在之前的文章中，我們討論了 圖像傳感器技術(shù) 并重點關(guān)注電荷耦合器件或 CCD。我們介紹了CCD 的類型，以及 CCD 的結(jié)構(gòu)和操作、架構(gòu)以及讀出期間使用的控制信號。
　我在這些文章中強調(diào)的一件事是 CCD 內(nèi)生成和傳輸?shù)男畔⒌男再|(zhì)：我們處理的是電荷，而不是電壓或電流。當(dāng)入射光子產(chǎn)生電子時，會形成離散的電荷包，這些電子在勢阱和勢壘的影響下在 CCD 的移位寄存器內(nèi)移動。
　　將電荷轉(zhuǎn)換為電壓
　為了將這種基于電荷的數(shù)據(jù)合并到典型的基于電壓的電子電路中，我們需要一個電荷放大器，即一種可以接受電子包作為輸入并產(chǎn)生電壓信號作為輸出的設(shè)備。　
　無損放大器
　CCD 電荷放大器分為兩類：非破壞性和破壞性。無損放大器在測量電荷量的過程中不會破壞電荷包，這使得單個像素的值可以被多次讀取。這可能看起來不是一個特別有價值的特性，但它在涉及非常弱的視覺信號的專門應(yīng)用中非常有用，因為通過對這些重復(fù)測量進行平均，我們可以實現(xiàn)極低的讀出噪聲。　
　破壞性增幅器
　盡管“破壞性”一詞有負(fù)面含義，但這些類型的電荷放大器非常有效，并且是絕大多數(shù) CCD 應(yīng)用的。它們具有破壞性，因為給定像素的電荷僅被測量。
　下圖展示了常見的破壞性電荷放大器的結(jié)構(gòu)。
　

　

　這稱為浮動擴散放大器。浮動擴散區(qū)是不與電路的其他部分電連接的硅區(qū)域。因此，它是“浮動的”，就像我們說 IC 引腳如果未連接則處于浮動狀態(tài)。
　浮動擴散具有一定的電容，當(dāng)它接收到電荷包時，其電壓根據(jù)典型的電容方程發(fā)生變化：　
　\[V=\frac{Q}{C}\]　
　請記住，我們正在將電子移動到浮動擴散中，因此電荷為負(fù)并且電壓降低。浮動擴散的電容很小，這是理想的，因為較小的電容會導(dǎo)致電壓相對于電荷的更大變化。我查看的一份 CCD 數(shù)據(jù)表表明，每個電子提供給電荷放大器的電壓變化約 20 μV。   
　假設(shè)一包電荷剛剛被存入浮動擴散區(qū)。M2的柵極沒有電流流入，M1處于截止?fàn)顟B(tài)，電荷無法從浮動擴散區(qū)排出。與像素電荷量相對應(yīng)的電壓成為M2的輸入信號，M2被配置為源極跟隨放大器。
　我們有很多像素需要讀出，因此在外部電路處理緩沖的輸出電壓后，我們需要保持電荷包裝配線的移動。施加到 M1 柵極的復(fù)位信號允許浮動擴散中的電荷流向復(fù)位電壓節(jié)點：

　

　當(dāng)當(dāng)前像素的所有電荷都被清除后，我們可以移入下一個電荷包，然后繼續(xù)循環(huán)?！?br>　CCD輸出信號
　CCD 執(zhí)行的讀出操作會產(chǎn)生具有非常特殊形狀的模擬輸出波形。如果在某個時候您需要在實驗室中花費很長時間查看 CCD 信號，那么這種波形就會在您的記憶中留下深刻的印象，并與數(shù)字成像相關(guān)。這是總體思路：

　

　
　該圖未指示任何實際電壓值，原因有兩個：首先，輸出信號的 DC 偏移因 CCD 的不同而不同，并且可以通過外部電路進行偏移。其次，信號以差分方式采樣，這意味著數(shù)字像素值不取決于電壓，而是取決于兩個單獨采樣時刻的電壓之差。我們將在下一篇文章中詳細(xì)討論這一點。
　CCD 輸出波形每個像素由三個部分組成。
　個（對應(yīng)于圖中所示的幅度部分）稱為復(fù)位毛刺。我認(rèn)為出現(xiàn)這種情況是因為施加到 M1 的復(fù)位脈沖通過 FET 電容耦合并產(chǎn)生寄生瞬態(tài)電壓。
　第二部分稱為復(fù)位電平或參考電平。這兩個名稱都很有意義，因為在波形的這一部分期間，信號保持在復(fù)位電壓，并且該復(fù)位電壓充當(dāng)采樣參考。
　三是數(shù)據(jù)層面。這是我們實際看到與給定像素接收到的光量相對應(yīng)的模擬電壓值的地方。
　

　　

　結(jié)論
　我們已經(jīng)介紹了電荷放大器和 CCD 圖像傳感器產(chǎn)生的模擬波形的基本特征。在下一篇文章中，我們將討論能夠從 CCD 信號中提取高質(zhì)量數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的技術(shù)。