Comprensione dei segnali di uscita CCD

4 ore fa p Robert Keim In articoli precedenti, abbiamo discusso della tecnologia dei sensori di immagine e azzerato su dispositivi accoppiati a carica o CCD. Abbiamo coperto tipi di CCD, nonché struttura e funzionamento del CCD, architetture e segnali di controllo utilizzati durante la lettura. Una cosa che ho sottolineato in questi articoli è la natura delle informazioni generate e trasferite all'interno di un CCD: abbiamo a che fare con carica, non tensione o corrente.
Si formano pacchetti discreti di carica elettrica quando i fotoni incidenti generano elettroni e questi elettroni si muovono all'interno dei registri a scorrimento del CCD sotto l'influenza di potenziali pozzi e potenziali barriere. Per incorporare questi dati basati sulla carica elettrica in un tipico circuito elettronico basato sulla tensione, abbiamo bisogno di un amplificatore di carica, vale a dire
, un dispositivo in grado di accettare pacchetti di elettroni come input e produrre un segnale di tensione come output. Gli amplificatori di carica CCD rientrano in due categorie: non distruttivi e distruttivi. Un amplificatore non distruttivo non corrompe il pacchetto di carica nel processo di misurazione della quantità di carica e ciò consente di leggere più volte il valore di un singolo pixel.
Potrebbe non sembrare una caratteristica particolarmente preziosa, ma è utile in applicazioni specializzate che coinvolgono segnali visivi molto deboli, perché facendo una media di queste misurazioni ripetute possiamo ottenere un rumore di lettura estremamente basso. Nonostante la connotazione negativa del termine "distruttivo", questi tipi di amplificatori di carica sono altamente efficaci e sono preferiti nella stragrande maggioranza delle applicazioni CCD. Sono distruttivi nel senso che la carica di un dato pixel viene misurata una sola volta.
Il diagramma seguente trasmette la struttura di un comune amplificatore di carica distruttiva. Questo si chiama amplificatore a diffusione flottante. La diffusione flottante è una regione di silicio che non è collegata elettricamente ad altre parti del circuito.
Pertanto, è "fluttuante", proprio come diciamo che un pin IC sta fluttuando se non viene collegato. La diffusione fluttuante ha una certa capacità e quando riceve un pacchetto di carica, la sua tensione cambia in base all'equazione di capacità tipica: Tieni presente che stiamo spostando gli elettroni nella diffusione flottante, quindi la carica è negativa e la tensione diminuisce. La capacità della diffusione fluttuante è piccola e ciò è desiderabile, poiché una minore capacità porta a una maggiore variazione di tensione rispetto alla carica.
Un foglio dati CCD che ho visto indicava che la tensione presentata all'amplificatore di carica cambia di circa 20 µV per elettrone. Diciamo che un pacchetto di carica è stato appena depositato nella diffusione fluttuante. Nessuna corrente fluisce nel gate di M2 e M1 è nello stato di interruzione, in modo tale che la carica non possa essere scaricata dalla diffusione flottante.
La tensione corrispondente alla quantità di carica del pixel diventa il segnale di ingresso di M2 , che è configurato come un amplificatore follower sorgente. Abbiamo molti pixel da leggere, quindi dopo che la tensione di uscita bufferizzata è stata elaborata dai circuiti esterni, dobbiamo mantenere in movimento la catena di montaggio del pacchetto di carica. Un segnale di reset applicato al gate di M1 consente alla carica nella diffusione flottante di scaricarsi verso il nodo di tensione di reset: Quando tutta la carica del pixel corrente è stata cancellata, possiamo spostarci nel pacchetto di carica successivo e il ciclo continua.
L'operazione di lettura eseguita da un CCD produce una forma d'onda di uscita analogica che ha una forma molto particolare. Se ad un certo punto hai bisogno di passare lunghe ore in laboratorio a guardare i segnali CCD, è il tipo di forma d'onda che viene bruciata nella tua memoria e diventa permanentemente associata all'immagine digitale. Questa è l'idea generale: Il grafico non indica alcun valore di tensione effettivo, per due motivi: in primo luogo, l'offset CC del segnale di uscita varia da CCD a CCD e può essere spostato da circuiti esterni.
In secondo luogo, il segnale viene campionato in modo differenziale , il che significa che il valore del pixel digitale non dipende da una tensione assoluta ma piuttosto dalla differenza tra la tensione in due istanti di campionamento separati. Ne parleremo di più nel prossimo articolo. Una forma d'onda di uscita CCD è composta da tre sezioni per pixel.
Abbiamo coperto amplificatori di carica e caratteristiche di base delle forme d'onda analogiche prodotte da un sensore di immagine CCD. Nel prossimo articolo, discuteremo delle tecniche che ci consentono di estrarre dati digitali di alta qualità da un segnale CCD.