【文章內(nèi)容簡介】 厚度 d 有關(guān)，即 MOSGokx電容容量 C 與 U 有關(guān)。勢阱的橫截面積取決于柵極電極的面積oxGA，MOS 電容存儲(chǔ)信號(hào)電荷的容量為 Q= C U A ox?G?（）9圖 勢阱 電荷的輸入和輸出 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。 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 Q 為IP = I0eATnq??（）式中， 為材料的量子效率；q 為電子電荷量； 為入射光的?0en?光子流速率；A 為光敏單元的受光面積；T 為光入射時(shí)間。0（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?10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) U 加在輸入二極管 ID 上。當(dāng) 為高電平時(shí)，可將 NIN2?區(qū)（ID 極）看作 MOS 晶體管的源極，IG 為其柵極，而 為其漏極。? 2當(dāng)它工作在飽和區(qū)時(shí)，輸入柵下溝道電流為I = WC(UINUIGU)2/ 2 L S?G（）式中，W 為信號(hào)溝道寬度；L 為注入柵 IG 的長度； 為載流子G?表面遷移率；C 為注入柵電容。經(jīng)過 T 時(shí)間注入后， 下勢阱的信號(hào)電荷量 Q 為c2?s Q = WC(UINUIGU)2 T / 2 L s?cG（）可見這種注入方式的信號(hào)電荷 Q 不僅依賴于 U 和 T ，而且與sIN輸入二極管所加偏壓的大小有關(guān)。因此，Q 與 U 的線性關(guān)系較差。sI2）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 同位相的選通2?脈沖。其寬度小于 的脈寬。在選通脈沖的作用下，電荷被注入到第2?一個(gè)轉(zhuǎn)移柵 下的勢阱里，直到阱的電位與 N 區(qū)的電位相等時(shí)，注?入電荷才停止。 下的勢阱中電荷向下一級(jí)轉(zhuǎn)移之前，由于選通脈沖2已經(jīng)終止，輸入柵下的勢壘開始把 下和 N 的勢阱分開，同時(shí)，留2?在 IG 下的電荷被擠到 和 N 的勢阱中。由此而引起起伏，不僅產(chǎn)生2??輸入噪聲，而且使信號(hào)電荷 Q 與 U 線性關(guān)系變壞。這種起伏，可以IG11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（輸出方式）在 CCD 中，有效地收集和檢測電荷是一個(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)電荷的勢阱，轉(zhuǎn)移到 電極下的電荷包越過輸出柵，流入到深勢阱中。若2?二極管輸出電流為 I ，則信號(hào)電荷 Q 為 Ds Q = I dt s D（） OG2?1 GRDUT1浮 置 擴(kuò) 散T2浮 柵T22?211U333(b)浮 置 擴(kuò) 散 放 大 器 輸 出 (c)浮 置 柵 放 大 器 輸 出12OG RD RgVD 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，T 為復(fù)位端，T 為放大管。復(fù)位管在 下12 2?的勢阱未形成之前，在 RG 端加復(fù)位脈沖 ，使復(fù)位端導(dǎo)通，把浮置k?擴(kuò)散區(qū)剩余電荷抽走，復(fù)位到 U 。而當(dāng)電荷到來時(shí)，復(fù)位管截止，D由浮置擴(kuò)散區(qū)收集的信號(hào)電荷來控制 T 管柵極電位變化，設(shè)電位變化2量為 ，則有U?=Qs/ C ?FD（）式中，C 為浮置擴(kuò)散區(qū)有關(guān)的總電容，如圖 所示，包括浮置FD二極管勢壘電容 C ；OG、DG 與 FD 間的耦合電容 C ，C 及 T 管的d 12輸入電容 Cg。即 C = C + C +C +Cg FDd12（）經(jīng)放大器放大 K 倍后，輸出的信號(hào)V13 U = K 0 VU?（）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，T 的柵極2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 T 的柵極電位，達(dá)到信號(hào)檢測與放大的目的。顯然，2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。由轉(zhuǎn)移到下的電荷所引起的浮柵上電壓的變化 為2?FGU? =|Q5 |/[Cd(C1+CΦ 2+ Cg)+ (CΦ 2+ Cg)] ()FGU?式中，C Φ 2 為 FG 與 間氧化層電容。2?14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 14 ；精度：高m?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+12VSH 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。15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/nsSH 與 的關(guān)系1?1t50 100 —SH 上升/下降時(shí)間 42,0 50 —SH 脈沖寬度 3t200 1000 —上升/下降12時(shí)間76,0 60 100RS 上升/下降時(shí)間 108t,0 20 —RS 脈沖寬度 940 250 —與 RS 的關(guān)1?2系 1t100 125 —信號(hào)輸出延遲時(shí)間 132t,— 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 Φ1Φ2 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。16圖 TCD1206 實(shí)物圖2．硬件連接如圖AVR單 片 機(jī) TCD1206OSPB3PB2PB1PB0 RSSH1?2圖 單片機(jī)與 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。