電荷耦合器件CCD原理與應(yīng)用 維護(hù)維修的重點(diǎn)原理解釋.doc

電荷耦合器件CCD原理與應(yīng)用 維護(hù)維修的重點(diǎn)原理解釋電荷耦合器件CCD原理與應(yīng)用(維護(hù)維修的重點(diǎn)原理解釋)2010-12-31 11：19光電轉(zhuǎn)換功能；電荷存儲(chǔ)功能；電荷轉(zhuǎn)移功能。用半導(dǎo)體硅材料制成的MOS光敏器及后來的HAD(空穴積累光敏二極管)傳感器，由光子激發(fā)產(chǎn)生的電荷與入射光強(qiáng)度成正比，即能將光轉(zhuǎn)換為電；在其上淀積一個(gè)金屬電極，如果在電極上加一正電壓就形成一個(gè)電位阱，這個(gè)所謂的阱，能吸引束縛住該區(qū)域的自由電子，像一個(gè)包，這就有了電荷存儲(chǔ)功能；所加電壓增高，能使阱相應(yīng)變深，相鄰阱的電子就會(huì)被吸引過來，如同水往低處流，從前一個(gè)包流入后一個(gè)包。如果去掉前一個(gè)電極上的電壓，而把后者電壓降低到原來值，電荷就被收集在這個(gè)電極下面，這就完成了電荷從一個(gè)極到另一個(gè)極的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了電荷轉(zhuǎn)移。如果對(duì)所有的電極連續(xù)重復(fù)上述步驟，就能利用一連串的脈沖把電荷作為獨(dú)立的小包沿著襯底的整個(gè)長(zhǎng)度進(jìn)行轉(zhuǎn)移，如同串行移位寄存器，但它不是數(shù)字電路的移位寄存器，而是一個(gè)模擬的移位寄存器。這一串脈沖叫做轉(zhuǎn)移時(shí)鐘脈沖，相當(dāng)于移位脈沖，它在構(gòu)成上比數(shù)字電路移位脈沖要復(fù)雜得多。根據(jù)實(shí)現(xiàn)CCD電荷轉(zhuǎn)移的需要，有垂直移位寄存器和水平輸出寄存器，因此為了讀出CCD的圖像信息，就有垂直轉(zhuǎn)移時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)脈沖和水平轉(zhuǎn)移(輸出)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)脈沖的分別，它們的構(gòu)成(相數(shù)、電平和電壓、時(shí)間波形)是完全不同的。詳細(xì)的情況見后面CCD攝像機(jī)實(shí)例中的介紹。CCD三十年來的發(fā)展，品質(zhì)日益完善。隨著新材料、新技術(shù)、新工藝的不斷進(jìn)步，芯片尺寸由大到小，像素由少到多，而靈敏度卻更高，圖像質(zhì)量更好。目前，在電視監(jiān)控系統(tǒng)中用的CCD攝像機(jī)，芯片尺寸1/3、1/4是主流，像素?cái)?shù)基本為二十九萬(wàn)像素和四十四萬(wàn)像素兩檔。光敏器結(jié)構(gòu)有MOS(金屬氧化物二極管)傳感器和新型的HAD(空穴積累光敏二極管)傳感器。在電荷轉(zhuǎn)移方式上，有FT(幀轉(zhuǎn)移)、IT(行間轉(zhuǎn)移)、FIT(幀-行間轉(zhuǎn)移)三種。這三種轉(zhuǎn)移方式的CCD器件各自都有它們的應(yīng)用范圍。圖1，圖2，圖3表示了三種CCD的轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)原理圖。使用新型HAD(空穴積累光敏二極管)，以IT(行間轉(zhuǎn)移)方式轉(zhuǎn)移的CCD，減少了暗電流形成的固定圖形雜波，容易增加像素?cái)?shù)而提高水平分辨率，有更高的靈敏度和更好的色度，而且和FIT一樣可實(shí)現(xiàn)電子快門功能。