电荷输出结构

　　机器视觉中科学级相机输出电路的功能在于将信号电荷转换为信号电压, 并进行读出。电荷包的输出方式很多, 该科学级CCD 相机所选用的DAL SA IL2E2 型图像传感器采用最常用的浮置扩散放大器FDA(Floating Diff usion Amplifier) 结构。对于浮置扩散放大器结构,电荷检测过程会产生复位噪声、宽带白噪声、低频1/ f 噪声 。TDI2CCD 浮置扩散放大器结构如图3 所示。

　　复位噪声产生分析

　　复位噪声通常产生于采用浮置扩散放大器FDA 结构的CCD 中。图3 表示TDI2CCD 浮置扩散放大器输出方式。T1 为复位MOS 晶体管,C0 为浮置扩散对地电容; T2 是输出MOS 晶体管。当复位噪声对C0 充电时, A 点处的复位噪声电压均方值 为:

　　　　式中R 为A 点处的交流对地电阻。由于T2 的输入阻抗极高,浮置扩散区与衬底又处于反偏,故可认为R 就是复位管T1 ( RON 为T1 导通沟道电阻,ROFF为T1 截止沟道电阻) 的沟道电阻。进行“复位”时,也就是ΦR 加上正脉冲使T1 导通, 此时V A ≈V DR , R = RON = 104 Ω,一般C0 为0. 1 p F数量级,则时间常数为: RON C0 = 1 ns ,为ns 级。而一般复位脉冲频率在几个MHz 以下, 相应的脉冲周期为μs 级。可见, t m RON C0 ,故:

　　　　也就是说,在“复位”时间间隔内,复位噪声电荷将迅速在C0 中充满,系统将处于稳态。当ΦR 为零电位时,复位管T1 关断。此时A 点处于高电阻状态, ROFF > 104 Ω,达到1010 Ω 以上。此时,时间常数ROFF C0 = 1 ms , 为ms 级。而一般复位脉冲频率在几个MHz 以下, 相应的脉冲周期为μs级。可见, t n ROFF C0 。如T1 未导通过(即C0 中尚未充有复位噪声电荷) ,则此时A 点处的复位噪声电压将为:

　　　　如果T1 已经导通过, 此时既要考虑复位噪声按ROFF C0 时间常数在C0 上充电, 又要考虑缓慢放电。充电作用已如上所述,近似为零;于是可以认为此时A 点处的复位噪声电压均方值为:

　　　　也就是说, 因为放电回路RC 时间常数很大, 在T1 关闭的时间间隔中,可以认为C0 中仍保持“复位”时引入的复位噪声。图4 表示了TDI2CCD 复位MOSFET 场效应管输出的电压波形。

　　如果信号此时由放大器输出,则复位噪声将不可避免地与信号混在一起。无论在参考点SH1 或SH2 采样输出,则其复位噪声电压均为k T/ C0 ,因为前面已经分析了在复位区间RON ,由于RC 时间常数小,也就是说,在“复位”时间间隔内,复位噪声电荷将迅速在C0 中充满,系统将处于稳态。复位区间过去后,进入ROFF ,图3 中的复位管T1 关断,此时A 点处于高电阻状态,放电时间RC 常数很大,远大于复位区间时间间隔,　　因而此时引入的残余噪声与复位区间引入的噪声值差不多。若认为C0 = 0. 25 p F ,玻尔兹曼常量k = 1. 380 5 ×10 - 23 J / K, 绝对温度T = 298 K,电子电荷量qe = 1. 602 1 ×10 - 19 C ,噪声电荷Qn (电子数) 将为:

　　　　对科学级CCD相机TDI2CCD 焦平面组件FPA应用来说,这已经是相当可观的数值了,必须予以抑制。通常抑制办法是在TDI2CCD 器件片外用电路方法解决,也就是应用相关双采样技术。