在之前的文章中，我們討論了 圖像傳感器技術(shù) 并重點(diǎn)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(hào)。
　我在這些文章中強(qiáng)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(shí)，會(huì)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(dòng)。
　　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(gè)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(hào)作為輸出的設(shè)備?！?br>　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(huì)破壞電荷包，這使得單個(gè)像素的值可以被多次讀取。這可能看起來不是一個(gè)特別有價(jià)值的特性，但它在涉及非常弱的視覺信號(hào)的專門應(yīng)用中非常有用，因?yàn)橥ㄟ^對(duì)這些重復(fù)測量進(jìn)行平均，我們可以實(shí)現(xiàn)極低的讀出噪聲?！?br>　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?yàn)榻o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(dòng)擴(kuò)散放大器。浮動(dòng)擴(kuò)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(dòng)的”，就像我們說 IC 引腳如果未連接則處于浮動(dòng)狀態(tài)。
　浮動(dòng)擴(kuò)散具有一定的電容，當(dāng)它接收到電荷包時(shí)，其電壓根據(jù)典型的電容方程發(fā)生變化：　
　\[V=\frac{Q}{C}\]　
　請(qǐng)記住，我們正在將電子移動(dòng)到浮動(dòng)擴(kuò)散中，因此電荷為負(fù)并且電壓降低。浮動(dòng)擴(kuò)散的電容很小，這是理想的，因?yàn)檩^小的電容會(huì)導(dǎo)致電壓相對(duì)于電荷的更大變化。我查看的一份 CCD 數(shù)據(jù)表表明，每個(gè)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(dòng)擴(kuò)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(dòng)擴(kuò)散區(qū)排出。與像素電荷量相對(duì)應(yīng)的電壓成為M2的輸入信號(hào)，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(dòng)。施加到 M1 柵極的復(fù)位信號(hào)允許浮動(dòng)擴(kuò)散中的電荷流向復(fù)位電壓節(jié)點(diǎn)：

　

　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(gè)電荷包，然后繼續(xù)循環(huán)?！?br>　CCD輸出信號(hào)
　CCD 執(zhí)行的讀出操作會(huì)產(chǎn)生具有非常特殊形狀的模擬輸出波形。如果在某個(gè)時(shí)候您需要在實(shí)驗(yàn)室中花費(fèi)很長時(shí)間查看 CCD 信號(hào)，那么這種波形就會(huì)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(shí)際電壓值，原因有兩個(gè)：首先，輸出信號(hào)的 DC 偏移因 CCD 的不同而不同，并且可以通過外部電路進(jìn)行偏移。其次，信號(hào)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(gè)單獨(dú)采樣時(shí)刻的電壓之差。我們將在下一篇文章中詳細(xì)討論這一點(diǎn)。
　CCD 輸出波形每個(gè)像素由三個(gè)部分組成。
　個(gè)（對(duì)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?yàn)槭┘拥?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(gè)名稱都很有意義，因?yàn)樵诓ㄐ蔚倪@一部分期間，信號(hào)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(shí)際看到與給定像素接收到的光量相對(duì)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(hào)中提取高質(zhì)量數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的技術(shù)。