基于FPGA的线阵CCD驱动器设计.doc

1、 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 本科毕业设计论文 草鱼 草鱼 草鱼 题 草鱼目 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 基于 FPGA 的线阵 CCD 驱动器设计 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 专业名称 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 学生姓名 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼草鱼

2、指导教师 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼草鱼 草鱼 毕业时间 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼草鱼 草鱼 摘 草鱼 要 草鱼 草鱼 该篇毕业设计涉及的器件 主要有 TDICCD8091 及 FPGA 草鱼 EP1C12Q240， 鲤鱼 开发平台为 Quartes 草鱼 II。草鱼 介绍一种基于 FPGA设计线阵 CCD器件和 TDICCD8091芯片复杂驱动电路和整个 CCD的电子系统控制逻辑

3、时序的方法 ， 鲤鱼 并给出时序仿真波形 。 草鱼草鱼 草鱼 CCD， 鲤鱼 是英文 (Charge 草鱼 Coupled 草鱼 Device) 草鱼 即电荷耦合器件的缩写 ， 鲤鱼 它是一种特殊半导体器件 ，鲤鱼 是一种新型的固体成像器件 。 草鱼 它既具有光电转换的功能 ， 鲤鱼 又具有信号电荷的存储 、 pork转移和读出的功能 。 草鱼 CCD 应用技术是光 、 pork机 、 pork电和计算机相 结合的高新技术 。 草鱼 草鱼 在 FPGA 开发 环境下 ， 鲤鱼 系统地介绍了 TDICCD 的基本工作原理 、 pork特性及应用 。 草鱼 并以 TDI8091芯片的 CCD 驱

4、动 时序的 设计介绍了在 Quartes 草鱼 II 开发 环境 下 ， 鲤鱼 利用 VHDL 硬件描述语言输入方式来设计数字逻辑电路的过程和方法 。 草鱼 总之 ， 鲤鱼 CCD 应用技术有很好的发展前景 。 草鱼 草鱼 关键字 ： p orkCCD， 鲤鱼 TDICCD8091 芯片 ， 鲤鱼 FPGA， 鲤鱼 VHDL 草鱼 ABSTRACT 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 The 草鱼 article 草鱼 involved 草鱼 in 草鱼 the 草鱼 graduation 草鱼 line 草鱼 array 草鱼 device 草鱼 including 草鱼 CCD， 鲤鱼 草鱼TDICC

5、D8091chips 草鱼 and 草鱼 VHDL 草鱼 design. 草鱼 Introduction 草鱼 of 草鱼 a 草鱼 design 草鱼 based 草鱼 on 草鱼 FPGA 草鱼 devices 草鱼 andTDICCD8091 草鱼 linear 草鱼 CCD 草鱼 and 草鱼 theCCD 草鱼 driving 草鱼 circuit 草鱼 complexity 草鱼 of 草鱼 electronic 草鱼timing 草鱼 system 草鱼 controllogic， 鲤鱼 and 草鱼 gives 草鱼 the 草鱼 timing 草鱼 simulation 草鱼

6、 wavetorm 草鱼 CCD 草鱼 (Charge 草鱼 Coupled 草鱼 Device) 草鱼 is 草鱼 a 草鱼 kind 草鱼 of 草鱼 special 草鱼 semiconductor 草鱼 device, 草鱼 which 草鱼 is 草鱼 a 草鱼 new 草鱼 kind 草鱼 of 草鱼 solid 草鱼 like 草鱼 device. 草鱼 After 草鱼 having 草鱼 light 草鱼 electricity 草鱼 conversion, 草鱼 the 草鱼 signal 草鱼 electric 草鱼 charge 草鱼 saved 草鱼 and 草鱼 t

7、ransfer 草鱼 again 草鱼 with 草鱼 the 草鱼 function 草鱼 that 草鱼 had 草鱼 done. 草鱼 Applied 草鱼 technique 草鱼 in 草鱼 CCD 草鱼 is 草鱼 high 草鱼 and 草鱼 new 草鱼 technique 草鱼 that 草鱼 contain 草鱼 light, 草 鱼machine, 草鱼 give 草鱼 or 草鱼 get 草鱼 an 草鱼 electric 草鱼 shock 草鱼 to 草鱼 combine 草鱼 together 草鱼 with 草鱼 the 草鱼 computer.草鱼 Enviro

8、nment 草鱼 in 草鱼 the 草鱼 FPGA， 鲤鱼 the 草鱼 system 草鱼 introduces 草鱼 the 草鱼 basic 草鱼 working 草鱼 principle 草鱼TDICCD， 鲤鱼 characteristics 草鱼 and 草鱼 appliaction 草鱼 AND 草鱼 to 草鱼 TDI8091 草鱼 chip 草鱼 CCD 草鱼 driving 草鱼 circuit 草鱼 design 草鱼 introduced 草鱼 in 草鱼 Quartes 草鱼 草鱼 development 草鱼 software 草鱼 ， 鲤鱼 the 草鱼 use

