了解CCD输出信号

在以前的文章中，我们讨论过图像传感器技术并瞄准了电荷耦合器件或ccd。我们讨论了类型的ccd，以及CCD结构与操作、架构和读出时使用的控制信号。

在这些文章中，我一直强调的一点是在CCD中生成和传输的信息的性质:我们正在处理这些信息负责，而不是电压或电流。当入射光子产生电子时，电荷的离散包就形成了，这些电子在电位井和电位屏障的影响下，在CCD的移位寄存器内移动。

电荷电压转换

为了将这种基于电荷的数据整合到一个典型的基于电压的电子电路中，我们需要一个电荷放大器，也就是一个可以接受电子包作为输入并产生电压信号作为输出的设备。

无损放大器

CCD电荷放大器分为两类:非破坏性和破坏性。非破坏性放大器在测量电荷量的过程中不会损坏电荷包，这允许多次读取单个像素的值。这似乎不是一个特别有价值的特性，但它在涉及非常弱的视觉信号的特殊应用中是有用的，因为通过对这些重复测量的平均值，我们可以实现极低的读出噪声。

破坏性的放大器

尽管“破坏性”一词的负面含义，这些类型的电荷放大器是非常有效的，并在绝大多数CCD应用首选。它们具有破坏性，因为给定像素的电荷只被测量一次。

下图展示了一个普通破坏性电荷放大器的结构。

这叫做浮动扩散放大器。浮动扩散是硅的一个区域，它与电路的其他部分没有电连接。因此，它是“浮动的”，就像我们说的一个IC引脚是浮动的，如果它没有连接。

浮扩散具有一定的电容，当它接收到一包电荷时，其电压根据典型电容方程变化:

\ [V = \压裂{Q} {C} \]

记住，我们将电子移动到漂浮扩散中，所以电荷是负的，电压降低。浮动扩散的电容很小，这是理想的，因为电容越小，相对于电荷的电压变化越大。一个CCD数据表，我看了指出，电压呈现给电荷放大器的变化约20µV每电子。

假设有一包电荷被放入漂浮扩散中。M2门没有电流流入，M1处于截止状态，无法从浮动扩散中抽走电荷。与像素电荷量对应的电压成为M2的输入信号，M2配置为源-跟随放大器。

我们有很多像素要读取，所以在外部电路处理缓冲输出电压后，我们需要保持电荷包装配线的移动。应用于M1门极的复位信号使漂浮扩散中的电荷向复位电压节点流失:

当当前像素的所有电荷都被清除后，我们可以移入下一个充电包，循环继续。

CCD输出信号

由CCD执行的读出操作会产生一个具有非常特殊形状的模拟输出波形。如果在某个时候你需要花很长时间在实验室里观察CCD信号，这种波形会在你的记忆中燃烧，并与数字成像永久地联系在一起。这是大概的想法:

图中没有显示任何实际电压值，原因有二:首先，输出信号的直流偏移量在CCD到CCD之间变化，并可以通过外部电路进行移位。其次，以差分方式对信号进行采样，这意味着数字像素值并不取决于绝对电压，而是取决于两个单独采样瞬间电压之间的差值。我们将在下一篇文章中详细讨论这个问题。

一个CCD输出波形由每像素三个部分组成。

• 第一个(对应于图中显示的最高振幅部分)被称为复位故障。我认为这是因为复位脉冲通过FET作用于M1电容偶，并导致了伪瞬态电压。
• 第二部分称为复位电平或参考电平。这两个名字都有意义，因为在这部分波形中，信号保持在复位电压，而这个复位电压作为采样参考。
• 第三个是数据层。这是我们实际看到的模拟电压值对应于给定像素接收到的光量。

结论

我们已经讨论了电荷放大器和由CCD图像传感器产生的模拟波形的基本特性。在下一篇文章中，我们将讨论从CCD信号中提取高质量数字数据的技术。