(duì)大小的作用.為了測(cè)量下一個(gè)像素信號(hào)，注入FD區(qū)的上一像素信號(hào)電荷需要被清空.這通過(guò)CCD器件直流偏置VREF來(lái)實(shí)現(xiàn).當(dāng)復(fù)位時(shí)鐘ΦRG消除復(fù)位勢(shì)壘，VREF可將FD區(qū)電勢(shì)瞬間復(fù)位為某固定值.根據(jù)上述電荷檢測(cè)的過(guò)程，CCD output輸出端的電壓值將周期性的恢復(fù)為某一固定電壓值，稱為參考電平.圖1

然而，根據(jù)對(duì)CCD output輸出端的實(shí)際檢測(cè)波形（如圖2），在任一個(gè)像素周期內(nèi)，波形中除對(duì)應(yīng)信號(hào)電荷量的數(shù)據(jù)電平外和一固定參考電平外，仍存在一尖峰信號(hào).該尖峰對(duì)應(yīng)著FD區(qū)的信號(hào)復(fù)位動(dòng)作，被稱為復(fù)位反饋峰.

二、信號(hào)讀出的電容充放電模型

為了解釋CCD輸出波形中復(fù)位反饋峰、參考電平和數(shù)據(jù)電平三個(gè)基本要素的圖3形成原因，根據(jù)CCD浮置擴(kuò)散放大器的工作過(guò)程，建立電容充放電模型如圖3所示.CFDRG為復(fù)位柵極與FD區(qū)之間的寄生電容，CFD為FD區(qū)除CFDRG以外的等效電容；將復(fù)位時(shí)鐘控制復(fù)位勢(shì)壘消失與產(chǎn)生的過(guò)程等效為一個(gè)電壓控制開(kāi)關(guān)K的通斷.

當(dāng)ΦRG=VH時(shí)，K閉合；

當(dāng)ΦRG=VL時(shí)，K斷開(kāi).

首先令

ΦRG=VH（2）

有

VFD=VREF（3）

設(shè)FD點(diǎn)的總電荷量Q0分為兩部分，一部分屬于電容CFDRG，一部分屬于電容CFD，分別記為Q1和Q2，則有：

Q1=CFDRG（VREF-VH）（4）

Q2=CFDVREF（5）

在這個(gè)狀態(tài)的基礎(chǔ)上，令

ΦRG=VL（6）

則K斷開(kāi).此時(shí)，F(xiàn)D點(diǎn)的電荷總量Q0不變，即

Q0=Q1+Q2=VREF（CFD+CFDRG）-VHCFDRG（7）

但Q在CFDRG、CFD上的配分發(fā)生變化，記此時(shí)CFDRG、CFD上的電荷量分別為Q1′和Q2′，

Q1′+Q2′=Q1+Q2=Q0（8）

由于電荷量配分發(fā)生改變，則FD點(diǎn)電壓變?yōu)閂FD′，則有

Q1′=CFDRG（VFD′-VL）（9）

Q2′=CFDVFD′（10）

聯(lián)立方程（7）、（8）、（9）和（10），可求得

VFD′=VREF-CFDRGCFDRG+CFD（VH-VL）（11）

在此基礎(chǔ)上，F(xiàn)D區(qū)增加電荷量QS，則FD區(qū)電壓變?yōu)閂FD″，此時(shí)CFDRG、CFD上的電荷量分別為Q1″和Q2″，有如下關(guān)系成立

Q1″+Q2″=Q0+QS（12）

Q1″=CFDRG（VFD″-VL）（13）

Q2″=CFDVFD″（14）

聯(lián)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數(shù)，則分別為CCD典型波形復(fù)位反饋峰、參考電平和數(shù)據(jù)電平的數(shù)值.

本文基于CCD圖像傳感器電荷讀出基本原理及浮置擴(kuò)散放大的電荷讀出基本方式，建立了CCD電荷讀出的電容充放電模型，利用該模型對(duì)CCD實(shí)際輸出波形中復(fù)位反饋峰、參考電平和數(shù)據(jù)電平三要素給出了解釋.本文可以為CCD輸出端口的波形診斷提供一定的理論參考.

（收稿日期：2016-09-16）