9、 草鱼 of 草鱼 VHDL 草鱼 hardware 草鱼description 草鱼 language 草鱼 input 草鱼 to 草鱼 the 草鱼 process 草鱼 of 草鱼 designing 草鱼 digial 草鱼 logic 草鱼 circuits 草鱼and 草鱼 methods 草鱼 In 草鱼 conclusion 草鱼 ， 鲤鱼 CCD 草鱼 technoligy 草鱼 has 草鱼 a 草鱼 very 草鱼 good 草鱼 application 草鱼prospects 草鱼 KEY 草鱼 WORDS: 草鱼 ccd， 鲤鱼 tdiccd8091chip， 鲤鱼

10、 fpga， 鲤鱼 vhdl 草鱼 前言 草鱼 1.1TDI-CCD 简介 草鱼 TDICCD 是一种具有面阵结构线阵输出的新型 CCD， 鲤鱼 较普通的线阵 CCD 而言它具有多重级数延时积分的功能 。 草鱼 从其结构来看 ， 鲤鱼 多个线阵平行排列 ， 鲤鱼 像元在线阵方 向和级数方向呈矩形排列 ， 鲤鱼 它的列数是一行的像元数 ， 鲤鱼 行数为延迟积分的级数 (M).草鱼 CCD 作为电荷耦合器件的突出特点是以电荷作为信号 ， 鲤鱼 而不同于其他大多数器件是以电流或者电压为信号 。 草鱼 CCD 的基本功能是电荷的存储和电荷的转移 ， 鲤鱼 因此 ， 鲤鱼 CCD 工作过程的主要问题是信

11、号电荷的产生 、 pork存储 、 pork传输和检测 。 草鱼 CCD 的信号电荷是由光信号转换成的 。 草鱼 信号电荷的存储和传输由构成 CCD的基本单元 MOS(金属 -氧化物 -半导体 )结构在驱动脉冲的作用下完成 。 草鱼草鱼 草鱼 1.2 草鱼 FPGA 配置硬 件电路 草鱼 随着电子技术 、 pork计算机应用技术和 EDA 技术的不断发展 ， 鲤鱼 利用 FPGA 进行数字系统的开发已被广泛应用于通信 、 pork航天 、 pork医疗电子 、 pork工业控股等邻域 。 草鱼 与传统电路设计方法相比 ， 鲤鱼 FPGA具有功能强大 、 pork开发过程投资小 、 pork周期

12、短 、 pork便于修改及开发工具智能化等特点 。 草鱼 近年来 ， 鲤鱼 FPGA市场发展迅速 ， 鲤鱼 并且随着电子工艺不断改进 ， 鲤鱼 低成本高性能的 FPGA 器件推陈出新 ， 鲤鱼 从而促进了 FPGA 成为当今硬件设计的首选方式之一 。 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 采用 FPGA 技术设计 CCD 图像传感器的驱动电路 ,数字视频信号处理电路 ,使原来复杂的电路设计变成只需一片 FPGA 芯片就能完成 。 草鱼 同时 ,它能够很好的满足 CCD 成像系统向高速小型化 、 pork智能化 、 pork低功耗发展的需求 。 草鱼 从而提高了系统的集成度 ； pork而且使电路

13、的抗干扰能力增强 ， 鲤鱼 提高了系统的可靠性和稳定性 。 草鱼草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 FPGA 的主要生产厂家有 Altera、 porkXilinx、 porkActel 草鱼 、 porkLattice。 草鱼 其中 Altera 和Xilinx 主要生产一般 用途 FPGA， 鲤鱼 其主要产品采用 RAM 工艺 。 草鱼 Actel 主要提供非易失性 FPGA， 鲤鱼 产品主要基于反熔丝工艺和 FLASH 工艺 。 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 1.3 草鱼 TDI-CCD 的国内外发展现状 草鱼 CCD（ Charged 草鱼 Coupled 草鱼 Device）于 1969

14、年在贝尔试验室研制成功 ， 鲤鱼 之后由日商等公司开始量产 ， 鲤鱼 其发展历程已经将近 30 多年 ， 鲤鱼 从初期的 10 多万像素已经发展至目前主流应用的500-800 万像素 。 草鱼 CCD 和传统底片相比 ， 鲤鱼 CCD 更接近于人眼对视觉的工作方式 ， 鲤鱼 每一个 CCD组件 由上百万个 MOS 电容所构成（光点的多少要看 CCD 草鱼 的像素而定） 。 草鱼草鱼 国外于 20 世纪 70 年代末期开始进行 TDICCD 可见光成像器件的研制 ， 鲤鱼 先后成功地研制出了512 96， 鲤鱼 1024 96， 鲤鱼 2048 96， 鲤鱼 4096 96 及拼接式 1024

