2022-2023学年高二物理竞赛课件：电荷的测量

电荷的测量

ODOSRDRSW+5V0V-5V+10V0VRSWVoutVout电荷输送到相加阱。Vout

现在是参考电平。在这个期间，外部电路测量参考电平。输出节点相加阱串行寄存器的末端电荷的测量输出FET复位FETODOSRDRSWVout+5V0V-5V+10V0VRSWVout把电荷输送到输出节点电容，Vout

下降到信号电平。串行寄存器的末端输出节点相加阱电荷的测量输出FET复位FET+5V0V-5V+10V0VRSWVout外部电路对Vout进行采样，所采样的Vout电平与输入电荷包中电荷的多少成正比。ODOSRDRSWVout串行寄存器的末端输出节点相加阱电荷的测量输出FET复位FET电荷的测量为了进行性能分析，利用等效电路说明。现在CCD输出结构中，相加阱被输出栅代替，作用相同。复位FET用开关等效，输出节点电容用电容等效。该电容的典型值都小于0.1pF。根据V=Q/C,这个电容的两端将产生与这个电荷包电荷量成比例的电压，也是某个特定像元入射光强度成比例的电压。Vout=G×Qm/Cs2-8电荷的测量等效电路RDOD节点电容移位寄存器来Cs=0.1pF一个电子电荷～1.6

V输出信号：1复位脉冲过冲2参考电平3信号电平G:输出FET增益(1～0.8)电荷的测量等效电路CCD信号电平是浮起来的，真正的信号是信号电平与参考电平之差。复位管不是理想开关，存在导通电阻。这个电阻的热噪声在复位时会通过节点电容叠加到信号上输出形成复位噪声。电荷的测量还有输出管的闪烁(1/f)噪声以及输出电阻的热噪声，一起构成CCD读出噪声。在读出噪声中起主要作用的是复位噪声。复位噪声计算：导通电阻热噪声k:波尔茨曼常数，T:绝对温度，B:带宽CCD利用单极点模型，B=1/(4RC)电荷的测量噪声电压表示：噪声电子表示：复位噪声又称KTC噪声2-92-10举例说明：复位噪声Cs=0.1pF,RON=2k

噪声带宽B=1.25GHznR=0.203mV，相当于126个电子。输出电阻热噪声当B＝1MHz,RL=2k

时nW＝5.75V

rms电荷的测量CCD工作过程与性能电荷生成 量子效率(QE)、暗电流电荷收集 满阱电荷数、均匀性、扩散(调制传递函数,MTF)电荷转移 电荷转移效率(CTE),电荷测量 读出噪声、线性度CCD与CMOS比较电荷生产电荷收集电荷转移电荷测量四个过程在一个像元内完成.光电转换电荷收集像元的光敏区电荷转移垂直和水平CCD水平CCD后放大器电荷-电压转换/放大微型信号线电压传递CCD图像传感器CMOS图像传感器像元内放大器电荷-电压转换/放大CCD与CMOS比较性能CCDCMOS像元输出电荷包电压芯片输出电压(模拟)数字量噪声低中等填充因子高低暗电流低高均匀性高中等动态范围高中等系统复杂度高低功耗高低垂直模糊较大没有CCD与CMOS比较CMOS的集成度高

CCD与CMOS比较CMOS的填充因子较低

CCDCMOSCCD与CMOS比较CMOSCameraCCD与CMOS比较卷帘式快门CMOS引起的畸变CCD的基本结构非常简单，就是MOS电容。了解MOS电容就了解了收集电荷的势阱，了解了隔离电荷包的势垒，了解了供电荷转移的沟道。CCD的输出结构对CC