（通信与信息系统专业论文）高分辨率全帧ccd驱动电路技术研究.pdf

摘要 本论文题目来源于“航空c c d 数码相机”预研项目，文章主要介绍了该数码 相机中c c d 驱动电路的设计与开发，对软件、硬件原理功能及其实现分别进行了 讨论ac c d 驱动电路的核心部分是时序脉冲产生电路，目前国内大都采用可编程 逻辑器件来设计这部分电路。在本设计中，针对所选用c o d 芯片的类型和特点， 这部分电路的设计主要基于时序脉冲产生芯片来完成，通过硬件1 2 c 对其进行参 数配置，并由它产生c c d 工作所需的复杂驱动时序和相机电子系统控制逻辑时序。 为精确和简化设计，驱动电路的其它部分也全部采用集成芯片来设计。设计完成 后，对电路进行了调试，由于整个电路全部采用集成芯片，调试较为简单。调试 结果证明驱动电路功能正确，可靠性较强，能够很好地满足所选c c d 的驱动要求。 关键词：电荷耦合器件1 2 c 总线相关双采样时序脉冲产生器驱动电路 a b s t r a c t y u a nh u a m i n g ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f l i ub o t h i st h e s i sd e r i v e sf r o mt h eir e - r e s e a r c hp r o j e c t “a e r i a lr e c o n n a i s s a n c ec c d a i g i t a lc a m e r a t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to fc c dd r i v i n g c i r c u i t , 缸n s a l n gt h es t r u c t u r e ，f u n c t i o n sa n dr e a l i z a t i o no ft h es y s t e ms o f t w a r ea n d h a r d w a r e t h i st h e s i sa c c o m p l i s h e st h es t r u c t u r ed e s i g no fc c dd r i v i n gc i r c u i t t h e t i 】删i n gp u l s eg e n e r a t i o nc i r c u i tp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h ec c dd r i v i n gc i r c u i t i nm yd e s i g n , a i m i n ga tt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ec h o o s e dc c d i m a g es e n s o r , ia d o p t t h es p e c i f i ct u n i n gp u l s eg e n e r a t o ri ct od e s i g nt h ed r i v i n gc i r c u i t , ii n t r o d u c e da m e t h o dt h r o u g hs o f t w a r ec o n f i g u r a t i o nt og e n e r a t et h ec o m p l e xd r i v i n gt i m i i l go f c c d ， t h ec o n t r o l1 0 9 i ct i m i n go ft h ew h o l ee l e c t r o n i cs y s t e mo fc c dc a m e r a i no r d e rt o s i m p l i f yt h et h ed e s i g na n d m a k et h ed e s i g nm o r ep r e c i s e ，ia d o p tt h es p e c i f i ci cf o r o t h e rp a r t so f d r i v i n gc i r c u i t b e c a u s et h ew h o l es y s t e r nc o n s i s t so f t h es p e c i f i ci cf o r c c d ，t h ec i r c u i td e b u g g i n gi ss i m p l e ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ec i r c u i t i sc h a r a c t e r i z e db yc o r r e c tf u n c t i o n ，h i g hr e l i a b i l i t y ；i tc a n s a t i s f yt h ed r i v i n gn e e df o r c c d k e yw o r d s ：c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 1 2 cb u sc d s ( c o r r e l a t e dd o u b l e s a m p l i n g ) p p g ( p u l s ep a t t e r ng e n e r a t o r ) d r i v i n gc i r c u i t i l 科研道德声明 秉承研究所严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人 在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中所引用的内容都已给予 了明确的注释和致谢。与我一同工作豹同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处， 论文作者签名：主二绝堑 本人承担一切相关责任。 日期：! 型。! ：! ! 知识产权声明 本人完全了解中科院西安光学精密机械研究所有关保护知识产权的规定， 即：研究生在所攻读学位期间论文工作的知识产权单位系中科院西安光学精密机 械研究所。本人保证离所属，发表基于研究生工作的论文或使用本论文工作成果 时必须征得产权单位的同意，同意后发表的学术论文署名单位仍然为中科院西安 光学精密机械研究所。产权单位有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和 借阅；产权单位可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩e p 或其它复 谁4 手段保存论文。 ( 保密的论文在解密厢应遵守此规定) 论文作者签名：复二纽3论文作者签名：堑蔓i ；i ：竺j 日期 ，# 】 导师签名：越 日期么! ! ! 第1 章绪论 第1 章绪论 在这一章中主要介绍了c c d 驱动电路技术的发展情况。同时特别介绍了c c d 驱动电路中最关键的时序脉冲产生电路的几种设计方法，并对各种方法做了简单 比较，最终确定本设计中所采用的方法 1 1 c c d 驱动电路技术 c c d 图像传感器的基本功能是完成光信号电荷包的产生、存储、转移和输出， 要想完成这一系列工作，必须要在外围驱动电路的驱动下才能实现。一般对于面 阵c c d ，驱动电路从功能上可以分为以下几部分：( 1 ) 时序脉冲产生电路；( 2 ) 垂直 驱动电路；( 3 ) 水平驱动电路；( 4 ) 信号预处理电路，包括相关双采样，可控增益放 大，模数转换电路。其中信号预处理电路也叫前后端电路( f r o n te n d ) ，它起连 接前端c c d 电路和后端图像处理电路的桥梁作用，主要功能是对c c d 输出的视频 模拟信号进行消噪、放大和模数转换等信号预处理。时序脉冲产生电路是整个驱 动电路设计的关键所在。它不仅负责产生c c d 正常工作所需的驱动时序，而且信 号预处理电路也需要由它来提供一些控制信号，比如嵌位和采样保持等脉冲信 号，同时后续的图像处理、压缩、存储等工作都必须与前端c c d 光信息采集和转 移输出的过程同步进行，这样就需要时序脉冲产生电路来产生同步控制逻辑时序 来进行协调工作。 1 1 1o c d 驱动电路发展概况 c c d 驱动电路随着半导体技术细微化的发展也不断地向更加集成化和更加小 型化的方向发展。如图卜1 所示，最初的驱动电路中各个部分都由分立的元器件 组成，缺点不言而喻。而随着9 0 年代信号处理的数字化和模拟前后端电路的c k l o s 化和低电压化，集成了相关双采样，可控增益放大和模数转换三种功能的芯片出 现了，这样就大大简化了信号预处理电路的设计。并且时序脉冲产生器和水平 垂直同步信号产生器也被集合成了单一芯片。2 0 0 0 年后，随着半导体制造技术的 高分辨宰全帧c c d 驱动电路技术研究 纳米化，集成了时序脉冲产生器，垂直驱动器，模拟前后端三种功能的芯片出现 了，这样c c d 的外围驱动电路只需要一块核心芯片就可以完成，大大地减小了电 路尺寸，减小了功耗。总得来说，随着芯片制造技术得不断发展，c c d 的驱动电 路正在越来越来向小型化和低功耗的方向发展。在本设t i - q ，准备采用第二种结构。 图卜1c c d 驱动电路结构演变图 1 1 2c o d 时序脉冲产生电路设计方法 c c d 驱动时序是一组周期性的，关系比较复杂的时序脉冲信号，而且具有特 定的电压电平，它是直接影响c c d 转换效率，信噪比等光电转换特性的一个重要 因素。精确的驱动时序是c c d 器件正常稳定工作的保证? 所以如何设计出可靠的 c c d 驱动时序电路，就成为c c d 应用的关键问题之一。总的来说，c c d 时序脉冲产 生电路的设计可以有很多种方法，主要有直接数字电路驱动法，单片机驱动法。 2 第l 章绪论 e p r 伽( 可擦可编程只读存储器) 驱动法，可编程逻辑器件驱动法和专用i c 驱动 法根据c c d 类型的不同，可以采取不同的设计方法，而且各个方法都有各自的 优缺点，下面分别进行分别介绍： 1 直接数字电路驱动法：这种时序电路通常由振荡电路、逻辑门电路、计数器 电路、单稳态电路等构成。