光电子器件 (第3版) 课件 第5、6章 摄像管、 CCD和CMOS成像器件.ppt

输出结构的任务:从输入端输入的电荷包，在时钟脉冲的作用下，很快转移到输出端的最后一个时钟电极下面，还需要把电荷包无破坏地以电流或是以电压的方式输送出去。 输出结构有: 反偏二极管输出结构、浮置扩散层(FD)输出结构、浮置栅结构、分布式浮置栅结构等， 用得最多还是浮置扩散层输出结构。 6.2.5 输出结构 浮置扩散层输出结构 输出栅极为一固定的中等电平，在Φr为低电平，当Φ3下降时，电荷包转移到反偏二极管的位阱中，D点变化，电压变化被T2管放大，检出。 节点D电位变化与信号电荷QS为 CFD浮置扩散点上的总电容，包括输出二极管电容和放大管的栅电容。 MOST2放大管放大后的电压增益为 gm为跨导，RL是输出端负载电阻， 所以输出信号电压 当Φr加正的窄脉冲时，即MOSFTTT1的栅极加有复位电位， T1管导通，UGG电压直接加在D点上。此时，扩散层处于强反型状态，当前一个电荷输出完毕，下一个电荷包尚未输入之前，把前一个电荷包电荷抽走，使输出端T2栅极复位，以准备接收下一电荷包的到来，之后MOST1截止，准备接收电荷。 浮置扩散层ΔVout的波形如图6-20所示，特别注意到输出电荷量少与输出电荷量多两种情况下的波形的差异，在CCD的成像器件中，这分别对应光弱和光强的情况。这种CCD输出结构信号的采集与处理有相关双采样(CDS)、专用的AD转换集成电路、箝位电路三种方法。 6.4 电荷耦合成像器件 6.4.1 线阵电荷耦合成像器件 1．结构： 两相线阵，2048个像素，光敏区、存贮电极、电荷转移电极、CCD移位寄存器、输出机构和补偿机构， 图6-21 TCD102C-1型CCD结构原理图 2．原理 1）光电转换与存储。光透过正面透明电极及电极间隙入射在基底上，产生光生电荷存贮在p-n结和存贮电极下势阱中。 2）转移。当SH为高电平时，光生电荷包被转移到对应的CCD移位寄存器中。当SH为低电平期间进行摄像，PN结存贮光电荷，进行光积累。 在电荷包转移期间，按奇偶序号分开，分别转移到两侧的移位寄存器中去。左端是器件的输出机构，Q1、Q2为场效应管，它们构成源极跟随器，下接两个管子作跟随器负载电阻用，通过它们把携带图像信息的电荷包以电压的形式送到器件以外。 3）输出。OS端就是CCD信号输出电极。RS电极为复位控制极，需要外加适当的复位脉冲，每当前一个电荷包输出完毕，下一电荷包尚未输出之前，RS电极上应出现复位脉冲，它把前一电荷包电荷抽走，使输出管Q1的栅极电位复原，以准备接收下一电荷包到来。右端1S、1G电极组成补偿机构，当外加适当脉冲电压时，可实现肥零补偿。 6.4.2 面阵电荷耦合成像器件(ACCID) 1．帧/场转移结构(FT) （2）帧转移：在相当于垂直消隐期间内，光敏区的信号电 荷平移到暂存区。 （3）行转移：当光敏区处于第二场光积分期间，暂存区的驱动脉冲为行转移脉冲，在相当于水平消隐期间，暂存区将原来从光敏区平移来的信号按一行一行地转移到水平读出寄存器，直至暂存区最上面一行中的信号电荷进入读出寄存器中。 （4）位转移：已进入读出寄存器的信号电荷，在相当于行正程期间，由水平时钟驱动下快速地一行接一行将一行内的电荷包一个个读出，在输出级得到视频信号。 （1）光积分：在一场时间内，光生信号电荷就被收集在这些电极下的势阱中，在整个光敏区便形成了与光像对应的电荷图形。 2．行间转移结构(ILT-CCD) 光敏元呈二维排列，每列光敏单元的右边是一个垂直移位寄存器，光敏元与转移单元之间一一对应，二者之间由转移栅控制，底部仍然是一个水平读出寄存器，其单元数等于垂直寄存器个数。 原理: （1）光敏元在积分期内积累的信号电荷包，在积分期末了时，在转移栅控制下水平地转移一步进入垂直寄存器件。 （2）在相当于水平消隐期间，在、作用下，暂存区将原来从光敏区平移来的信号一行一行地转移到水平读出寄存器，直至暂存区最上面一行中的信号电荷进入读出寄存器中。 （3）已进入读出寄存器的信号电荷，在相当于行正程期间，由水平时钟驱动、下快速地一行接一行将一行内的电荷包一个个读出，在输出极上得到视频信号。 由于行间结构多采用二相或四相电极结构，因此隔行扫描容易实现，只需让和相分别担任奇偶场积分就可以了。 3．帧行间转移（FIT）结构 帧行间转移的CCD采用四相CCD的结构。 （1）光积分 当外界景物成像投影到成像区时，光生信号电荷就被收集在PN结的势阱里，在整个光敏PN结区便形成了与光像对应的电荷图形。 （2）光敏元在积分期内积累的信号电荷包，在积分期末了时，在转移栅高电平控制下水平地转移一步进入垂直寄存器件。转移完成后，转移栅为低电平，光敏区驱动脉冲又处于光积分期间