【文章內(nèi)容簡介】 輸入和輸出 9 在 CCD 中，電荷注入的方法很多，歸納起來，可分為兩類：光注入和電注入。 （ 1）光注入 當(dāng)光照射 CCD 硅片時(shí)，在柵極附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子 空穴對(duì)，其多數(shù)載流子被柵極電壓排開，少數(shù) 載流子則被收集在勢(shì)阱中形成信號(hào)電荷。光注入方式又可分為正面照射式及背面照射式。圖 所示為背面照射光注入的示意圖， CCD 攝像器件的光敏單元為光注入方式。光注入電荷 QIP 為 IPQ = 00e ATnq?? （ ） 式中， ? 為材料的量子效率； q 為電子電荷量； 0en? 為入射光的光子流速率； A 為光敏單元的受光面積； T0 為光入射時(shí)間。 （ 2）電注入 所謂電注入就是 CCD 通過輸入結(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)電壓或電流進(jìn)行采樣，將信號(hào)電壓或電流轉(zhuǎn)化為信號(hào)電荷。電注入的方法很多，這里僅介紹兩種常用的電注入法和電壓注入法： 1） 電流注入法 由 N? 擴(kuò)散區(qū)和 P 型襯底構(gòu)成注入二極管。 IG 為CCD 的輸入柵，其上加適當(dāng)?shù)恼珘阂员３珠_啟并作為基準(zhǔn)電壓，模擬輸入信號(hào) UIN 加在輸入二極管 ID 上。當(dāng) 2? 為高電平時(shí)，可將 N? 區(qū)（ ID 極）看作 MOS 晶體管的源極， IG 為其柵極，而 2? 為其漏極。當(dāng)它工作在飽和區(qū)時(shí)，輸入柵下溝道電流為 IS = ? WC(UINUIGU) 2/ 2 LG （ ） 式中， W 為信號(hào)溝道寬度； LG為注入柵 IG 的長度； ? 為載流子表面遷移率； C 為注入柵電容。 經(jīng)過 Tc 時(shí)間注入后， 2? 下勢(shì)阱的信號(hào)電荷量 Qs為 Qs = ? WC(UINUIGU) 2 Tc / 2 LG （ ） 10 可見這種注入方式的信號(hào)電荷 Qs 不僅依賴于 UIN 和 Tc ，而且與輸入二極管所加偏壓的大小有關(guān)。因此， Qs 與 UIN 的線性關(guān)系較差。 2） 電壓注入法 電壓注 入法與電流注入法類似，也是把信號(hào)加到源極擴(kuò)散區(qū)上，所不同的是輸入柵 IG 電極上加與 2? 同位相的選通脈沖。其寬度小于 2? 的脈寬。在選通脈沖的作用下，電荷被注入到第一個(gè)轉(zhuǎn)移柵 2? 下的勢(shì)阱里，直到阱的電位與 N? 區(qū)的電位相等時(shí)，注入電荷才停止。 2? 下的勢(shì)阱中電荷向下一級(jí)轉(zhuǎn)移之前，由于選通脈沖已經(jīng)終止，輸入柵下 的勢(shì)壘開始把 2? 下和 N? 的勢(shì)阱分開，同時(shí)，留在IG 下的電荷被擠到 2? 和 N? 的勢(shì)阱中。由此而引起起伏，不僅產(chǎn)生輸入噪聲，而且使信號(hào)電荷 Q 與 UIG 線性關(guān)系變壞。這種起伏，可以通過減小 IG 電極的面積來克服。另外，選通脈沖的截止速度減慢也能減小這種起伏。 電壓注入法的電荷注入量 Q 與時(shí)鐘脈沖頻率無關(guān)。 2. 電荷的檢測(cè)（輸出方式） 在 CCD 中，有效地收集和檢測(cè)電荷是一個(gè)重要問題。 CCD 的重要特性之一是信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移過程中與時(shí)鐘脈沖沒有任何電容耦合，而在輸出端則不可避免。因此，選擇適當(dāng)?shù)妮敵龆穗娐房梢员M可能地減少時(shí)鐘脈沖容性地饋入輸出電路的程度。