这种方法尽管可以产生出高频的驱动脉冲，稳定性也 好，但是逻辑设计较复杂，电路设计周期长，电路元气件多，电路板面积大，调 试非常困难。该方法目前基本上已经很少采用了。 2 单片机驱动法：该方法是通过对单片机进行编程，由单片机的i 0 端口来输 出c c d 驱动脉冲信号。这种方法灵活性好，对不同的c c d 器件只需要修改程序即可， 但是由于时序的产生完全依赖程序指令的延时来实现，而目前的单片机时钟频率 较低，因此由指令产生多路脉冲时，其最高频率不过几百千赫，要达到兆赫级的 c c d 驱动频率则无能为力。 3 e p r o m 驱动法：该方法是在e p r o m 中事先存放好驱动c c d i 作的所有时序信号 数据，由计数电路产生e p r o m 地址，从而使e p r o m 输出特定的时序信号，但编制e p r 啡 程序单调繁冗，易出现错误，给调试带来困难，不适合设计大面阵的c c d 的驱动时 序电路。 4 可编程逻辑器件驱动法：这种方法是目前国内比较常用的一种方法，可编程 逻辑器件可以采用f p g a 或c p l d 。这种方法的器件集成度高，电路板面积小，频率 也可以很高。在应用这种方法设计c c d 的时序电路时，主要有两种输入方法，原理 图设计输入法和硬件描述语言设计输人法。原理图设计法仍然是自下向上的传统 设计方法。利用已有的逻辑元器件来构造成硬件电路。原理图输人法要求设计人 员按照设计数字电路的过程，一步一步地进行原理图的设计，尤其c c d 芯片需要复 杂的三相或四相交迭驱动脉冲时，一般整个驱动电路的原理图设计将变得非常复 杂，那么就要求设计人员对数字电路相当熟悉。与原理图输入法相比，硬件描述 语言则与电路的结构有关，数字系统的设计直接面向用户需求，根据系统的行为 和功能要求，白上向下地逐层完成相应的描述、综合、优化、仿真与验证，直到 生成最终的硬件电路，可以省去大量时序电路的设计。 5 专用i c 驱动法：这种驱动方法利用专门为某型号或某种类的c c d 设计的时序 高分辨率全帧c c d 驱动电路技术研究 脉冲芯片来设计驱动时序电路，这种方法具有很多优点，如设计和调试较为简单， 只需通过软件设置其工作参数即可。电路的集成度也很高，可靠性好，功耗很低， 但是与可编程逻辑器件驱动法相比，该方法最大的缺点就是灵活性不够好。 由于本设计中选用的c c d 类型是全帧型，并且分辨率较高。对于面阵c c d 的 驱动电路设计相对线阵c c d 来说更有难度，因为面阵c c d 的驱动时序要很好地保 证光积分，垂直行转移，行一串行转移，水平像素串行输出等状态切换期间的平稳 过渡，避免图像信息的丢失。并确保所有转移时钟( 水平转移和垂直转移) 的上 升沿和下降沿时间能够足够地快，因为过慢的时钟驱动会导致过短的交叠时间， 从而导致电荷转移效率降低，像素点分离效果差以及垂直条纹的出现。这种c c d 的驱动时序一般都较为复杂，如果自行设计时序脉冲产生单元，不管是采用上述 前四种中的哪种方法难度都较大，必须要通过很精确的设计才能达到驱动要求 所以采用专用i c 驱动法来设计，采用现成的专用集成芯片设计产生出所要求的驱 动时序和偏置电压相对简单。 i i 3 其它电路的设计方法 对于垂直驱动电路和水平驱动电路，目前大都采用现成的驱动芯片来实现， 已经很少采用分立元器件电路。以专用的驱动芯片为核心来设计电路即能达到较 高的可靠性，同时也减少了不少的工作量和设计成本。对于信号预处理电路同样 采用集合相关双采样、可控增益放大和模数转换三种功能于一身的专用芯片来设 计 i 2 论文基本结构 论文在结构上共分为6 章：第一章介绍了c c d 驱动电路设计方法以及发展情 况；第二章对c c d 图像传感器做了介绍，主要介绍了c c d 工作原理以及特性参数， 并与c m o s 做了比较，同时对c c d 的电子快门特性做了简单介绍；第三章主要对本 设计中所选用的c c d 做了介绍，同时针对所选c c d 给出了驱动电路总体设计思想； 第四章主要介绍了整个系统的硬件设计以及软件设置等方面内容；第五章给出了 系统调试和实验结果；最后一章对全文做了总结。 4 第2 章c c d 概述 第2 章c c d 概述 近几十年来，随着新型半导体材料的不断涌现和器件细微化技术的日趋完 备，c c d 技术得到了很快的发展，已经广泛应用于信号处理，数字存储及影像传 感等领域。其中c c d 技术在影像传感中的应用最为广泛，已经成为现代光电子学 和测试技术中最活跃、最富有成果的领域之一，被广泛运用于机器入视觉，安全 保卫系统，智能交通系统以及i n t e r n e t 接入装置。而在各种各样的c c d 应用技术 中，c c d 驱动电路的设计已经成为最为关键和重要的技术。而驱动电路的设计是 根据所选用的c c d 芯片的类型和参数来设计的，因此在进行c c d 驱动电路设计之 前，对于c c d 的工作原理及特点要详细了解，所以本章主要对c c d 器件做了概括 性的介绍，介绍了它的工作原理以及分类，以及c c d 的发展历史，同时将c c d 与 c l i o s 两种图像传感器进行了简单比较。并简单介绍了c c d 的电子快门特性。 