ccd摄像器件工作原理、驱动方式及应用

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1、CCD摄像器件工作原理,驱动方式及应用光科0702丁晓亮1302070229摘要：本文从存储电荷、电荷转移、电荷输出、电荷注入四方面先介绍了CCD的工作原理，然后就线阵CCD图像传感器和面阵CCD图像传感器分别介绍各自的工作原理；在驱动方式部分，先图解三相、二相、四相工作方式的CCD时钟脉冲，然后介绍了各种产生驱动脉冲的方法；最后罗列了一些线阵CCD摄像器件的实例。关键词：SiO2、存储电荷(StorageCharge)、电荷转移(ChargeTransfer)、电荷输出(ChargeOutput)、电荷注入(ChargeInjection)、线阵CCD(LinerCCD)、面阵CCD(

2、CCDArray)、图像传感器(ImageSensor)、时钟脉冲(ClockPulse)、CCD摄像器件(CCDCameraDevice)先介绍一下CCD的工作原理：CCD的最小单元是在P型（或N型）硅衬底上生长一层厚度约为120nm的SiO，2再在SiO层上依次沉积金属或掺杂多晶硅电极而构成金属-氧化物-半导体的电容式2转移器。其中，“金属”为SiO层上沉积的金属或掺杂多晶硅电极，称为“栅极”；半2导体硅作为底电极，俗称“衬底”；“氧化物”为两电极之间夹的绝缘体SiO。2（1）存储电荷当向栅极加正向偏压时，P型硅衬底中形成耗尽区（势阱），当VG足够大时，载流子深度耗尽，甚至在半导体表

3、面形成反型层。热平衡时n型半导体应有足够的自由电子。于是，当附近存在自由电子时，自由电子就会吸引电极下方附近。这样的MOS电容就有了存储电荷（电子）的能力。（2）电荷转移上图是CCD的MOS结构。电荷转移的控制方法，有二相、三相、四相等控制方式之分，这部分在下面的驱动方式里作进一步介绍。（3）电荷的输出在输出端P型硅衬底上扩散形成输出二极管，二极管加反压，在PN结形成耗尽层。输出栅OG加压使电荷转移到二极管的耗尽区，作为二极管的少数载流子形成反向电流输出。输出电流的大小与电荷大小成正比，通过负载变为电压输出。下图为输出二极管电流法。（4）电荷注入在CCD中，电荷注入分为两类：光注入和电注

4、入。其中的光注入方式：当光照射到CCD硅片上时，在栅极附近的体内产生电子—空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被其收集到势阱中形成信号电荷。接下来介绍CCD摄像器件的工作原理：（1）线阵CCD图像传感器线型CCD图像传感器由一列光敏元件与一列CCD并行且对应的构成一个主体,在它们之间设有一个转移控制栅,如下图(a)所示。实用的线型CCD图像传感器为双行结构，如下图（b）所示。单、双数光敏元件中的信号电荷分别转移到上、下方的移位寄存器中，在控制脉冲的作用下，自左向右移动，在输出端交替合并输出，就形成了原来光敏信号电荷的顺序。（2）面型CCD图像传感器面型CCD图像传感器由感光区

5、、信号存储区和输出转移部分组成。目前存在三种形式。下图(c)所示结构由行扫描电路、垂直输出寄存器、感光区和输出二极管组成。行扫描电路将光敏元件内的信息转移到水平（行）方向上，由垂直方向的寄存器将信息转移到输出二极管，输出信号由信号处理电路转换为视频图像信号。这种结构易于引起图像模糊。上图（d）增加了具有公共水平方向电极的不透光的信息存储区。在正常垂直回扫周期内，具有公共水平方向电极的感光区所积累的电荷同样迅速下移到信息存储区。在垂直回扫结束后，感光区回复到积光状态。在水平消隐周期内，存储区的整个电荷图像向下移动，每次总是将存储区最底部一行的电荷信号移到水平读出器，该行电荷在读出移位寄存器

6、中向右移动以视频信号输出。当整帧视频信号自存储移出后，就开始下一帧信号的形成。上图(e)是将图(d)中感光元件与存储元件相隔排列，即一列感光单元，一列不透光的存储单元交替排列。在感光区光敏元件积分结束时，转移控制栅打开，电荷信号进入存储区。随后，在每个水平回扫周期内，存储区中整个电荷图像一次一行地向上移到水平读出移位寄存器中。接着这一行电荷信号在读出移位寄存器中向右移位到输出器件，形成视频信号输出。下面介绍下驱动方式时钟脉冲发生器是CCD工作所需要的驱动器，提供电荷转移所必需的时钟脉冲以及输入输出结构所需的复位脉冲和各种电平。线阵CCD的典型驱动脉冲包括：转移脉冲、移位脉冲、复位脉冲、采

7、样保持脉冲、钳位脉冲。下面是CCD时钟脉冲的三相，二相和四相的图解分析。1，三相工作方式三相时钟波三相电荷转移过程形2，二相工作方式二相时钟工作状态3，四相工作方式四相时钟驱动脉冲四相工作时电荷转移情形目前，产生驱动脉冲的方法有EPROM驱动方法、IC驱动方法、微处理器法(单片机、DSP等)以及可编程逻辑器件CPLD设计法。（一）、IC驱动法在设计中,使用同一时钟对几路脉冲进行控制,以保证相互间确定的时间关系。再用分频器对时钟脉冲进