目前 CCD 的輸出方式主要有電流輸出，浮置擴(kuò)散放大器輸出和浮置柵放大器輸出。 （ 1）電流輸出 如圖 （ a）所示，由反向偏置二極管收集信號(hào)電荷來控制 A 點(diǎn)電位的變化，直流偏置的輸出柵 OG 用來使漏擴(kuò)散和時(shí)鐘脈沖之間退耦，由于二極管反向偏置，形成一個(gè)深陷落信號(hào)電荷的勢(shì)阱，轉(zhuǎn)移 到 2? 電極下的電荷包越過輸出柵，流入到深勢(shì)阱中。若二極 11 管輸出電流為 ID ，則信號(hào)電荷 Qs 為 Qs = ID dt （ ） OG2?1?GRDDUT1浮置擴(kuò)散T2浮柵T22? 2?1? 1? DDU3? 3? 3?(b ) 浮置擴(kuò)散放大器輸出 (c ) 浮置柵放大器輸出OGRDRgVD Φ 1 Φ 2 （a） 電流輸出A 放大 圖 電荷輸出電路 （ 2）浮置擴(kuò)散放大器輸出 如圖 （ b）所示，前置放大器與CCD 同做在一個(gè)硅片上， T1 為復(fù)位端， T2 為放大管。復(fù)位管在 2? 下的勢(shì)阱未形成之前，在 RG 端加復(fù)位脈沖 k? ，使復(fù)位端導(dǎo)通，把浮置擴(kuò)散區(qū)剩余電荷抽走，復(fù)位到 UDD 。而當(dāng)電荷到 來時(shí)，復(fù)位管截止，由浮置擴(kuò)散區(qū)收集的信號(hào)電荷來控制 T2 管柵極電位變化，設(shè)電位變化量為 U? ，則有 12 U? =Qs/ CFD （ ） 式中， CFD 為浮置擴(kuò)散區(qū)有關(guān)的總電容，如圖 所示，包括浮置二極管勢(shì)壘電容 Cd ； OG、 DG 與 FD 間的耦合電容 C1 ， C2 及 T 管的輸入電容 Cg。即 CFD = Cd + C1 +C2 +Cg （ ） 經(jīng)放大器放大 KV 倍后，輸出的信號(hào) U0 = KV U? （ ） 以上兩種輸出機(jī)構(gòu)均為破壞性的一次性輸出。 （ 3）浮置柵放大器輸出 （ c）為浮置柵放大器輸出， T2 的柵極不是直接與信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移溝道相連接，而是與溝道上面的浮置柵相連。當(dāng)信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移到浮置柵下面的溝道時(shí)，在浮置柵上感應(yīng)出鏡 像電荷，以次來控制 T2 的柵極電位，達(dá)到信號(hào)檢測(cè)與放大的目的。顯然，這種機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)電荷在轉(zhuǎn)移過程中進(jìn)行非破壞性檢測(cè)。由轉(zhuǎn)移到 2?下的電荷所引起的浮柵上電壓的變化 FGU? 為 FGU? =|Q5 |/[Cd(C1+CΦ 2+ Cg)+ (CΦ 2+ Cg)] () 式中， CΦ 2為 FG 與 2? 間氧化層電容。 13 第三章 典型芯片 TCD1206 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) TCD1206 主要有以下特性： 有效象元素： 2160 個(gè)；象元中心距： 14 m? 14 m? ；精度：高靈敏度，低暗電流輸出；驅(qū)動(dòng)信號(hào)： 5VCMOS 電平直接驅(qū)動(dòng)；電源電壓： 12V單一電源。 表 31 芯片各管腳介紹 管腳符號(hào) 管腳名稱 管腳符號(hào) 管腳名稱 1? ， 2? 