2 1 c o d 图像传感器 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 是电荷耦合器件的英文缩写，它是7 0 年代初发 展起来的新型半导体光电成像器件。它不同于大多数以电流或电压为信号的传感 器器件，它以电荷包的形式储存和传递光信息。下面先介绍c c d 的结构以及存储 电荷的原理。 2 1 1c c d 工作原理 ( 1 ) c c d 的m o s 结构及存储原理 c c d 从结构上可以看作是由按照一定规律排列的光敏像元阵列组成的移位寄 存器，每个像元就是一个m o s 电容器( 有的是光敏二极管) ，因此c c d 也可以看作 是由m o s 矩阵组成的电荷耦合器件。它是在p 型( 或n 型) s i 衬底的表面上用氧化 的办法生成一层厚度约1 0 0 0 a ：5 0 0 a 的s i 0 2 ，再在s i o ：表面蒸镀一层金属层 ( 或能够透过一定波长范围光的多晶硅薄膜) ，并在上面加上一个电极，称为“栅 极”，在衬底和金属电极间加上一个偏置电压，就构成了一个m o s 电容器，其结构 高分辨率全帧c c d 驱动电路技术研究 如图2 - i ( a ) 。 亭渺 ( 曲m o s 电容器的结构 ( b ) 有信号电荷的势阱 图2 - 1c c i ) 的m o s 结构 以其m o s 结构中的半导体是以p 型硅为例。当在其栅极上加上正偏压( n 型硅 则加负偏压) ，由此形成的电场穿过氧化物( s i 0 2 ) 薄层，排斥s i - s i o 。界面附近的 多数载流子( 空穴) ，留下带负电的固定不变的受主离子n - ，形成耗尽层( 无载流 子的本征层) ，耗尽层的存在表明m o s 结构存储电荷的功能。与此同时，氧化层与 半导体界面处的电势( 常称为表面势，用妒。表示) 发生相应变化。因电子在界面处 的静电势能很低，当金属电极上所加正偏压超过某一个值( 阈值电压u 。) 后，界 面处裁可存储电子，形象地说。s i s i 0 ：界面处形成了电子的势阱，见图2 - i ( b ) 。 由于界面处势阱的存在，当有自由电子充入势阱时，耗尽层深度和表面势将 随电荷的增加而减少( 电子的屏蔽作用) 。在电子逐渐填充势阱的过程中，势阱中 能容纳多少电子，取决于势阱的“深浅”，即表面势的大小，而表面势根据栅极电 压大小而定。如果没有外来的信号电荷( 电注入或光注入) ，势阱将被热生少数载 流子逐渐填满，热生少数载流子形成的电流叫“暗电流”，而热生多数载流子则可 通过衬底跑掉。称此时的m o $ 结构达到了稳定状态( 热平衡态) ，在稳定状态下， 不能再向势阱注入信号电荷。这种情况，对探测光信号是没有用的。对于光电探 测，所关心的是非稳态情况，而稳态只是非稳态情况的极限状态。 下面借助能带图作进一步说明，仍以p 型半导体为例，先讨论在不同偏压下 处于稳定态的m 0 8 结构。图2 - 2 ( a ) 是对栅极加负偏压的情况，电场排斥界面处电 子而吸引空穴，电子在界面处能量增大，能带上弯，空穴浓度增加，形成多数载 流子堆积层，称这种情况为“积累”。如果在栅极上加一个小的正电压，界面处电 子能量降低，能带下弯，如图2 2 ( b ) 所示。空穴被电场驱向体外，在界面处留下 带负电的受主离子n ，以保住电中性。称这种多数载流子被驱逐殆尽的情况为“耗 6 第2 章c c d 概述 尽”。 耩墓# 薹括量 图2 - 2不同偏置下理想m o s 结构的能带图 当逐渐增加正电压时，能带在界面处下弯更为严重。起初表面耗尽层宽度亦 随电压增加，但当能带弯曲到禁带中线e t 与费米能级e f 相交且低于e p 时，耗尽区 内及表面的复合一产生中心热激发提供的电予，使界面处电子浓度急剧增加，并 超过空穴浓度，形成一极薄的n 型反型层，如图2 2 ( c ) 。此时，耗尽层宽度基本 上不再随外加电压( 栅极电压) 的增加而增加，界面处电子浓度将等于衬底空穴浓 度，称此时的状态为“强反型”，m o s 电容器达到了热平衡态。出现“强反型” 的条件为 纯：2 生生：2 郎 ( 2 一1 ) g 其中，矿是表面势，相应的栅电压是m o s 电容器的“阈值电压”u 一 表面势可作为势阱深度的量度，而表面势又与栅极电压u 6 、氧化层的厚度d o x 有关，即与m o s 电容容量c o x 与u 的乘积有关。势阱的横截面积取决于栅极电极 的面积a m o s 电容存储信号电荷的容量q ： q = c 峨u 。a( 2 2 ) 需要指出的是，m o s 电容器达到热平衡态的过程需要一定时间，这一时间常 数、称为存储时间t ： 。2 = 一 玎 式中：t 。为耗尽区少子寿命；n 为本征载流子浓度，n 为受主浓度，t 的大 小取决于硅材料及其工艺水平，优质硅材料的存储时间可长达数秒到数十秒。 如果不是逐渐增加栅压，而是在0 栅极上加阶梯电压魄 u “( 如u c = i o v ) 。由 7 高分辨率奄帧c c d 驱动i 乜路技术研究 于u 6 值足够大，界面处能带下弯到进入反型层，会感应出负电荷，半导体中取决 于产生一复合过程的少数载流子( 电子) 跟不上这个变化，而多子( 空穴) 则能跟上。 因此有n 个多子( 空穴) ，从表面处流向体内，而在表面处留下相同数目的n 。离子， 形成“空间电荷区”，外加电压大部分降落在“空间电荷区”内，只有小部分降落 在绝缘层上。