片小而價(jià)格低，又容易獲得良好的攝像特性，現(xiàn)在大量生產(chǎn)的幾乎都是這種新型的HAD IT CCD。摘要：專業(yè)攝像管攝像機(jī)正被CCD攝像機(jī)所取代,CCD攝像機(jī)的維修工作是一門新技術(shù)。本文就此進(jìn)行探討。：CCD攝像機(jī)引言1970年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出了第1塊CCD固體攝像器件,1983年美國(guó)RGA公司推出了3板式CCD彩色攝像機(jī),90年代初專業(yè)級(jí)CCD彩色攝像機(jī)開始進(jìn)入我國(guó)電視領(lǐng)域。隨著電子技術(shù)的發(fā)展,CCD攝像機(jī)性能不斷提高,專業(yè)攝像管攝像機(jī)正被CCD攝像機(jī)所取代。目前,我國(guó)各級(jí)電視臺(tái)常見的CCD攝像機(jī)機(jī)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,品種已有數(shù)十個(gè)。CCD攝像機(jī)也會(huì)出問題,最棘手的是CCD組件出故障。CCD組件是攝像機(jī)上最重要、最昂貴的部件。1993年以前,日本攝像機(jī)生產(chǎn)廠家均要求將出故障的CCD組件寄送日本工廠修理。這就產(chǎn)生了兩個(gè)問題,1是維修費(fèi)用高(約需人民幣3萬(wàn)元),2是維修周期長(zhǎng)(需要46個(gè)月)。能不能自己動(dòng)手解決修理問題,那就要知曉CCD的基本工作原理。1.CCD基本工作原理CCD是電荷耦合器件Charge Coupled Device的縮寫。它具有進(jìn)行光-電轉(zhuǎn)換、信息存貯、掃描讀取3大功能。1.1CCD的光-電轉(zhuǎn)換功能如圖1所示,在P型單晶硅的襯底上做一層絕緣氧化膜,通過活化置換技術(shù),再在氧化膜表面做出許多排列整齊的可透光的電極,當(dāng)光線通過時(shí),氧化膜與P型單晶硅之間產(chǎn)生電荷,其電荷的數(shù)量與光照強(qiáng)度及照射時(shí)間成正比,這就是CCD的光電轉(zhuǎn)換功能。1.2 CCD的電荷存貯功能如圖2所示,若在電極加上一個(gè)適當(dāng)?shù)恼妷?則在電極和襯底之間產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng),這個(gè)電場(chǎng)在P型硅中將載流子帶正電的空穴排斥到襯底電極一邊,在電極下硅襯底表面形成一個(gè)沒有可動(dòng)空穴的帶負(fù)電的區(qū)域,這個(gè)區(qū)域稱作電荷耗盡區(qū),這就是能夠吸引電子的勢(shì)阱,電極上所加的電壓越高,勢(shì)阱越深,電荷留在阱內(nèi)量越多,只要電壓存在,電子就能儲(chǔ)存在勢(shì)阱里,當(dāng)景物的光照射到CCD時(shí),具有光敏特性的P型硅在光量子的激發(fā)下產(chǎn)生電子-空穴對(duì),空穴移向襯底而消失,電子進(jìn)入勢(shì)阱并存儲(chǔ)在那里,由于絕緣氧化物層使得電子不能穿過而到達(dá)電極,因此存貯在勢(shì)阱里的電子形成了電荷包,其電荷量的多少與光照強(qiáng)度成正比,于是所有電極下的電荷包就組成了與景物相對(duì)應(yīng)的電荷像。1.3 CCD的電荷轉(zhuǎn)移功能勢(shì)阱的深淺由電極上所加電壓的大小決定。電荷在勢(shì)阱內(nèi)可以流動(dòng),它總是從相鄰淺阱里流進(jìn)深阱中,如圖3所示,這種電荷流動(dòng)稱為電荷轉(zhuǎn)移。