c電荷耦合器件10

1、精彩圖片欣賞（1）精彩圖片欣賞（2）精彩圖片欣賞（3）精彩圖片欣賞（4）精彩圖片欣賞（5）精彩圖片欣賞（6）精彩圖片欣賞（7）精彩圖片欣賞（8）是誰將美麗留駐？ 第一節(jié) CCD的物理基礎 第二節(jié) CCD工作原理 第三節(jié) CCD器件 第四節(jié) CCD的應用 第3章 電荷耦合器件Charge Coupled DeviceCCD 電荷耦合器件（Charge Coupled DeviceCCD）是按照一定規(guī)律排列的 MOS電容器陣列組成的移位寄存器，在MOS電容器陣列加上輸入、輸出端，便構(gòu)成了CCD。第一節(jié) CCD的物理基礎可以實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換、信號儲存、轉(zhuǎn)移(傳輸)、輸出、處理以及電子快門等一系列功能。金

2、屬SiO2p-SiVG1200-1500A具有以下一些特點：一般特性：體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、壽命長。分辨率高：線陣7000Pixel、分辨能力7m，面陣40964096，整機分辨能力1000線以上。兼容性：任選模擬、數(shù)字輸出形式，與同步信號、I/O接口及微機兼容，組成高性能系統(tǒng)。分類：線陣和面陣器件。光電特性：靈敏度高、動態(tài)范圍大。靈敏度0.01Lx，動態(tài)范圍106：1，信噪比6070dB。一、穩(wěn)態(tài)情況MOS結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)VG 01、VG0。金屬電極上加負電壓2、半導體表面的表面勢VS 0，3、排斥電子、吸引空穴4、近表面處的空穴濃度增大。多數(shù)載流子堆積狀態(tài)p-SiVGp-SiVG

3、VG 0。MOS狀態(tài)的定性分析(一)半導體表面內(nèi)排斥空穴、吸引電子，形成負耗盡區(qū)。耗盡區(qū)稱為電子“勢阱”。勢阱深度就是指耗盡層的厚度。耗盡狀態(tài)在 n型p型之間仍是耗盡層。MOS狀態(tài)的定性分析(二)弱反型VG Vth，強電場將p中少子吸引到半導體表面。電子在p型硅表面形成n型薄層，即弱反型狀態(tài) 。MOS達到穩(wěn)定狀態(tài)。MOS狀態(tài)的定性分析(三)強反型VG Vth 繼續(xù)增大。界面下電子濃度等于襯底受主濃度(多子濃度)，即強反型狀態(tài)。 耗盡層的寬度保持其最大值不變。MOS狀態(tài)的定性分析(四)強反型VG Vth ，繼續(xù)增大反型層內(nèi)的電子數(shù)量增加，達到最大值。反型層狀態(tài)的定量分析表面：MOS結(jié)構(gòu)的襯底與氧

4、化物之間的交界面；出現(xiàn)“強反型”的條件是表面勢VS為：式中：NA 為p-Si摻雜濃度；ni =(n0p0)1/2； n0 、 p0體內(nèi)熱平衡時的電子濃度和空穴濃度。p-SiVGVS表面勢：表面的電動勢vox理論上，VGVth就使 MOS結(jié)構(gòu)形成強反型狀態(tài)，實際中 ，還應考慮到所謂“平帶電壓”的存在。從電路看，表面勢VS為-表面出現(xiàn)反型狀態(tài)時對應的外加柵壓VG,以Vth表示.Vth = VS + Voxp-SiVGVSvox其中：VS = VG - Vox閾值電壓：二、非穩(wěn)態(tài)情況MOS結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)動態(tài)過程：施加柵壓的瞬間，半導體表面的空穴被排斥而形成耗盡區(qū)。反型層中電子來源主要是耗盡區(qū)內(nèi)熱激發(fā)

