2022-2023學年高二物理競賽課件：電荷的測量

電荷的測量

ODOSRDRSW+5V0V-5V+10V0VRSWVoutVout電荷輸送到相加阱。Vout

現(xiàn)在是參考電平。在這個期間，外部電路測量參考電平。輸出節(jié)點相加阱串行寄存器的末端電荷的測量輸出FET復位FETODOSRDRSWVout+5V0V-5V+10V0VRSWVout把電荷輸送到輸出節(jié)點電容，Vout

下降到信號電平。串行寄存器的末端輸出節(jié)點相加阱電荷的測量輸出FET復位FET+5V0V-5V+10V0VRSWVout外部電路對Vout進行采樣，所采樣的Vout電平與輸入電荷包中電荷的多少成正比。ODOSRDRSWVout串行寄存器的末端輸出節(jié)點相加阱電荷的測量輸出FET復位FET電荷的測量為了進行性能分析，利用等效電路說明?，F(xiàn)在CCD輸出結構中，相加阱被輸出柵代替，作用相同。復位FET用開關等效，輸出節(jié)點電容用電容等效。該電容的典型值都小于0.1pF。根據(jù)V=Q/C,這個電容的兩端將產生與這個電荷包電荷量成比例的電壓，也是某個特定像元入射光強度成比例的電壓。Vout=G×Qm/Cs2-8電荷的測量等效電路RDOD節(jié)點電容移位寄存器來Cs=0.1pF一個電子電荷～1.6

V輸出信號：1復位脈沖過沖2參考電平3信號電平G:輸出FET增益(1～0.8)電荷的測量等效電路CCD信號電平是浮起來的，真正的信號是信號電平與參考電平之差。復位管不是理想開關，存在導通電阻。這個電阻的熱噪聲在復位時會通過節(jié)點電容疊加到信號上輸出形成復位噪聲。電荷的測量還有輸出管的閃爍(1/f)噪聲以及輸出電阻的熱噪聲，一起構成CCD讀出噪聲。在讀出噪聲中起主要作用的是復位噪聲。復位噪聲計算：導通電阻熱噪聲k:波爾茨曼常數(shù)，T:絕對溫度，B:帶寬CCD利用單極點模型，B=1/(4RC)電荷的測量噪聲電壓表示：噪聲電子表示：復位噪聲又稱KTC噪聲2-92-10舉例說明：復位噪聲Cs=0.1pF,RON=2k

噪聲帶寬B=1.25GHznR=0.203mV，相當于126個電子。輸出電阻熱噪聲當B＝1MHz,RL=2k

時nW＝5.75V

rms電荷的測量CCD工作過程與性能電荷生成 量子效率(QE)、暗電流電荷收集 滿阱電荷數(shù)、均勻性、擴散(調制傳遞函數(shù),MTF)電荷轉移 電荷轉移效率(CTE),電荷測量 讀出噪聲、線性度CCD與CMOS比較電荷生產電荷收集電荷轉移電荷測量四個過程在一個像元內完成.光電轉換電荷收集像元的光敏區(qū)電荷轉移垂直和水平CCD水平CCD后放大器電荷-電壓轉換/放大微型信號線電壓傳遞CCD圖像傳感器CMOS圖像傳感器像元內放大器電荷-電壓轉換/放大CCD與CMOS比較性能CCDCMOS像元輸出電荷包電壓芯片輸出電壓(模擬)數(shù)字量噪聲低中等填充因子高低暗電流低高均勻性高中等動態(tài)范圍高中等系統(tǒng)復雜度高低功耗高低垂直模糊較大沒有CCD與CMOS比較CMOS的集成度高

CCD與CMOS比較CMOS的填充因子較低

CCDCMOSCCD與CMOS比較CMOSCameraCCD與CMOS比較卷簾式快門CMOS引起的畸變CCD的基本結構非常簡單，就是MOS電容。了解MOS電容就了解了收集電荷的勢阱，了解了隔離電荷包的勢壘，了解了供電荷轉移的溝道。CCD的輸出結構對CC