若有規(guī)律改變電極電壓,則勢(shì)阱的深度就會(huì)隨之變化,勢(shì)阱內(nèi)電荷就可以按人為確定的方向轉(zhuǎn)移,直到最終由輸出端輸出。這就是CCD的電荷轉(zhuǎn)移原理。電荷轉(zhuǎn)移又分單相驅(qū)動(dòng)、雙相驅(qū)動(dòng)、三相驅(qū)動(dòng)及四相驅(qū)動(dòng)等多種方式,除了電極構(gòu)造及所加電壓波形不同以外,其轉(zhuǎn)移原理是一樣的。四相驅(qū)動(dòng)方式的驅(qū)動(dòng)電路比較復(fù)雜,但相鄰勢(shì)阱的深度差較大,電荷的存貯量也大,容易實(shí)現(xiàn)隔行掃描,在專業(yè)級(jí)攝像機(jī)中應(yīng)用較為廣泛。四相驅(qū)動(dòng)方式即將絕緣層上的電極按列的方式每四個(gè)分為一組,形成一個(gè)象素單元,每組電極分別加上不同的偏置電壓,則在電極下絕緣膜與P型硅之間就產(chǎn)生不同深度的勢(shì)阱,如果有規(guī)律地改變電極上的電壓值,使勢(shì)阱產(chǎn)生變化,就可以使電子定向移動(dòng),這也就是CCD的掃描讀出原理。CCD根據(jù)轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)移方式的不同又分成幀轉(zhuǎn)移(FT)方式；行間轉(zhuǎn)移(IT)方式；幀行間轉(zhuǎn)移(FIT)方式。2.有關(guān)實(shí)際電路為了便于探討問題,我們以市場(chǎng)擁有量較大的日立電子公司產(chǎn)品,Z-ONE-A攝像機(jī)為例,該攝像機(jī)的框圖如圖4所示：我們所討論的CCD組件,它分2個(gè)單元。傳感器(電荷耦合器件)單元和傳感器驅(qū)動(dòng)單元。2.1傳感器單元(電路圖略)來自于傳感器驅(qū)動(dòng)單元的場(chǎng)驅(qū)動(dòng)脈沖V1V4、行驅(qū)動(dòng)脈沖H1H2、復(fù)位脈沖R加到傳感器IC1上。取樣脈沖DS1、DS2供給CDS和復(fù)位電路。視頻信號(hào)從CCD的腳輸出,經(jīng)CDS和復(fù)位電路送往預(yù)放大電路。Q3Q8構(gòu)成的CDS和復(fù)位電路能消除CCD產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲并能改善水平分辯率。2.2傳感器驅(qū)動(dòng)單元該單元向CCD單元提供所需要的脈沖和電壓。場(chǎng)驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)生器IC301產(chǎn)生場(chǎng)驅(qū)動(dòng)脈沖V1V4、CHS脈沖；行驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)生器IC302產(chǎn)生行驅(qū)動(dòng)脈沖H1H2、取樣脈沖DS1、DS2、復(fù)位脈沖R。3.舉例分析說明根據(jù)CCD的基本工作原理,下面再舉些CCD組件故障實(shí)例做進(jìn)一步的討論。故障現(xiàn)象1：攝像機(jī)輸出圖像拖尾且模糊不清。分析：圖像發(fā)生拖尾現(xiàn)象是CCD的轉(zhuǎn)移功能出了問題,勢(shì)阱中光-電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電荷不能被及時(shí)轉(zhuǎn)移泄漏掉；而圖像模糊不清是由于勢(shì)阱中的電荷達(dá)到飽和狀態(tài)并溢出進(jìn)入相鄰的像素單元及垂直移位寄存器等處所致。攝像機(jī)的傳感器單元其勢(shì)阱下部都設(shè)置了由P-N結(jié)組成的泄漏溝道。