轉(zhuǎn)移脈沖第 2 相 OS 信號(hào)輸出 NC 接地端 DOS 補(bǔ)償輸出 RS 復(fù)位脈沖 OD 電源 +12V SH 積分脈沖 SS 地 為了實(shí)現(xiàn)高驅(qū)動(dòng)頻率和減少對(duì)資源的浪費(fèi)，應(yīng)當(dāng)選擇速度快而結(jié)構(gòu)緊湊的單片機(jī)作為產(chǎn)生 CCD 驅(qū)動(dòng)時(shí)序的 CPU。 1． CCD 的時(shí)序分析 應(yīng)用單片機(jī)編程產(chǎn)生 CCD 驅(qū)動(dòng)時(shí)序前，首先要確定所需產(chǎn)生的時(shí)序。 TCD1206UP 是一種高速高分辨率的線陣 CCD 器件，其擁有 2160個(gè)有效像元。 在驅(qū)動(dòng) TCD1206UP 的時(shí)序里要求各個(gè)脈 沖信號(hào)之間具有嚴(yán)格的相位關(guān)系。其驅(qū)動(dòng)時(shí)序要求見附錄。 SH 是轉(zhuǎn)移脈沖，脈沖寬度標(biāo)準(zhǔn)值為 1000ns，其周期為光信號(hào)積分時(shí)間。 OS 輸出周期至少為 2236 個(gè)像元的輸出周期； Φ1 和 Φ2 是雙相驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘，時(shí)鐘頻率標(biāo)準(zhǔn)值為 ； RS 是復(fù)位脈沖，標(biāo)準(zhǔn)值為 1MHz；OS 是信號(hào)輸出，各信號(hào)之間的定時(shí)關(guān)系見表 32。 14 表 32 各信號(hào)定時(shí)關(guān)系 項(xiàng)目 記號(hào) 最小值/ns 標(biāo)準(zhǔn)值/ns 最大值/ns SH 與 1? 的關(guān)系 1t 5t 0 100 — SH 上升 /下降時(shí)間 42t,t 0 50 — SH 脈沖寬度 3t 200 1000 — 1? 2? 上升 /下降時(shí)間 76t,t 0 60 100 RS 上升 /下降時(shí)間 108t,t 0 20 — RS 脈沖寬度 9t 40 250 — 1? 2? 與 RS 的關(guān)系 11t 100 125 — 信號(hào)輸出延遲時(shí)間 1312t,t — 90 — 由此， CCD 驅(qū)動(dòng)信號(hào)特征： （ 1） RS 信號(hào)占空比 1： 3，上升邊沿有效，寬度 t9＞ 40ns，且 RS與 Φ 1Φ 2有時(shí)序要求。 （ 2） SH 在 1MHz 下的寬度（光積分時(shí)間）為了獲得較好的時(shí)序信號(hào)，將各階段的時(shí)序存入幾個(gè)寄存器中，再由程序連續(xù)地送到AT90S1200 的 PB 口。 15 圖 TCD1206實(shí)物圖 2．硬件連接如圖 AV R 單片機(jī) TC D1 20 6OSPB 3PB 2PB 1PB 0RSSH1?2? 圖 CCD的連接 3．指令配置 因?yàn)檗D(zhuǎn)移指令要根據(jù)某種條件產(chǎn)生程序的分支，而分支程序在不同條件下執(zhí)行的指令周期是不同的，因而造成 CCD 驅(qū)動(dòng)時(shí)序不準(zhǔn)確。但是完全不使用轉(zhuǎn)移 指令，對(duì)于上千像元的 CCD 來說，其一個(gè)工作周期往往需要十幾千字節(jié)甚至更多字節(jié)的程序存儲(chǔ)器。 解決的辦法是避免雙重循環(huán)結(jié)構(gòu)，采用若干重復(fù)的單循環(huán)結(jié)構(gòu)，填補(bǔ)其它指令以解決不同分支入口處機(jī)器周期數(shù)不同的問題，使產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)時(shí)序嚴(yán)格符合要求。 16 圖 TCD1206UP的驅(qū)動(dòng) 電路 CCD 信號(hào)的處理方法 依據(jù)對(duì) CC