15、96等 TDICCD 可见光成像器件 ，鲤鱼 随后市场上也相继推出了各种型号的 TDICCD 可见光成像组件 。 草鱼 TDI-CCD 由于其特点而被广泛运用于航天航空等敏感而重要的领域 ， 鲤鱼 产品不仅价格昂贵 、 pork而且受到国家的严格管制 。 草鱼因此各个国家都在努力发展自己 的 TDICCD 技术 。 草鱼 我国的 TDICCD 研制工作起步比较晚 ， 鲤鱼 目前落后于欧美等先进国家 10 年以上 ， 鲤鱼 并且我国对 TDICCD 草鱼 图象传感器的应用还不十分广泛 ,主要应用在航空和航天遥感上 。 草鱼 因此必须大力发展我的 TDICCD技术 。 草鱼 草鱼 美国是世界上最早

16、开展 TDICCD 草鱼 研究的国家 , 草鱼 在此应用研究领域一直保持领先的地位 。 草鱼 而其推出的 CCD10121 型 TDI-CCD 行像元数更是达到 12288， 鲤鱼 输出总速率高达 160MHz3.此外 Atmel 公司在这方面也有较强实力 ， 鲤鱼 其 AT71548A 由 3 片 5200 32 型 TDI-CCD 组成 。 草鱼此外日本的滨淞光子（ HAMAMATSU）开发 S10200 系列 ， 鲤鱼 加拿大 DALSA 的 IL-EX、 porkIL-TX、porkIT-EX、 porkIT-FX 系列 TDI-CCD 都有较强的竞争力 ； pork法国汤姆逊无线电公

17、司 (CSF) 草鱼 和英国的E2V 草鱼 公司也在开展这方面的研究 。 草鱼 草鱼 1.4 草鱼 论文的主要研究工作 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 论文主要通过对 TDICCD 的工作原理的了解与应用 ， 鲤鱼 并 以 FPGA 作为硬件平台 ， 鲤鱼 深入了解TDICCD8091 芯片和研究 TDI8091 芯片的 CCD 驱 动时序的 设计 。 草鱼 安装并使用 Quartes 草鱼 II， 鲤鱼 并且在 Quartes 草鱼 II 开发 环境 下 ， 鲤鱼 利用 VHDL 硬件描述语言输入方式 自行编写了一段代码 来 实现数字逻辑电路的过程和方法 。 草鱼 草鱼 TDI-CCD 工作原理及主

18、要性能参数 草鱼 2.1 草鱼 TDI-CCD 草鱼 结构 草鱼 TDICCD 从结构上可以看作是由按照一定规律排列的光敏像元阵列组成的移位寄存器 ， 鲤鱼 每个像元就是一个 MOS 电容器 (有的是光敏二极管 )， 鲤鱼 因此 CCD 也可以看作是由 MOS 矩阵组成的电荷耦合器件 。 草鱼 它是在 P 型 (或 N 型 )Si 衬底的表面上用氧化的办法生成一层厚度约1000 1500 的 SiO2， 鲤鱼 再在 SiO2表面蒸镀一层金属层或能够透过一定波长范围光的多晶硅薄膜 ， 鲤鱼 并在上面加上一个电极 ， 鲤鱼 称为“栅极” ， 鲤鱼 在衬底和金属电极间加上一个偏置电压 ，鲤鱼 就构成

19、了一个 MOS 电容器 ， 鲤鱼 其结构如图 2.1(a)所示 。 草鱼 每个 MOS 单元可以等效为一个小电容 ，鲤鱼 一行密集的 MOS 电容相当于一个串行移位寄存器 ， 鲤鱼 因此可以寄存和转移电荷 。 草鱼 按物理概念分析 ， 鲤鱼 在 MOS 结构的电极上加一定的电压 ， 鲤鱼 在其半导体内部会形成势 阱 ， 鲤鱼 势阱内可以存贮少子电荷 ， 鲤鱼 若给 MOS 阵列加上一定的时钟脉冲 ， 鲤鱼 则势阱会作定向运动 ， 鲤鱼 并携带少子电荷包作定向转移 4。 草鱼 草鱼 草鱼 图 2.1 草鱼 CCD的 MOS结构 草鱼 以 P 型硅为例 ， 鲤鱼 当 在其栅极 上加上正偏压 (N

20、型硅则加负偏压 )， 鲤鱼 由此形成的电场穿过氧化物(SiO2)薄层 ， 鲤鱼 排斥 Si-SiO2 界面附近的多数载流子穴 )， 鲤鱼 留下带负电的固定不变的受主离子NA-， 鲤鱼 形成耗尽层（无载流子的本征层） ， 鲤鱼 耗尽层的存在表明 MOS 结构存储电荷的功能 。 草鱼 与此同时 ， 鲤鱼 氧化层与半导体界面处的电势 (常称为表面势 ， 鲤鱼 用 s表示 )时钟控制 。 草鱼 水平读出像元会送入到 CCD 内部的放大器中 ， 鲤鱼 由于不同型号 CCD 的 放大器带宽不同 ， 鲤鱼 所以每秒钟水平读出像元个数的数目有限制 。 草鱼 例如 。 草鱼 一款 CCD 内部放大器每秒钟接受