5、的電子空穴對的電子。 從非平衡態(tài)的建立開始到達熱平衡狀態(tài)（即穩(wěn)態(tài)）需要一定的時間-存貯時間T。0：耗盡區(qū)少子壽命；ni：本征載流子濃度；NA：受主濃度達熱平衡之前，MOS結(jié)構(gòu)中是空的電子勢阱。從表面一直到體內(nèi)較深處（稱深耗盡）。如果用信號電子QS注入勢阱，勢阱變淺；當表面勢VS下降至兩倍費 米電勢時，勢阱“充滿”，不再能吸納信號電子。非穩(wěn)態(tài)時，VS大，勢阱深。勢阱所能容納的最大電荷量近似為：QS = CoxVGAd第二節(jié) CCD的工作原理1、采用單層單電極，勢阱對稱。時鐘脈沖控制電荷傳輸方向，防止電荷倒流。一、CCD的電極結(jié)構(gòu)若干電極為一組構(gòu)成一“位”。每位有有獨立的驅(qū)動時序，稱作“相”。電極

6、結(jié)構(gòu)分為二相、三相、四相三類。2、為使電荷傳輸，采用交疊電極結(jié)構(gòu). 三相電極結(jié)構(gòu)： 2、這種二相電極結(jié)構(gòu)減少時鐘脈沖相數(shù)，電路相對簡單。二相電極結(jié)構(gòu)：氧化層厚度大或摻雜濃度高的地方勢阱淺，氧化層厚度薄或摻雜濃度低的地方勢阱深。1、施加電壓后，形成不對稱的勢阱，二、CCD的電荷轉(zhuǎn)移 1、三相CCD的電荷轉(zhuǎn)移 2、二相CCD的電荷轉(zhuǎn)移 3、CCD的電荷輸出 （1） 電流輸出方式：4、輸出線性與輸出二極管結(jié)電容大小有關，輸出信噪比取決于體外放大器。3、電荷轉(zhuǎn)移到輸出擴散結(jié)本質(zhì)上是無噪聲的。2、電荷包進入3下后 3從高變低 ，VOG升高（同時提升了二極管的反向偏壓），形成反向電流，通過負載電阻流入體外

7、放大器。1、構(gòu)成：輸出柵OG、輸出反向二極管、片外放大器。-+VBLPFC式中，gm為T1柵極與源極之間的跨導。（2）電壓輸出方式：在體外集成復位管T1和放大管T2。1、在3下的勢阱形成之前， 加 r，把浮置擴散區(qū)上一周期的剩余電荷通過T2的溝道抽走。式中，CFD為浮置擴散節(jié)點上的總電容。所有的單元做在同一襯底上，抗噪聲性能比電流輸出好。voutT2voutT1rVcc浮置擴散放大器:原理:2、當信號電荷到來時，T1截止，信號電荷控制T2的柵極電位：Vout = Qs / CFD3、在輸出端獲得的放大了的信號電壓為 4、CCD的特性參數(shù)沒有被轉(zhuǎn)移Q（=Q1-Q0）與原有Q0之比值，稱作轉(zhuǎn)移損失

8、率。電荷轉(zhuǎn)移效率及電荷轉(zhuǎn)移損失率1)、定義：當前電極下Q1與上一電極Q0的比值，稱作轉(zhuǎn)移效率。 4、CCD的特性參數(shù)2)、計算式：如果總轉(zhuǎn)移效率太低， CCD器件就失去實用價值。因為，如果一定，那么器件的位數(shù)就受到限制。如果轉(zhuǎn)移 n個電極后，所剩下的信號電荷量為Qn，那么，總轉(zhuǎn)移效率為：Qn / Q0 = n = ( )n e -n結(jié)論：2、計算式：N / f L （or） f L N / （相數(shù) N = 2、3、4）工作頻率f太高，會降低總轉(zhuǎn)移效率，同樣降低了信噪比。CCD器件的工作頻率應選擇在fL 和fh 之間。1、定義：信號電荷從一個電極轉(zhuǎn)移到另一個電極的頻率 f，包括上限頻率及下限頻率

