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，其應用十分廣泛，對生活、科研、生產、安全和軍事都有很重要的影響.雖然，它已高頻率的出現在人們的生活中而為大多數人們所熟知，例如，數碼相機，監控攝像頭，違章拍攝相機等等，但它的內部信號的運行卻僅為少數專業人士所掌握.因此，當人們在使用它的過程中，一旦出現故障，就會感到困惑與束手無策.如果人們對它內部信號的運行有所了解，則可以對手中的故障相機自行進行初步的檢查與診斷.

由于CCD圖像傳感器是一個封裝完善的整體，也多為進口器件，對其進行解剖成本過高，也需要相當的專業技能，這對用戶來說，既不可能也無必要.但對于其輸出信號的檢查，對其故障原因做出初步判斷并能與生產者進行前期溝通，則是完全可以做到的.為了能夠通過對輸出信號進行檢測分析，本文首先根據對CCD讀出原理的理解，建立模型，對其正常讀出的典型波形進行分析.

一、CCD信號讀出原理

CCD圖像傳感器通過內光電效應把入射到像素上的光轉化成為信號電荷，像素內的勢阱將信號電荷收集為電荷包.像素內的信號電荷包大小即代表像素上的光強大小.CCD的信號讀出就是將像素內的信號電荷的多少轉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散放大器來實現該原理，其過程如圖1所示.

圖中，ΦT、ΦRG分別為轉移、復位時鐘，控制其所施加電極下方半導體內電勢的變化，實現半導體內信號電荷的轉移.OG為輸出柵極，上加一直流偏置，在下方對應的半導體內形成固定勢壘.FD上方無電極控制，稱為浮置擴散區.當信號電荷越過輸出柵極勢壘，進入FD區時，就會造成此區電勢的變化，該變化經過一放大器放大后輸出.此時FD區可等效為一電容器，根據公式（1），其電勢變化與電荷量成正比，因此起到衡量信號相對大小的作用.為了測量下一個像素信號，注入FD區的上一像素信號電荷需要被清空.這通過CCD器件直流偏置VREF來實現.當復位時鐘ΦRG消除復位勢壘，VREF可將FD區電勢瞬間復位為某固定值.根據上述電荷檢測的過程，CCD output輸出端的電壓值將周期性的恢復為某一固定電壓值，稱為參考電平.圖1

然而，根據對CCD output輸出端的實際檢測波形（如圖2），在任一個像素周期內，波形中除對應信號電荷量的數據電平外和一固定參考電平外，仍存在一尖峰信號.該尖峰對應著FD區的信號復位動作，被稱為復位反饋峰.

二、信號讀出的電容充放電模型

為了解釋CCD輸出波形中復位反饋峰、參考電平和數據電平三個基本要素的圖3形成原因，根據CCD浮置擴散放大器的工作過程，建立電容充放電模型如圖3所示.CFDRG為復位柵極與FD區之間的寄生電容，CFD為FD區除CFDRG以外的等效電容；將復位時鐘控制復位勢壘消失與產生的過程等效為一個電壓控制開關K的通斷.

當ΦRG=VH時，K閉合；

當ΦRG=VL時，K斷開.

首先令

ΦRG=VH（2）

有

VFD=VREF（3）

設FD點的總電荷量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）

在這個狀態的基礎上，令

ΦRG=VL（6）

則K斷開.此時，FD點的電荷總量Q0不變，即

Q0=Q1+Q2=VREF（CFD+CFDRG）-VHCFDRG（7）

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

Q1′+Q2′=Q1+Q2=Q0（8）

由于電荷量配分發生改變，則FD點電壓變為VFD′，則有

Q1′=CFDRG（VFD′-VL）（9）

Q2′=CFDVFD′（10）

聯立方程（7）、（8）、（9）和（10），可求得

VFD′=VREF-CFDRGCFDRG+CFD（VH-VL）（11）

在此基礎上，FD區增加電荷量QS，則FD區電壓變為VFD″，此時CFDRG、CFD上的電荷量分別為Q1″和Q2″，有如下關系成立

Q1″+Q2″=Q0+QS（12）

Q1″=CFDRG（VFD″-VL）（13）

Q2″=CFDVFD″（14）

聯立（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，則分別為CCD典型波形復位反饋峰、參考電平和數據電平的數值.

本文基于CCD圖像傳感器電荷讀出基本原理及浮置擴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CCD實際輸出波形中復位反饋峰、參考電平和數據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）