21、107个像元 ， 鲤鱼 水平寄存器容量为 500 个像元 ， 鲤鱼 那么可以算出它的行转移速度最大为 20000行每秒钟 。 草鱼 草鱼 草鱼 图 2.2 草鱼 寄存器布局图 草鱼 草鱼 草鱼 2.2 草鱼 TDI-CCD 的特点 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 与普通线阵 CCD 草鱼 相比 ,TDI 草鱼 工作模式的一个主要优点就是它能够在较低的光照下工作 ,可以与小相对孔径 (1/ 草鱼 8 1/ 草鱼 14) 草鱼 的光学系统配合成像 ,从而大 幅度减少遥感相机的体积和质量 。 草鱼 另外 ,随着 TDI 级数增加 ,信号随 TDI 草鱼 级数 ( 草鱼 N 草鱼 ) 草鱼 成线性增加

22、,而噪声随 TDI 草鱼 级数成平方根增加 , 草鱼 TDICCD 草鱼 的信噪比 (SNR) 草鱼 可以增加 倍 。 草鱼 TDICCD 草鱼 另一个特点是通过多次曝光可减少像元间响应不均匀和固定图形噪声的影响 。 草鱼 草鱼 2.3 草鱼 光电荷的产生和存储 草鱼 构成 CCD 的基本单元是 MOS（金属 -氧化物 -半导体）结构 。 草鱼 如图 2.3（ a）所示 ， 鲤鱼 在栅极 G施加正偏压 UG 之前 ， 鲤鱼 P 型半导体中的空穴（多数载流子）的分布是均匀的 。 草鱼 当栅极施加正偏压栅极电压（此时 UG 小于 P 型半导体的阈值电压 Uth ）后 ， 鲤鱼 空穴被排斥 ， 鲤鱼

23、 产生耗尽区 ， 鲤鱼如图 2.3（ b）所示 。 草鱼 偏压继续增加 ， 鲤鱼 耗尽区将进一步向半导体内延伸 。 草鱼 当 UG 草鱼 Uth 时 ， 鲤鱼 半导体与绝缘体界面上的电势（常称为表面势 ， 鲤鱼 用 s 表示）变得如此之高 ， 鲤鱼 以致于将半导体体内的电子（少数载流子）吸引到表面 ， 鲤鱼 形成一层极薄的（约 10 m2 ）但电荷浓度很高的反型层 ， 鲤鱼 如图 2.3（ c）所示 ， 鲤鱼 反型层的电荷的存在表明了 MOS 结构存储电荷的功能 。 草鱼 然而 ，鲤鱼 当栅极电压由零突变到阈值电压时 ， 鲤鱼 掺杂半导体中的少数载流子很少 ， 鲤鱼 不能立即建立反型层 。草鱼

24、 在此情况下 ， 鲤鱼 耗尽区将进一步向体内延伸 。 草鱼 而且 ， 鲤鱼 栅 极与衬底之间的绝大部分电压降落在耗尽区上 。 草鱼 如果随后可获得少数载流子 ， 鲤鱼 那么耗尽区将收缩 ， 鲤鱼 表面势下降 ， 鲤鱼 氧化层上的电压增加 。 草鱼 当提供足够的少数载流子时 ， 鲤鱼 表面势可降低到半导体材料费密能级 F 的两倍 。 草鱼 例如 ，鲤鱼 对于掺杂为 10 315cm 的 P 型半导体 ， 鲤鱼 其料费密能级为 0.6V， 鲤鱼 其余电压降落在氧化层上 。 草鱼草鱼 草鱼 图 2.3 单个 CCD 电级对耗尽区的影响 草鱼 草鱼 表面势 s 随电荷反型层浓度 QINV ， 鲤鱼 栅

25、极电压 UG 的变化如图 2.4 和如图 2.5 所示 。 草鱼 图 2.4是在掺杂为 10 321m 的情况下 ， 鲤鱼 对于氧化层的不同厚度在不存在反型层电荷时 ， 鲤鱼 表面势 s与栅极电压 UG 的关系曲线 。 草鱼 图 2.5 为栅极电压不变的情况下 ， 鲤鱼 表面势 s与反型层电荷的关系曲线 。 草鱼草鱼 草鱼 图 2.4 表面势与栅极电压的关系 草鱼 草鱼 图 2.5 表面势 s 与反型层密度 QINV 的关系 草鱼 草鱼 曲线的直线性好 ， 鲤鱼 说明表面势 s 与反型层电荷浓度 QINV 有着良 好的反比例线性关系 。 草鱼 这种线性关系很容易用半导体物理中的 “ 势阱 ”

26、的概念来描述 。 草鱼 电子所以被加有栅极电压 UG的 MOS 结构吸引到氧化层与半导体的交界面处 ， 鲤鱼 是因为那里的势能最低 。 草鱼 在没有反型层电荷时 ， 鲤鱼 势阱的 “ 深度 ” 与栅极电压 UG 的关系恰如 s 与反型层电荷量 QINV 间的关系 ， 鲤鱼 如图2.6（ c）所示 。 草鱼 当反型层电荷足够多 ， 鲤鱼 使势阱被填满时 ， 鲤鱼 s 降到 2 BF ， 鲤鱼 此时 ， 鲤鱼 表面势不再束缚多余的电子 ， 鲤鱼 电子将产生 “ 溢出 ” 现象 。 草鱼 因此 ， 鲤鱼 表面势可作为势阱深度的量度 。 草鱼 而表面势又与栅极电压 UG 、 pork氧化层厚度 dok

