电荷耦合器件CCD原理与应用 维护维修的重点原理解释.doc

电荷耦合器件CCD原理与应用 维护维修的重点原理解释电荷耦合器件CCD原理与应用(维护维修的重点原理解释)2010-12-31 11：19光电转换功能；电荷存储功能；电荷转移功能。用半导体硅材料制成的MOS光敏器及后来的HAD(空穴积累光敏二极管)传感器，由光子激发产生的电荷与入射光强度成正比，即能将光转换为电；在其上淀积一个金属电极，如果在电极上加一正电压就形成一个电位阱，这个所谓的阱，能吸引束缚住该区域的自由电子，像一个包，这就有了电荷存储功能；所加电压增高，能使阱相应变深，相邻阱的电子就会被吸引过来，如同水往低处流，从前一个包流入后一个包。如果去掉前一个电极上的电压，而把后者电压降低到原来值，电荷就被收集在这个电极下面，这就完成了电荷从一个极到另一个极的移动，实现了电荷转移。如果对所有的电极连续重复上述步骤，就能利用一连串的脉冲把电荷作为独立的小包沿着衬底的整个长度进行转移，如同串行移位寄存器，但它不是数字电路的移位寄存器，而是一个模拟的移位寄存器。这一串脉冲叫做转移时钟脉冲，相当于移位脉冲，它在构成上比数字电路移位脉冲要复杂得多。根据实现CCD电荷转移的需要，有垂直移位寄存器和水平输出寄存器，因此为了读出CCD的图像信息，就有垂直转移时钟驱动脉冲和水平转移(输出)时钟驱动脉冲的分别，它们的构成(相数、电平和电压、时间波形)是完全不同的。详细的情况见后面CCD摄像机实例中的介绍。CCD三十年来的发展，品质日益完善。随着新材料、新技术、新工艺的不断进步，芯片尺寸由大到小，像素由少到多，而灵敏度却更高，图像质量更好。目前，在电视监控系统中用的CCD摄像机，芯片尺寸1/3、1/4是主流，像素数基本为二十九万像素和四十四万像素两档。光敏器结构有MOS(金属氧化物二极管)传感器和新型的HAD(空穴积累光敏二极管)传感器。在电荷转移方式上，有FT(帧转移)、IT(行间转移)、FIT(帧-行间转移)三种。这三种转移方式的CCD器件各自都有它们的应用范围。图1，图2，图3表示了三种CCD的转移结构原理图。使用新型HAD(空穴积累光敏二极管)，以IT(行间转移)方式转移的CCD，减少了暗电流形成的固定图形杂波，容易增加像素数而提高水平分辨率，有更高的灵敏度和更好的色度，而且和FIT一样可实现电子快门功能。片小而价格低，又容易获得良好的摄像特性，现在大量生产的几乎都是这种新型的HAD IT CCD。摘要：专业摄像管摄像机正被CCD摄像机所取代,CCD摄像机的维修工作是一门新技术。本文就此进行探讨。：CCD摄像机引言1970年美国贝尔实验室研制出了第1块CCD固体摄像器件,1983年美国RGA公司推出了3板式CCD彩色摄像机,90年代初专业级CCD彩色摄像机开始进入我国电视领域。随着电子技术的发展,CCD摄像机性能不断提高,专业摄像管摄像机正被CCD摄像机所取代。目前,我国各级电视台常见的CCD摄像机机型有：松下公司的AQ-11D、AQ-20D、F-700、AJ-D700,索尼公司的DXC-537、DXC-637、DSR-300、DNW-7P,日立公司的Z-ONE系列、SK-F2、SK-F3、SK-F300、池上公司的HL-43、HL-55等,品种已有数十个。CCD摄像机也会出问题,最棘手的是CCD组件出故障。CCD组件是摄像机上最重要、最昂贵的部件。1993年以前,日本摄像机生产厂家均要求将出故障的CCD组件寄送日本工厂修理。这就产生了两个问题,1是维修费用高(约需人民币3万元),2是维修周期长(需要46个月)。能不能自己动手解决修理问题,那就要知晓CCD的基本工作原理。1.CCD基本工作原理CCD是电荷耦合器件Charge Coupled Device的缩写。它具有进行光-电转换、信息存贮、扫描读取3大功能。1.1CCD的光-电转换功能如图1所示,在P型单晶硅的衬底上做一层绝缘氧化膜,通过活化置换技术,再在氧化膜表面做出许多排列整齐的可透光的电极,当光线通过时,氧化膜与P型单晶硅之间产生电荷,其电荷的数量与光照强度及照射时间成正比,这就是CCD的光电转换功能。1.2 CCD的电荷存贮功能如图2所示,若在电极加上一个适当的正电压,则在电极和衬底之间产生一个电场,这个电场在P型硅中将载流子带正电的空穴排斥到衬底电极一边,在电极下硅衬底表面形成一个没有可动空穴的带负电的区域,这个区域称作电荷耗尽区,这就是能够吸引电子的势阱,电极上所加的电压越高,势阱越深,电荷留在阱内量越多,只要电压存在,电子就能储存在势阱里,当景物的光照射到CCD时,具有光敏特性的P型硅在光量子的激发下产生电子-空穴对,空穴移向衬底而消失,电子进入势阱并存储在那里,由于绝缘氧化物层使得电子不能穿过而到达电极,因此存贮在势阱里的电子形成了电荷包,其电荷量的多少与光照强度成正比,于是所有电极下的电荷包就组成了与景物相对应的电荷像。1.3 CCD的电荷转移功能势阱的深浅由电极上所加电压的大小决定。