此时，表面层虽是反型层，但电子尚未产生，实质是空的电子势阱。 此时半导体处于“非平衡状态”，耗尽层宽度将超过“热平衡态”时的最大宽度， 故称为“深耗尽”。在非平衡态下，如果栅极电压u 。保持1 0 v ( 或有外界光信号的 激励) ，耗尽层及表面的产生一复合中心提供的电子及从周围注入的电子，将逐渐 填充势阱。随着电子的逐渐填充，耗尽层将变窄，表面势将降低，势阱变浅，绝 缘层上压降将增加。当电子填充使表面势下降到2 q 时，势阱完全填满，半导 体恢复到“热平衡态”。 因此，利用c c d 反型前的“非平衡态”，人为地注入信号电荷( 如电注入或光 注入) ，这就是c c d 的工作条件。综上所述，c c d 就是在“非平衡态”下工作的m o s 电容器的集成。 ( 2 ) 光电荷的产生和存储 c c d 的首要功能是完成光电转换，即产生与入射的光谱辐射量度成线性关系 的光电荷，c c d 的光电转换实质上是由空间上分立的光敏单元对光学图像进行抽 样的过程。当光入射到c c d 的光敏面上时，入射光子穿过透明栅极和氧化层，进 入p 型s i 衬底，被衬底吸收，衬底中处于价带的电子将吸收光子的能量而跃入导 带，形成电子一空穴对。当在栅极施加小于p 型半导体的阈值电压的正偏压后， 电子一空穴对在外加电场的作用下，分别向电极两端移动，空穴被栅极电压排开， 产生耗尽区，偏压继续增加，耗尽区将进一步向半导体体内延伸。当栅极的正偏 压大于p 型半导体的阈值电压时，半导体与氧化物界面上的电势变得如此之高， 以至于将半导体体内的电子( 少数载流子) 吸引到半导体与氧化层的交界处，形 成一层极薄的但电荷浓度极高的反转层。这个时候光生电荷将储存在光敏元的势 阱中。积累在各光敏元势阱中电子的多少，即电荷包大小，与入射在该光敏元上 的光强成正比，与积分时间也成正比。c c d 在某一时刻所获得光电荷与前期所产 生的光电荷进行累加，称为电荷积分。入射光越强，通过电荷积分所获得的光电 8 第2 章c c d 概述 荷量越大，获得同等光电荷所需的积分时阃越短。当光线不太强时，c c d 内的势 阱可以存储全部光电荷，此时为线性范围，当光强继续增大时，因为势阱中已经 存储了很多电荷，由它产生的电场会妨碍按线性积累电荷，便进入了非线性区， 如果光强进一步增大，势阱将填满电子，而过剩的电子会向外溢出，如果没有特殊 措施，溢出的电子就进入相邻的像素，形成串音干扰( c r o s st a l k ) ，使图像出现 光晕现象，图像清晰度也就明显下降了。 ( 3 ) 光电荷的传输和转移 光电荷的转移实际上是通过势阱的依次产生和破坏实现的。加在m o s 电容器 上的栅极电压愈高，产生的势阱愈深，当栅极电压一定时，势阱深度随势阱中电 荷量的增加而线性下降。利用这一特性，通过控制相邻m o s 电容器栅极电压的高 低来调节势阱的深浅，让m o s 电容间的排列足够紧密，使相邻m o s 电容的势阱相 互沟通，即相互耦合，就可使信号电荷由势阱浅的地方流向势阱深处。还必须指 出，在c c d 中电荷的转移必须按照确定方向。为此，在m o s 阵列上所加的各路时 钟电压脉冲，必须严格满足相位要求，使得任何时刻，势阱的变化总是朝着一个 方向。图2 - 3 是三相驱动形式c c d 的电荷转移过程示意图，图中三个相邻m o s 电 容器组成一个像素，也就是一个像素出夺、夺。、审；三个栅极所覆盖。在这三个 栅极上加上具有如图2 - 3 ( b ) 所示的相位关系的三相交迭驱动时钟，随着时间的推 移，每个像素势阱中的光生电荷按照势阱转移的方向，一位一位地顺序传输。 蟹n 墨蠢第n + 1 璺蠢 图2 - 3三相c c d 电荷转移示意图 ( 4 ) 光电荷的检测 光电荷的检测也就是c c d 将光电荷输出，也就是光电荷通过c c d 上的输出放大 9 高分辨率全帧c c d 驱动屯路技术研究 器，将电荷信号转换为电压或电流信号后，经过一定的缓冲和放大后进行破坏性 地一次性串行输出。目前c c d 的输出方式主要有电流输出、浮置扩散放大器输出 和浮置栅放大器输出三种方式。目前通常采用浮置扩散放大器f d a ( f l o a t i n g d i f f u s i o na m p l i f i e r ) 输出法，这种方法又称为选通电荷积分器法，在c c d 芯片 的输出放大器中制备有复位晶体管t 和输出放大晶体管t 。电路。以三相c c d 为例， 图卜4 是它的输出电路和工作波形图，其中a 表示复位电平，b 表示馈通电压，c 表示参考电平，d 表示信号电压。 ( a ) 浮置扩散放大暑输出结构c b ) 渤输出信号被形田 图2 - 4c c d 的输出电路和波形图 光电荷包在外加驱动脉冲的作用下，在c c d 移位寄存器中串行转移到输出放 大器。当复位脉冲巾。为高电平时，场效应管t ( 工作在开关状态，即工作在线形 区和截止区) 导通，输出二极管d 处于强反偏状态，其结电容c i 被充电到一个固 定的直流电平k 上，源极跟随器t 。( 工作在饱和区) 的输出电平v 0 。被复位到一个 固定的且略低干k 的正电平( 复位电平) 上，以准各接收下一个电荷包。随着巾。 正脉冲的结束，t 截止，t l 上存在的漏电流使其产生一个小的管压降，输出有一 个下跳，此下跳值为馈通电压。