27、x 有关 ， 鲤鱼 即 MOS 电容容量 Cox 与 UG 有关 。 草鱼 势阱 的横截面积取决于栅极电极的面积 A， 鲤鱼 MOS电容存储信号电荷的容量为 草鱼 （ 2.1） 草鱼 草鱼 2.4 草鱼 光电荷的传输和转移 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 为了理解在 CCD 中势阱及电荷是如何从一个位置移到另一个位置 ， 鲤鱼 如图 2.7， 鲤鱼 取 CCD 中四个彼此靠得很近的电极来观察 。 草鱼 假定开始时有一些电荷存储在偏压为 10V 的第二个电极下面的深势阱里 ， 鲤鱼 其它电极上均加有大于阈值的较低的电压（例如 2V） 。 草鱼 设图 2.7（ a）为零时刻（初始时刻） ， 鲤鱼 过 t1

28、 时刻后 ， 鲤鱼 各电极上 的电压变为如图 2.7（ b）所示 ， 鲤鱼 第二个电极仍保持为 10V，鲤鱼 第三个电极上的电压由 2V 变到 10V， 鲤鱼 因这两个电极靠得很紧（间隔只有几微米） ， 鲤鱼 它们各自的对应势阱将合并在一起 。 草鱼 原来在第二个电极下的电荷变为这两个电极下势阱所共有 ， 鲤鱼 如图2.7（ b）和（ c） 。 草鱼 若此后电极上的电压变为图（ d）所示 ， 鲤鱼 第二个电极电压由 10V 变为 草鱼 2V，鲤鱼 第三个电极电压仍为 10V， 鲤鱼 则共有的电荷转移到第三个电极下的势阱中 ， 鲤鱼 如图（ e） 。 草鱼 由此可见 ， 鲤鱼 深势阱及电荷包向右

29、移动了一个位置 。 草鱼草鱼 通过将一定 规则变化的电压加到 CCD 各电极上 ， 鲤鱼 电极下的电荷包就能沿半导体表面按一定方向移动 。 草鱼 通常把 CCD 电极分为几组 ， 鲤鱼 并施加同样的时钟脉冲 。 草鱼 CCD 内部结构决定了使其正常工作所需的相数 。 草鱼 图 2.7（ f）所示 ， 鲤鱼 这样的 CCD 称为三相 CCD。 草鱼 三相 CCD 的电荷耦合（传输）方式必须在三相交迭脉冲的作用下才能以一定的方向 ， 鲤鱼 逐个单元地转移 。 草鱼 应该指出 ， 鲤鱼 CCD 电极间隙必须很小 ， 鲤鱼 电荷才能不受阻碍地自一个电极转移到相邻电极下 。 草鱼 这对于图 2.7 所示

30、电极结构是一个关键问题 。 草鱼 如果电极间隙比较大 ， 鲤鱼 两 相邻电极间的势阱将被逝垒隔开 ， 鲤鱼 不能合并 ， 鲤鱼 电荷也不能从一个电极向另一个电极转移 。 草鱼 CCD 便不能在外部脉冲作用下正常工作 。 草鱼草鱼 草鱼 图 2.7 草鱼 草鱼 三相电荷的转移过程 草鱼 能够产生耦合条件的最大间隙一般由具体电极结构 、 pork表面态密度等因素决定 。 草鱼 理论计算和实验证实 ， 鲤鱼 为了不使电极间隙下方界面处出现阻碍电荷转移的势垒 ， 鲤鱼 间隙的长度应小于 3m ，鲤鱼 这也是同样条件下半导体表面深耗尽区宽度的大致尺寸 。 草鱼 当然 ， 鲤鱼 如果氧化层厚度 ， 鲤鱼

31、表面态密度不同 ， 鲤鱼 结果也会不同 。 草鱼 但对绝大多数 CCD， 鲤鱼 1 m 的间隙长度是足够小的 。 草鱼草鱼 以电子信号电荷的 CCD 称为 N 型沟道 CCD， 鲤鱼 简称为 N 型 CCD。 草鱼 而以空穴为信号电荷的 CCD 称为 P 型沟道 CCD， 鲤鱼 简称为 P型 CCD。 草鱼 由于电子的迁移率（单位场强下的运动速度）远大于空穴的迁移率 ， 鲤鱼 因此 ， 鲤鱼 N 型 CCD 比 P 型 CCD 的工作频率高得多 【 5】 。 草鱼草鱼 草鱼 2.5 草鱼 光电荷的读出 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 在 CCD 中 ， 鲤鱼 电荷 的注入方法很多 ， 鲤鱼 归纳起来