电荷在势阱内可以流动,它总是从相邻浅阱里流进深阱中,如图3所示,这种电荷流动称为电荷转移。若有规律改变电极电压,则势阱的深度就会随之变化,势阱内电荷就可以按人为确定的方向转移,直到最终由输出端输出。这就是CCD的电荷转移原理。电荷转移又分单相驱动、双相驱动、三相驱动及四相驱动等多种方式,除了电极构造及所加电压波形不同以外,其转移原理是一样的。四相驱动方式的驱动电路比较复杂,但相邻势阱的深度差较大,电荷的存贮量也大,容易实现隔行扫描,在专业级摄像机中应用较为广泛。四相驱动方式即将绝缘层上的电极按列的方式每四个分为一组,形成一个象素单元,每组电极分别加上不同的偏置电压,则在电极下绝缘膜与P型硅之间就产生不同深度的势阱,如果有规律地改变电极上的电压值,使势阱产生变化,就可以使电子定向移动,这也就是CCD的扫描读出原理。CCD根据转移电极结构及转移方式的不同又分成帧转移(FT)方式；行间转移(IT)方式；帧行间转移(FIT)方式。2.有关实际电路为了便于探讨问题,我们以市场拥有量较大的日立电子公司产品,Z-ONE-A摄像机为例,该摄像机的框图如图4所示：我们所讨论的CCD组件,它分2个单元。传感器(电荷耦合器件)单元和传感器驱动单元。2.1传感器单元(电路图略)来自于传感器驱动单元的场驱动脉冲V1V4、行驱动脉冲H1H2、复位脉冲R加到传感器IC1上。取样脉冲DS1、DS2供给CDS和复位电路。视频信号从CCD的脚输出,经CDS和复位电路送往预放大电路。Q3Q8构成的CDS和复位电路能消除CCD产生的随机噪声并能改善水平分辩率。2.2传感器驱动单元该单元向CCD单元提供所需要的脉冲和电压。场驱动脉冲发生器IC301产生场驱动脉冲V1V4、CHS脉冲；行驱动脉冲发生器IC302产生行驱动脉冲H1H2、取样脉冲DS1、DS2、复位脉冲R。3.举例分析说明根据CCD的基本工作原理,下面再举些CCD组件故障实例做进一步的讨论。故障现象1：摄像机输出图像拖尾且模糊不清。分析：图像发生拖尾现象是CCD的转移功能出了问题,势阱中光-电转换产生的电荷不能被及时转移泄漏掉；而图像模糊不清是由于势阱中的电荷达到饱和状态并溢出进入相邻的像素单元及垂直移位寄存器等处所致。摄像机的传感器单元其势阱下部都设置了由P-N结组成的泄漏沟道。就Z-ONE-A讲,当R、G、B 3路信号均不正常时,首先应当检查驱动电路送往传感器单元的4组电压是否达到标称值,若4组电压正常,接下来就要查各路输出脉冲的幅度及波形。检查后实际情况是：驱动单元输出的V2、V4几乎没有,即IC101的第2、19脚脉冲波形幅度太小。而IC101第10、11脚V2、V4的输入脉冲波形幅度正常。测得IC101第1脚工作电位只有-2V,正常值应为-8.8V。Q102是IC101的供电电压调整管,它的基极由于R102的阻值变大而电位变高,造成IC101工作电压太高,使之不能正常工作。造成IC101的输出脉冲V2、V4波形幅度不正常。更换R102后,故障现象消失。故障现象2：输出图像有彩色勾边。分析：可先用示波器对预放大/PRA板进行检查,观察比较输入的R、G、B 3路波形是否正常一致。若二路波形正常,仅一路波形异常有杂波,就可以判定摄像机电源提供给CCD单元所需的工作电压是正常的,也可以判定提供行、场脉冲信号的SG/GL板和CCD驱动单元没有问题,问题出在CCD组件内部。就可以根据具体情况直接去检查波形异常的那一路电路。如果输出图像有蓝色勾边就直接去检查蓝路CCD单元传感器IC1各脚的直流工作电位。检查方法同上例相似。检查后实际情况是：IC1的第1脚直流工作电位明显小于正常值(+6V)。检查发现R17被附近电解电容的漏液腐蚀,造成阻值变大。使复位脉冲R不能正常送到IC1的1脚,造成势阱中光-电转换产生的电荷不能及时被转移泄漏掉,引起输出图像有蓝色勾边故障。更换R17后,IC1的第1脚直流工作电位恢复到正常值,故障现象消失。故障现象3：摄像机输出色彩偏黄分析：摄像机输出图像色彩偏,首先要鉴别是视频预放大电路有问题?还是视频信号处理电路有问题?还是CCD组件有问题?专业级摄像机都可以通过打开测试开关来进行区分鉴别。打开测试开头,若摄像机输出测试信号正常,说明视频信号处理电路没有问题。问题可能出在视频预放大电路和视频处理板之前的CCD组件内。通过检查视频预放大电路上的TP测试点,可以区分问题是否出在视频预放大电路上。若判定问题出在CCD组件内部。根据电视混色原理,图像色彩偏黄,这一现象这是缺少蓝路信号所致。接下来,你就可以采用逐步排除法,从CCD单元的输出往前查。检查后实际情况是：CDS单元的Q8的e、b、c直流电位分别为-2V、-1.3V、+5V，e、b端电位正常值应为-8V、-7.3V。测CN103的1脚与Q8的e端间的电阻R23变质增大。更换电阻R23后,故障消失,问题得到解决。在实际维修工作中,如果1台摄像机故障确定发生在CCD组件,应当先检查CCD单元的各路电压、驱动脉冲是否正常,若R、G、B 3路信号中只是某1路信号不正常,那就重点检查该路CCD单元及信号通