就Z-ONE-A講,當(dāng)R、G、B 3路信號(hào)均不正常時(shí),首先應(yīng)當(dāng)檢查驅(qū)動(dòng)電路送往傳感器單元的4組電壓是否達(dá)到標(biāo)稱值,若4組電壓正常,接下來就要查各路輸出脈沖的幅度及波形。檢查后實(shí)際情況是：驅(qū)動(dòng)單元輸出的V2、V4幾乎沒有,即IC101的第2、19腳脈沖波形幅度太小。而IC101第10、11腳V2、V4的輸入脈沖波形幅度正常。測(cè)得IC101第1腳工作電位只有-2V,正常值應(yīng)為-8.8V。Q102是IC101的供電電壓調(diào)整管,它的基極由于R102的阻值變大而電位變高,造成IC101工作電壓太高,使之不能正常工作。造成IC101的輸出脈沖V2、V4波形幅度不正常。更換R102后,故障現(xiàn)象消失。故障現(xiàn)象2：輸出圖像有彩色勾邊。分析：可先用示波器對(duì)預(yù)放大/PRA板進(jìn)行檢查,觀察比較輸入的R、G、B 3路波形是否正常一致。若二路波形正常,僅一路波形異常有雜波,就可以判定攝像機(jī)電源提供給CCD單元所需的工作電壓是正常的,也可以判定提供行、場(chǎng)脈沖信號(hào)的SG/GL板和CCD驅(qū)動(dòng)單元沒有問題,問題出在CCD組件內(nèi)部。就可以根據(jù)具體情況直接去檢查波形異常的那一路電路。如果輸出圖像有藍(lán)色勾邊就直接去檢查藍(lán)路CCD單元傳感器IC1各腳的直流工作電位。檢查方法同上例相似。檢查后實(shí)際情況是：IC1的第1腳直流工作電位明顯小于正常值(+6V)。檢查發(fā)現(xiàn)R17被附近電解電容的漏液腐蝕,造成阻值變大。使復(fù)位脈沖R不能正常送到IC1的1腳,造成勢(shì)阱中光-電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電荷不能及時(shí)被轉(zhuǎn)移泄漏掉,引起輸出圖像有藍(lán)色勾邊故障。更換R17后,IC1的第1腳直流工作電位恢復(fù)到正常值,故障現(xiàn)象消失。故障現(xiàn)象3：攝像機(jī)輸出色彩偏黃分析：攝像機(jī)輸出圖像色彩偏,首先要鑒別是視頻預(yù)放大電路有問題?還是視頻信號(hào)處理電路有問題?還是CCD組件有問題?專業(yè)級(jí)攝像機(jī)都可以通過打開測(cè)試開關(guān)來進(jìn)行區(qū)分鑒別。打開測(cè)試開頭,若攝像機(jī)輸出測(cè)試信號(hào)正常,說明視頻信號(hào)處理電路沒有問題。問題可能出在視頻預(yù)放大電路和視頻處理板之前的CCD組件內(nèi)。通過檢查視頻預(yù)放大電路上的TP測(cè)試點(diǎn),可以區(qū)分問題是否出在視頻預(yù)放大電路上。若判定問題出在CCD組件內(nèi)部。根據(jù)電視混色原理,圖像色彩偏黃,這一現(xiàn)象這是缺少藍(lán)路信號(hào)所致。接下來,你就可以采用逐步排除法,從CCD單元的輸出往前查。檢查后實(shí)際情況是：CDS單元的Q8的e、b、c直流電位分別為-2V、-1.3V、+5V，e、b端電位正常值應(yīng)為-8V、-7.3V。測(cè)CN103的1腳與Q8的e端間的電阻R23變質(zhì)增大。更換電阻R23后,故障消失,問題得到解決。在實(shí)際維修工作中,如果1臺(tái)攝像機(jī)故障確定發(fā)生在CCD組件,應(yīng)當(dāng)先檢查CCD單元的各路電壓、驅(qū)動(dòng)脈沖是否正常,若R、G、B 3路信號(hào)中只是某1路信號(hào)不正常,那就重點(diǎn)檢查該路CCD單元及信號(hào)通