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(共18张PPT)
电荷的测量
OD
OS
RD
R
SW
+5V
0V
-5V
+10V
0V
R
SW
Vout
Vout
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
FET
OD
OS
RD
R
SW
Vout
+5V
0V
-5V
+10V
0V
R
SW
Vout
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
+5V
0V
-5V
+10V
0V
R
SW
Vout
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。
OD
OS
RD
R
SW
Vout
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/Cs 2-8
电荷的测量 等效电路
RD
OD
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
2-9
2-10
举例说明：
复位噪声
Cs = 0.1pF, RON = 2k
噪声带宽 B = 1.25GHz
nR = 0.203mV ，相当于126个电子。
输出电阻热噪声
当B＝1MHz, RL=2k 时
nW ＝5.75 V 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 CCD CMOS
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
CCD CMOS
CCD与CMOS比较
CMOS Camera
CCD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CCD性能的影响至关重要。通过对输出结构的学习，重点了解CCD输出信号的特殊性和复位噪声的概念。
CMOS图像传感器发展很快,学习本章内容对CMOS的应用也是有用的。
小结

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