9、。f 太低，熱激發(fā)的少子過多填入勢阱，降低輸出信號的信噪比。Th / 3=1/(3 f h ) tm （or） fh (3 tm)-1 （相數(shù) N = 2、3、4）工作頻率的上限fh：工作頻率下限f L ：結(jié)論： 2、計算式： Nmax= Cox VG Ad / q = V G 0 s Ad2 / dq一定柵極電壓作用下，勢阱中能容納的最大電荷量電荷貯存容量可以近似地當作電容對電荷的存儲來分析Qs = Cox VG Ad式中，VG 為時鐘脈沖變化幅值；Cox為SiO2層的電容；Ad為柵電極面積。如果SiO2氧化層的厚度為d，則勢阱中最大電荷貯存容量為：1、定義：舉例設電極下氧化層厚度 d150

10、0nm， VG10V，s =3.9,08.8510-2pF/cm、q=1.61019C、Ad1cm2。計算得Nmax =7106 ，可容納1000 Lx 的光照射2ns所產(chǎn)生的載流子電荷貯存容量3、舉例： 入射在CCD象元上的單位能流密度所產(chǎn)生的輸出電壓Vs的大小，用SV表示。靈敏度2、計算式：1、定義：1、定義：在一定的測試條件下， CCD能傳感的景物光學信息的最小空間分布，用Tx表示。2、計算式：設CCD像元精密排列，象素中心間距t，則器件的極限分辨率 Tx = 2t 。分辨率1、定義： 指器件在相同光能量照射下，輸出的電壓Vs與光波長之間的關系。光譜響應隨光波長的變化而變化的關系稱為光譜

11、響應函數(shù)光譜響應2、光譜響應率由器件光敏區(qū)材料決定。第三節(jié) CCD器件一、典型的CCD結(jié)構(gòu)單溝道線陣CCD結(jié)構(gòu)移位寄存器CCD轉(zhuǎn)移柵光柵光敏元輸出雙溝道線陣CCD結(jié)構(gòu)幀轉(zhuǎn)移CCD結(jié)構(gòu)行間轉(zhuǎn)移CCD結(jié)構(gòu)攝像器件二、典型的CCD器件及其驅(qū)動TCD142D型CCD5、像元結(jié)構(gòu)： 2110個光敏像元陣列,62個啞元（前51個、后 11個) 雙溝道性能參數(shù)：1、象素(象元)：2048位線陣2、相數(shù)：二相。3、像元尺寸： 14m，光敏陣列總長28672m 4、引腳： 1A 、2A 、1B 、2B均為時鐘端、SH為移動柵、 RS 為復位柵, OS為移動柵、DOS為補償輸出端、OD為電源端、 SS為接地端、N

12、C空閑。TCD142D驅(qū)動波形6、 RS復位一次輸出一個光電信號。 DOS端是補償輸出單元的輸出端，用于檢取驅(qū)動脈沖 對輸出電路的容性干擾信號，若將OS和 DOS分別送到差分放大器的兩個輸入端，則在輸出端將得到被放大的沒有驅(qū)動脈沖干擾的光電信號。1、SH為同步脈沖，B時段，光敏區(qū)與移位寄存器之間的勢阱溝通，信號電荷轉(zhuǎn)移至l 電極下。2、C時段，隔離光敏區(qū)與移位寄存器之間的勢阱溝通。3、隨后，l 與2交替變化，信號電荷順序轉(zhuǎn)移，經(jīng)由OS引腳輸出。4、輸出：12個虛設脈沖（結(jié)構(gòu)上的原因） 51個暗電流脈沖 2048個信號脈沖 11個暗電流脈沖（共12+51+2048+11=2122個脈沖） 多余無