32、， 鲤鱼 可分为光注入和电注入 。 草鱼 光注入方式可分为正面照射式与背面照射式 。 草鱼 而电注入就是 CCD 通过输入结构对信号电压或者电流进行采样 ， 鲤鱼 然后将信号电压或者电流转换为信号电荷 ， 鲤鱼 电注入的方法也很多 ， 鲤鱼 最常用的两种方法是电流注入法和电压注入法 。 草鱼草鱼 目前 CCD 的输出方式主要有电流输出 、 pork浮置扩散放大器输出和浮置栅放大器输出 。 草鱼 在 CCD中 ， 鲤鱼 有效的收集和检测电荷是一个重要的问题 。 草鱼 CCD 的重要特性是信号电荷在转移过程中与时钟脉冲没有任何的电容耦合 ， 鲤鱼 而在输出端则 不可避免 。 草鱼 因此 ， 鲤鱼

33、选择适当的输出电路可以尽可能的减小时钟脉冲容性的馈入输出电路的程度 。 草鱼草鱼 2.6 草鱼 CCD 的主要性能 草鱼 2.6.1 草鱼 光电转换特性 草鱼 存储于 CCD 像敏单元中的信号电荷包是由入射光子被硅衬底材料吸收 ， 鲤鱼 并被转换成少数载流子（反型层电荷）形成的 ， 鲤鱼 因此 ， 鲤鱼 它具有良好的光电转换特性 。 草鱼 它的光电转换因子 可达到99.7%以上 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 另外 ， 鲤鱼 可以推出 ： pork 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 （

34、1.1） 草鱼 tc 为 CCD 的 式 积分时间 ， 鲤鱼 可以设为常数 ； pork 为 CCD 器件的光电转换效率 ， 鲤鱼 当材料确定以后它是常数 ； porkq为电子电荷量 ， 鲤鱼 是常数 ； pork 为入射辐射频率 ， 鲤鱼 对于某单色光 亦位常数 。 草鱼 由此可以看出 CCD 的光电转换特性为线性的 。 草鱼草鱼 2.6.2 草鱼 草鱼 光谱响应 草鱼 光电成像器件的光谱响应取决于光电转换材料的光谱响应 ， 鲤鱼 其短波限有时受窗口材料的吸收特性影响 。 草鱼 例如 ， 鲤鱼 属于外光电效应摄像管的光谱响应由光阴极材料决定 ； pork属于内光电效应的视像管和 CCD 摄像

35、器件 的光谱响应分别由靶材料和硅材料决定 ； pork热释电摄像管基于材料的热释电效应 ， 鲤鱼 它的光谱响应特性近似直线 。 草鱼 草鱼 草鱼 图 2.8 草鱼 光谱响应特性 草鱼 草鱼 草鱼草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 1-多碱氧化物光阴极像管 ； pork草鱼 2-氧化铅摄像管 ； p ork3-CCD 摄像器件 草鱼 图 2.8 所示为多碱氧化物光阴极像管 ； pork氧化铅摄像管及 CCD 摄像器件的光谱响应特性 。 草鱼 在选用光电成像器件时 ， 鲤鱼 应考虑器件的光谱响应与被测景物辐射光谱的匹配 。 草鱼草鱼 2.6.3 草鱼 草鱼 草鱼 动态范围 草鱼 饱和暴光量和

36、等效噪声暴光量的比值称为 CCD 的动态范围 。 草鱼 CCD 器件动态范围一般在 103-104数量级 。 草鱼 换种说法动态范围由势阱中可存储的最大电荷量和噪声决定的最小电荷量之比决定 。 草鱼草鱼 ）阱中的最大信号电荷量 草鱼 CCD 势阱 中可容纳的最大信号电荷量取决于 CCD 的电极面积及器件结构（ SCCD 还是 BCCD） ，鲤鱼 时钟驱动方式及驱动脉冲电压的幅度等因素 。 草鱼草鱼 设 CCD 的电极有效面积为 A， 鲤鱼 Si 的杂质浓度 NA为 1015cm-3， 鲤鱼 ； pork氧化膜厚度为 0.1 m， 鲤鱼 电极尺寸为 10*20（ m） 2， 鲤鱼 栅极电压为 1

37、0V 草鱼 ， 鲤鱼 则 SCCD 中 ， 鲤鱼 势阱中的电荷量 Q为 0， 鲤鱼 6PC或 3， 鲤鱼 7*106个电子 。 草鱼 Q 可近似用下式表示 草鱼 Q= 草鱼 Cox 草鱼 草鱼 Uo 草鱼 草鱼 A 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼草鱼 式中 ， 鲤鱼 Cox 是单位氧化膜面积的电容量 ， 鲤鱼 Uo为栅极电压 。 草鱼草鱼 在 BCCD 中 ， 鲤鱼 计算比较复杂 ， 鲤鱼 随着沟道深度增加 ， 鲤鱼 势阱中可以容纳的电荷量增加减少