时钟m 。变为低电平时，信号电荷进入c s ，立即 使a 点下降到一个与信号电荷量成正比的电位上，即信号电荷越多，a 点电位下 降越多。与此相应，t 2 的输出电平k 也随着下降，其下降幅度才是真正的信号电 压，即： y ：望蔓( 2 4 ) g 综上所述，c c d 图像传感器既具有光电转换功能，又具有信号电荷的存储、 转移和读出功能，通过这一系列的动作，c c d 把一幅空间域分布的光学图像变换 1 0 第2 章c c d 概述 成一列按时间域分布的离散信号电压。 2 1 2c c d 的分类 虽然所有的c c d 的工作原理基本上都差不多，但是c c d 器件有许多类型，且 适用于不同的场合。根据像元排列形状的不同，c c d 有面阵和线阵之分：光敏元捧 列为一行的称为线阵c c d ，主要用于扫描仪和传真机等；面阵c c d 器件的像元排 列为一个平面，它是包含若干行和列的结合，主要用于摄录一体机、监视摄像机 和数码相机等。按使用场合的不同，c c d 芯片又有彩色和黑自之别，彩色c c d 有 b a y e r 滤色器彩色c c d 和复合滤色器彩色c c d 等。一般来说，对于面阵c c d 图像 传感器有三种最普通的结构形式。 ( 1 ) 行间转移式( i n t e r l i n et r a n s f e r ) ：又称为隔列转移式，结构上采用光敏 区与遮光转移区相闻排列方式。在光电荷读出时，两列之间的掩膜存储区域用来 存储光电荷包，而新生成的光电荷包开始在没有掩膜的列中生成积累，遮光区存 储单元和感光单元一一对应。如图z 一5 所示，当曝光时间结束后，感光区上的信 息被迅速转移到对应的遮光存储单元内，然后感光区像素单元复位，准备下一次 曝光。这些过程只需要一个时钟周期。它的缺陷是光敏元有效感光面积小，因此 动态范围较小，另外，由于一部分图像落在光的非接受区，从而降低了感光灵敏 度和图像分辨率。但是由于其转移过程快，针对视频帧速要求高的摄像机经常使 用行间转移式c c d ，而且由于其成本较低，市面上超过8 6 以上的数码相机都以行 间转移型c c d 为感光元件。 簟一步第= 步第三步 图2 - 5 行间转移c c d 工作示意图 ( 2 ) 帧转移式( f r a m et r a n s f e r ) ；它由光敏区、存储区、水平读出区三部分组 成。在存储区及水平读出区表面均由铝层覆盖，以实现光遮蔽。光敏区由并行排 高分辨率全帧c c d 驱动电路技术研究 列的若干电荷耦合沟道组成，各淘道问之间用沟阻隔开，水平电极横贯各沟道。 光敏区与存储区的结构和单元数都相同，而且每一列都是相互衔接贯通的。如图 2 - 6 所示，每当光积分周期结束时，在垂直驱动脉冲的作用下光敏区中代表一 帧图像信息的光电荷快速垂直转移到存储区中各自对应的存储单元中，称为帧转 移。完成帧转移后，在读出时钟脉冲和存储时钟脉冲的作用下，存储区内的电荷 以平移的方式向下移动，逐行进入读出寄存器。然后再读出寄存器中沿水平方向 移动，最后经输出电路输出。当第一场读出的同时，第二场信息通过光积分又收 集到势阱中一旦第一场信息被全部读出，第二场信息随之传送给寄存器，使之 连续地读出这种结构可在高帧速下操作，就是说光积分与帧转移可以同时进行。 和行间转移式c c d 相比，这种c c d 的感光面积要大一倍，所以灵敏度要高一些 但这种结构的缺点是一个时钟周期内，赙光电荷只能水平转移出去一行，一帧图 像的传递需要n 个( n 为感光材料的垂直分辨率) 周期才能完成传递过程，因此速 度受到一定的影响。 j - 莎第二步 第三步 图2 _ 6 帧转移快门示意图 ( 3 ) 全帧式( f u l lf r a m e ) ：其最大的特点是不再像行间转移和帧转移式c o d 具有和感光单元对应的掩膜存储单元。只有光敏区和读出寄存器，结构与帧转移 中的结构相同。光敏区完成光积分后，光电荷包直接垂直转移到水平读出寄存器。 由于不存在光电荷的存储过程，所以帧转移不能与光积分同步进行，帧转移速度 比较慢，尤其当c c i ) 面阵比较大的时候，为了在读出光电荷时遮蔽已经捕捉到的 图像，防止产生拖尾现象都需要外加机械快门来遮蔽入射光。但是由于没有存 第2 章c c d 概述 储区域，所以其感光面积很大，感光灵敏度也较高，因此科学级c c d 相机经常使 用全帧式c c d 作为图像传感器。 2 1 3c 的特性参数 第一步 第二步 图2 7 全帧转移快门示意图 c c d 图像传感器主要有以下几种类型的特性参数 ( 1 ) 转移特性 c c d 是一种电荷转移器件，电荷转移效率是表征c c d 器件性能好坏的一个重 要参数。设一个电极下的信号电荷量为“，转移到下一个电极下的信号量为q 。， 比值为， v = 赛 ( 2 - s ) 称为转移效率，定义转移损失率为e = 卜q 理想情况下q 应等于1 ，但实际上由 于界面态及s i 表面缺陷等因素的影响，电荷包在进行每一次转移时都会残留一些 电荷所以转移效率总是小于l 的( 常为0 9 9 9 9 以上) 。一个电荷为q 的电荷包， 经过n 次转移后。所剩下的电荷应为： 幺= q w ” ( 2 - 6 ) 影响转移效率的因素很多，如转移速度、边缘势垒、电荷俘获等，其中最主 要的因素还是表面态和体内陷阱对信号电荷的俘获。 ( 2 ) 光电转换特性 存储于c c d 像敏单元中的信号电荷包是由入射光子被硅衬底材料吸收，并被转 换成少数载流子( 反型层电荷) 形成的，因此它具有良好的光电转换特性。 高分辨率全帧c c d 驱动电路技术研究 灵敏度( 或响应率) ：灵敏度是c c d 的最为重要的参数之一，它具有两种物理 意义。一种是表示光电器件的光电转换能力，与响应度的意义相同。定义为： 震= 寿鬻黼徽 c 矧 一入射于光敏元上的总能量( e ) ” 另一种是指器件的最低辐射功率( 或照度) ，与探测率的意义相同。 光电响应的均匀性：c c d 为多元光电转换器件，一般各光敏单元的响应不尽 相同，具有一定的不均匀性。光敏单元阵列的响应不均匀性可以分为两种，一种 是器件制造工艺中难以控制的偏差，如由电极、薄膜等的各种不均匀性造成的： 另一种是器件中各种光敏元的缺陷造成。即疵点。 饱和输出电压：当c c d 处于饱和曝光量时，所得到的输出电压称为饱和输出 电压。这时再增加曝光量，输出电压将不再增加，但这并不意味着像元中不再产 生信号电荷，当势阱中的光生电荷超过了势阱容量时，会产生光晕( b l o o m i n g ) 现象。 暗电流；暗电流是c c d 不可避免的，在正常工作的情况下，m o s 电容处于未 饱和的非平衡态，随着时间的推移，由于热激发而产生的少数载流子使系统趋于 平衡。因此，即使在没有光照或其它方式对器件进行电荷注入的情况下，也会存 在不希望有的暗电流。众所周知，暗电流是大多数摄像器件所共有的特性，是判 断一个摄像器件好坏的重要标准，尤其是暗电流在整个摄像区域不均匀时更是如 此。产生暗电流的主要原因有以下几点：( 1 ) 耗尽的硅衬底中电子自价带至导带 的本征跃迁；( 2 ) 少数载流子在中性体内的扩散；( 3 ) s i s i 0 2 界面引起的暗电流 为了减小暗电流，应能够缺陷尽可能少的晶体和减少玷污。另外，暗电流还与温 度有关，温度越高，热激发产生的载流子越多，暗电流越大。 光谱响应特性；c c d 是有光谱选择性的光电转换器件，对于不同波长的光的 响应度是不同的。光谱响应特性表示c c d 对于各种单色光的相对响应能力，其中 响应度最大的波长称为峰值晌应波长。通常把响应度等于峰值响应的5 0 所对应 的波长范围称为光谱响应范围。由于目前多数c c d 的像元都是采用p - n 结光电二 极管结构，因此对蓝光的响应度比较高。c c d 器件的光谱响应范围基本上是由所 使用的材料性质决定的，但也与器件的光敏元结构和所使用的电极材料密切相关 1 4 第2 章c c d 概述 ( 3 ) 噪声特性 c o d 在存储和转移光电荷的过程中，作为光电荷的各个少数载流子，在p s i 内保持隔离状态，可以认为c c d 自身是低噪声器件。但是噪声还是不可避免的， 在c c d 图像传感器中有以下几种噪声源：( a ) 电荷注入器件时由电荷量的起伏引起 的噪声；( b ) 电荷在转移过程中电荷量的变化引起的噪声；( c ) 检测电荷时常常需 要对检测二极管进行复位操作，因此复位脉冲将导致信号的检测噪声。这些噪声 的叠加使信号再现的精度受到影响。c c d 的噪声归纳起来主要有三类：散粒噪声、 热噪声及转移噪声。 散粒噪声：散粒噪声主要表现为微观粒子的不确定性，光注入光敏区产生信 号电荷的过程可看作独立、均匀、连续发生的随机过程。单位时间内光产生的信 号电荷数目并非绝对不变，而是在一个平均值上作微小的波动，这一微小的起伏 便形成散粒噪声。散粒噪声不会限制器件的动态范围，但是它决定了一个摄像器 件的噪声极限值，特别当摄像器件在低照度、低反差条件下应用时，由于采用了 一切可能的措施降低各种噪声，散粒噪声便成为主要的噪声源。 热噪声( k t c 噪声) ：它是信号电荷注入及检出时引进的。信号电荷注入回路 及信号电荷检出时的复位回路均可等效为r c 回路，由于电阻r 的存在，就产生了电 阻热噪声。 转移噪声：转移损失及界面态俘获是引起转移噪声的根本原因。转移噪声具 有c c d 噪声所独有的两个特点：积累性和相关性。所谓积累性，是指转移噪声是在 转移过程中逐次积累起来的，转移噪声的均方值与转移次数成正比。所谓相关性， 是指相邻电荷包的转移噪声是相关的。 ( 4 ) 其它特性 动态范围：c c d 图像传感器的动态范围由像敏单元的势阱中可存储的最大电 荷量和噪声决定的最小电荷量之比决定，它反映器件的工作范围，其数值为输出 端的信号峰值电压与均方根噪声电压之比，通常以d b 表示，一般为6 0 8 0 d b 。高 分辨率c c d 的像素增加，导致势阱可能存储的最大电荷量减少，因而动态范围变小。 因此在高分辨率条件下，提高动态范围是高性能c c d 的一项关键技术。 分辨率：分辨率是图像传感器的重要特性。与采用电子束扫描方式的电真空 高分辨率拿帧c c d 驱动电路技术研究 摄像管的结构不同，c c d 图像传感器采用自扫描方式，每个光敏单元都被隔开较 大的距离光敏单元呈周期性排列，假设要摄取的光学图像是沿水平方向光强( 亮 度) 为正弦分布的条状图像，经c c d 的光敏单元进行光电转换，所得的信号在时 间轴方向也为正弦波信号。