13、信號脈沖。5、該器件是兩列并行傳輸，在一個SH 周期中至少要有1061個1脈沖，即TSH1061T1。TCD142D驅(qū)動電路三、CCD器件的選擇（自學）第四節(jié) CCD的應用一、尺寸測量測量精度：外徑0.1mm 壁厚0.05mm設計思想（）設計指標玻璃管平均外徑：12mm 壁厚：1.2mm根據(jù)CCD測量靈敏度的需要，0.04mm要大于2個 CCD光敏像素的空間尺寸，選擇TCD132D（光敏區(qū)長102414m=14.336mm）。則： d1 = n1t / d2 = n2t / D = Nt / 光學參數(shù)計算設：物鏡放大率：象元尺寸：t上壁厚：d1 ，脈沖數(shù)n1下壁厚： d2 ，脈沖數(shù)n2外徑尺寸

14、：，脈沖數(shù)：N選擇遠心光路的放大率為0.8倍，則：玻璃管的像大小為：9.6mm外徑及壁厚測量精度要求反應在像面上為：0.08mm及0.04mm。二、位移測量設計思想（）設計指標：最大電動程：3mm最小微位移：0.004mm測量儀器設計確定：測量范圍：03.5mm靈敏度：0.003mm測量誤差：0.1非接觸在線測量式中：N為M1M2之間的象素數(shù)量。L = (LBa - LBa) + 0.5 (Wab - Wab)L = (NL - NL) + 0.5 (NW - NW) 分析設：放大系數(shù)CCD面上光強凹陷移動L，則：頂桿的電動程x = L / 又設CCD單元象素寬度為t, 則： L = Nt計數(shù)

15、電路當SOUT為高電平時，計數(shù)器開始對M計數(shù)，直至SOUT為低電平止。以SH為標志，SH出現(xiàn)起延時固定時間，由計算機輸出r ，開啟4040對M計數(shù)，直至SOUT出現(xiàn)。記錄NL ：記錄NW ：三 、信號的二值化三、數(shù)碼相機成像遠心光路物方遠心光路象方遠心光路1、當VG0時，半導體的能帶并不是平的，而是向上有所彎曲。平帶電壓1、為了使能帶變平，需要附加一定的電壓，這個電壓稱平帶電壓，用 VFB表示。2、這是由于界面處有一定的正電荷存在，在氧化物中有可移動的電荷，界面處的能帶稍向上彎曲。2、考慮到VFB，柵極上所加的電壓必須是VG (Vth + VFB)。CCD的電荷轉(zhuǎn)移每一象素（象元）含有若干CC

16、D電極圖像傳感技術給汽車裝上眼睛 （1） 目前的汽車系統(tǒng)都是通過超聲波傳感器來計算距離的，比如可以在司機倒車的時候?qū)φ系K物進行報警。因為雷達和激光雷達傳感器成本高昂，所以，成本較低的相機傳感器就更為了眾商家積極研究和開發(fā)的領域。能夠探視車的前方，跟定車道線，探視四周并識別限速標志，圖像傳感技術在汽車上的應用。 汽車四周： 1.后視相機。 2.轉(zhuǎn)向輔助功能：當轉(zhuǎn)向燈亮的時候，位于側(cè)鏡周圍的圖像識別器就能夠自動掃描到周圍的車輛。如果檢測到其他車輛的存在，圖像識別器就會發(fā)出報警。 3.夜間識別：汽車的前燈大概能夠照亮汽車前方100米左右的距離。使用先進的紅外線技術后，圖像識別器能夠識別更遠的具體物體。 汽車內(nèi)部： 1. 乘客識別：通過汽車內(nèi)部的圖像識別器和體重識別器，2. 安全警示：圖像識別器可以根據(jù)駕駛員的頭部動作、眨眼睛頻率等來分辨司機的疲勞程度。警示。 3. 智能氣囊：可以通過座位上乘客的身材來判定是否打開氣囊甚至控