38、 ， 鲤鱼 对于与上述 SCCD 条件相同的 BCCD， 鲤鱼 若氧化膜厚 0.1 m， 鲤鱼 相当于沟道深度的外延层厚度为 21 m，鲤鱼 则 QSCCD/QBCCD约为 4.5。 草鱼草鱼 （）噪声 草鱼 在 CCD 中 ， 鲤鱼 有以下几种噪声源 ： pork由于电荷注入器件引起的噪声 ； pork电荷转移过程中 ， 鲤鱼 电荷量的变化引起的噪声 ； p ork由检测时产生的噪声 。 草鱼草鱼 （ 1）光子噪声 ： pork由于光子发射是随机过程 ， 鲤鱼 因而势阱中收集的光电荷也是随机的 ， 鲤鱼 这就成为噪声源 。 草鱼 由于这种噪声源与 CCD 传感器无关 ， 鲤鱼 而取决于光子的

39、性质 ， 鲤鱼 因而成为摄像器件的基本限制因素 ， 鲤鱼 这种噪声主要对于低光强下的摄像有影响 。 草鱼草鱼 （ 2）胖零噪声 ： pork对 SCCD， 鲤鱼 在使用偏置电荷（胖零）时 ， 鲤鱼 也会产生噪声 ， 鲤鱼 这与使用偏置光的情况一样 。 草鱼草鱼 （ 3）俘获噪声 ： pork在 SCCD 中起因于界面缺陷 ， 鲤鱼 在 BCCD 中起因于体缺陷 ， 鲤鱼 但 BCCD 中俘获噪声小 。 草鱼草鱼 （ 4）输出噪声 ： pork这种噪声起因于输出电路复位过程中产生的热噪声 。 草鱼 该噪声若换算成均方根值就可以与 CCD 的噪声相比较 。 草鱼草鱼 （ 5）暗电流噪声 ： por

40、k与光子发射一样 ， 鲤鱼 暗电流也是一个随机过程 ， 鲤鱼 因而也成为噪声源 。 草鱼 而且 ，鲤鱼 若每个 CCD 单元的暗电流不一样 ， 鲤鱼 就会产生图形噪声 。 草鱼 此 外 ， 鲤鱼 器件的单元尺寸不同或间隔不同也会成为噪声源 ， 鲤鱼 但这种噪声源可以通过改进光刻技术而减少 。 草鱼 草鱼 2.6.4 草鱼 草鱼 暗电流 草鱼 在正常工作的情况下 ， 鲤鱼 MOS 电容处于未饱和的非平衡态 。 草鱼 随着时间的推移 ， 鲤鱼 由于热激发而产生的少数载流子使系统趋向平衡 。 草鱼 因此 ， 鲤鱼 即使在没有光照或其它方式对器件进行电荷注入的情况下 ， 鲤鱼 也会存在不希望有的暗电流

41、 。 草鱼 众所周知 ， 鲤鱼 暗电流使大多数摄像器件所共有的特性 ，鲤鱼 是判断一个摄像器材好坏的重要标准 ， 鲤鱼 尤其是暗电流在整个摄像区域不均匀时更是如此 。 草鱼判断暗电 流的存在限制了器件动态范围和信号处理能力 。 草鱼 暗电流的大小与光积分时间 ， 鲤鱼 周围环境温度密切相关 ， 鲤鱼 通常温度每上升 30-35。 草鱼 C， 鲤鱼 暗电流提高约一个数量级 。 草鱼 CCD 摄像器件在室温下暗电流约为 5-10nA/cm2。 草鱼草鱼 产生暗电流的主要原因有以下几点 ： p ork草鱼 1） 草鱼 耗尽的硅衬底中电子 草鱼 自价带至导带的本征跃迁 。 草鱼草鱼 2） 草鱼 少数载

42、流子在中性体内的扩散 。 草鱼草鱼 3） 草鱼 Si SiO2 界面引起的暗电流 。 草鱼草鱼 草鱼 草鱼 草鱼草鱼 2.6.5 草鱼 草鱼 分辨率 草鱼 分辨率是 用来表示能够分辨图像中明暗细节的能力 ， 鲤鱼 常用调制模传递函数 MTF 来评价 。 草鱼 分辨率常用两种方式来描述 ： pork一种为极限分辨率 ； pork另一种为调制传递函数 。 草鱼 分辨率有时也称为鉴别率或接像率等 。 草鱼草鱼 线阵 CCD 摄像器件向更多位光敏单元发展 ， 鲤鱼 现在已有 25 1， 鲤鱼 1024 1， 鲤鱼 2048 1， 鲤鱼 2160 1，鲤鱼 2700 1， 鲤鱼 5000 1， 鲤鱼 5

43、340 1， 鲤鱼 7500 1， 鲤鱼 2700 3， 鲤鱼 5340 3， 鲤鱼 10550 3 等多种 。 草鱼 像敏单元位数越高的器件具有更高的分辨率 。 草鱼 尤其是 用于物体尺寸测量中 ， 鲤鱼 采用高位数光敏单元的线阵 CCD 器件可以获得更高的测量精度 。 草鱼 另外 ， 鲤鱼 当采用机械扫描装置时 ， 鲤鱼 亦可以用线阵 CCD摄像器件得到二维图象的视频信号 。 草鱼 扫描所获得的二维信号的分辨率取决于扫描速度与 CCD光敏单元的高度等因素 。 草鱼草鱼 二维面阵 CCD 的输出信号一般遵守电视系统的扫描制式 。 草鱼 它在水平方向和垂直方向上的分辨率式不同的 ， 鲤鱼 水平