根据奈氏抽样定理，c c d 的极限分辨率是在空间抽样 频率的一半，因此，c c d 原分辨率主要取决于c c d 芯片的像素数。其次，还受到 传输效率的影响。高集成度的光敏单元可获得高分辨率，但光敏单元尺寸的减少 将导致灵敏度降低。一些新的工艺结构的应用( 如双层像感结构) 可在一定范围 内提高c c d 的灵敏度。分辨率通常用电视线( t v l ) 表示，也可用调制传递函数 m t f 来评价 固定图像噪声：c c d 内的暗电流是不均匀的，在半导体中有缺陷的地方出现 暗电流的峰值，因此在图像上产生一固定干扰图形。 电荷贮存容量；c c d 的电荷存储容量表示在电极下的势阱中能容纳的电荷 量，c c d 势阱中可容纳的最大信号电荷量取决于c c d 的电极面积及器件结构( 表 面沟道s c c d 或者体沟道8 c c d ) ，时钟驱动方式及驱动脉冲电压的幅度等因素。由 于c c d 是电荷存储与转移的器件，因此，电荷存储容量等于时钟脉冲变化幅值电 压v 与氧化层电容c o x ( 忽略耗尽层电容c d ，因为c o l o c d ) 的乘积，即 q = c o x a v a ( 2 - 8 ) 式中：v 为时钟脉冲电压变化幅值；c o x 为s i 0 2 层的电容：a 为栅电极面积。如果 s i 0 氧化层的厚度为d ，则每一个电极下的势阱中的最大电荷存储容量为 n 一= 半洲等彳 ( 2 9 ) 提高时钟脉冲的幅值或减小d 值，均可以增大电荷贮存量。 工作频率：由于c c d 器件工作在不平衡状态，所以驱动脉冲频率的选择十分 重要：频率太低，热激发少数载流子过多，它的加入降低了输出信号的信噪比；频 率太高，又会降低总转移效率，减小输出信号幅值，同样降低信噪比。因此，工 作频率的下限，主要受暗电流的限制；工作频率的上限，主要受电荷转移快慢的 限制。 功耗；c c d 的功耗包括片上功耗和片外功耗。目前，绝大部分的驱动电路尚 1 6 第2 章c c d 概述 未集成在c c d 的同一基片上，故称驱动电路的功耗为片外功耗，片外功耗通常是 片上功耗的三十倍。所以c c d 的功耗主要是片外功耗。片上功耗的起因有两个： 其一，载流子通过硅晶体运动时，和晶体相互作用消耗功率；其二，载流子沿沟 道传输时，越过势垒，进入势阱，消耗功率。 2 2c c d 的电子快门特性 对于光学相机来说，机械快门是必不可少的，它用来控制胶片曝光的时间。 而对于c c d 相机来说，机械快门并不是必不可少的，因为c c d 一般来说都具备电 子快门特性。在一般的p 型c c d 的硅衬底下都有一层n 型衬底( n - s u b s t r a t e ) ， 当在n 型衬底上加一个特定的正偏置电压时，在每个像素单元的旁边就可以形成 纵向溢出漏沟道，通过这个漏沟道就可以排出像素单元中过量的光电荷或转移过 程中残留的光电荷。电子快门其实就是加在c c d 芯片的衬底上的一个具有一定电 压电平的脉冲信号，因此可以利用这个脉冲信号从衬底排出感光电荷的能力，来 控制势阱内感光电荷的积累，进而控制光积分的时问，也相当于光学相机的胶片 曝光时间，由于其没有机械快门的机械结构，所以称为电子快门。这个控制光积 分的脉冲也叫电荷复位脉冲，在这个脉冲产生后，c c d 芯片上的每个像素都将复 位，开始进行新一轮的电荷积累，直到积分结束帧转移的开始。c c d 帧转移输出 的仅仅是电荷复位脉冲产生后的光电荷信号，其余光电荷信号则被释放掉。电子快 门除了具有控制曝光时间的作用外，还具有防止曝光饱和，减小光晕，减小图像模 糊等特点。 对于一般的c c d 相机来说，可以有两种工作模式，一是拍照模式，一种是预 览模式，电子快门在这两种模式下所起作用是一样的，唯一不同的就是，在拍照 模式时，电子快门需要机械快门配合其工作，而在预览模式下，只有电子快门来 控制曝光，机械快门完全保持打开，其实这个时候c c d 并不是所有的像素点都在 进行光积分，只有一部分的像素点在工作，这样的目的主要是为了保证帧转移时 间足够快，使其远远小于光积分时间，保证在帧转移很短的时间内，在光敏面上光 电荷的累积并不会对正在进行帧转移的图像造成太大的影响，这个时候相机就会 按照出厂设定的电子快门来控制光积分，接着进行帧转移，完成一帧一帧的图像 1 7 高分辨率全帧c c d 驱动电路技术研究 转移。接着如果机械快门有响应，那相机的机械快门会马上关闭，准备进入拍照 模式l c d 显示屏变黑，在曝光开始以前，像素上的信息不被记录，当系统发出复 位信号以后，电子快门脉冲会对c c d 进行复位操作，将c c d 内部的残留电荷由衬 底排掉，像素上的一切信息被清除，这个时候相机会记录暗电流信息，以便后续的 图像预处理用，然后系统开始曝光，开始新一轮的光积分。曝光结束后，开始进 行帧转移，帧转移完毕后，机械快门打开，又进入预览模式。 c c d 相机是否需要安装机械快门主要由c c d 芯片的类型决定，比如说目前大 多数的商用消费级数码相机都是采用的行间转移型c c d ，那么由于其帧转移速率 很快，感光电荷可以很快地转移到遮光区域，一般都不用机械快门。而对于大面 阵的无遮光区域的全帧型c c d 来说，在c c d 进行垂直行转移时，如果没有机械快 门遮挡光敏面，很容易在图像上产生噪声污点。目前高档专业数码相机和科学级