44、分辨率要高于垂直分辨率 。 草鱼 在评价面阵 CCD 的分辨率时 ， 鲤鱼 制评价它的水平分辨率 ， 鲤鱼 且利用电视系统对图象分辨率的评价方法 电视线评价方法 。 草鱼 电 视线评价方法表明 ， 鲤鱼 在一幅图像上 ， 鲤鱼 在水平方向能过分辩出的黑白条数为其分辨率 。 草鱼 水平分辨率与水平方向上的 CCD 像敏单元的数量有关 ， 鲤鱼 像敏单元数越多 ， 鲤鱼 分辨率越高 。 草鱼 现有的面阵 CCD 的像敏单元数已发展到 512 500， 鲤鱼 796 596， 鲤鱼 1024 1024， 鲤鱼 2048 2048， 鲤鱼 4096 4096， 鲤鱼 5000 5000 等多种 ， 鲤

45、鱼 分辨率越来越高 。 草鱼草鱼 2.7 草鱼 TDI-CCD 的工作原理 草鱼 草鱼 信号电荷的存储和传输由构成 CCD 的基本单元 MOS(金属 -氧化物 -半导体 )结构在驱动脉 冲的作用下完成 .而它的工作原理则如下 ;p ork草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 如图 2.9 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 在第一次曝光时间 T1时 ， 鲤鱼 物体的第一行处在 TDI的第 5级 ， 鲤鱼 曝光电荷为 Q1； pork草鱼 在第二次曝光时间 T2 时 ， 鲤鱼 物体向前

46、运动一行 ， 鲤鱼 这时物体的第二行处在 TDI 的第 5 级 ， 鲤鱼 曝光电荷为 Q2， 鲤鱼 与此同时上次累积的电荷 Q1转移到第 4 级 ， 鲤鱼 再加上第 4 级曝光物 体的第一行产生的曝光电荷 Q1总共累积电荷 2Q1 在第三次曝光时间 T3 时 ， 鲤鱼 物体继续向前运动一行 ， 鲤鱼 这时物体的第三行处在 TDI 的第 5 级 ， 鲤鱼曝光电荷为 Q3与此同时上次累积的电荷 Q2转移到第 4 级 ， 鲤鱼 再加上第 4 级曝光物体的第二行产生的曝光电荷 Q2总共累积电荷 2Q2， 鲤鱼 TDI 的第 3 级曝光物体的第一行再加上从第 4级转移过来的 2Q1， 鲤鱼 第三级总共累

47、积电荷 3Q1 在第四次曝光时间 T4 时 ， 鲤鱼 物体继续向前运动一行 ， 鲤鱼 这时物体的第四行处在 TDI 的第 5 级 ， 鲤鱼产生曝光电荷 Q4并且转移上次的累积电荷 Q3到 TDI 的第 4 级 ， 鲤鱼 第 4 级曝光物体第三行产生曝光电荷 Q3， 鲤鱼 再加上从第 5 级转移来的 Q3， 鲤鱼 第四级累积电荷 2Q3， 鲤鱼 第 3级曝光物体第二行加上从第 4 级转移来的电荷总共产生累积电荷 3Q2， 鲤鱼 第 2级曝光物体第一行再加上从第 3 级转移来的电荷总共产生累积电荷 4 草鱼 Q1在第五次曝光时间 T5 时 ， 鲤鱼 物体继续向前运动一行 ， 鲤鱼 这时物体的第五行

48、处在 TDI 的第 5 级 ， 鲤鱼 产生曝光电荷 Q5并且转移上次的累积电荷 Q4到 TDI 的第 4级 ， 鲤鱼 第 4 级曝光物体第四行产生曝光电荷 Q4， 鲤鱼 再加上从第 5 级转移来的 Q4， 鲤鱼 第 4级累积电荷2 草鱼 Q4， 鲤鱼 第 3级曝光物体第三行加上从第 4 级转移来的电荷 2Q3总共产生累积电荷 3Q3， 鲤鱼 第 2级曝光物体第二行再加上从第 3 级转移来的电荷 3Q2总共产生累积电荷 4Q2； pork第 1 级曝光物体第一行再加上从第 2 级转移来的电荷 4Q1总共产生累积电荷 5Q1。 草鱼 这是一款最大积分级数为 5级的 TDI， 鲤鱼 以此类推更多级数 TDI 的工作原理 。 草鱼 草鱼草鱼 第 三 章 草鱼 毕业设计小结 草鱼 通过一个学期的准备和工作 ,终于完成了导师要求的毕业设计 。 草鱼 毕业设计是大学能否毕业的重要环节 ， 鲤鱼 又是不可或缺的关键部分 。 草鱼 通过毕业设计的一系 列工作学校能了解我们的能力 ；p