摘 要

CCD图像传感器自1969年于美国贝尔实验室研制成功以来，经历30余年的发展，技术已经相对成熟，其应用已经渗入到人类生产生活的各个环节。由于CCD图像传感器独特的光电转换性质，它现在已被广泛应用于图像采集、扫描设备、摄像装置以及工业尺寸测量等领域。然而对于不同应用中的各种不同类型的CCD器件而言，掌握它的工作原理、基本特性和种类划分，以及驱动电路的研究设计就尤为重要了。

CCD驱动电路的设计和实现是实现CCD功能的关键组成部分，其是使CCD器件正常工作的基本条件。CCD图像传感器驱动方式有两种：一种是在脉冲作用下，CCD器件输出模拟信号，经后端增益调整电路进行电压或功率放大再送给用户；另一种是在此基础上还包含将其模拟量按一定的输出格式进行数字化的部分，然后将数字信息传输给用户。本文结合CCD的工作原理，分析了TOSHIBA公司的TCD1703C图像传感器的驱动时序，设计了CCD驱动时序电路，选用现场可编程门阵列（FPGA）作为硬件开发平台，使用VerilogHDL语言对驱动时序发生器进行了硬件描述，并且采用Quartus II软件对设计进行了功能仿真。试验结果表明，设计的驱动电路产生的脉冲时序符合TCD1703C的时序要求。

关键字：CCD；驱动电路；FPGA；仿真

ABSTRACT

CCD image sensor was in the United States bell laboratories developed since 1969, through more than 30 years of development, the technology is already relatively mature, its application has penetrated into all aspects of human production and living. As a new type of photoelectric converter, it has been widely used in camera, image acquisition, scanner and industrial measurement. However, for different types of CCD devices in different applications, the research and design of the driving circuit is particularly important.

The design of CCD drive circuit is an important part of the CCD function, which is the basic condition for the normal operation of the CCD device. There are two kinds of driving modes of CCD image sensor: one is the output analog signal of the CCD device under the impulse, and the voltage or power amplification is transmitted to the user via the back end gain adjustment circuit. The other is to include a part of the analog output in a certain output format, and then transfer the digital information to the user. In this paper, combining with the working principle of CCD, the paper analyzes the TOSHIBA company TCD1703C drive timing of image sensor, designed the CCD drive sequential circuits, use the field programmable gate array (FPGA) as a hardware development platform, use VerilogHDL drive timing generator for the hardware description language, and the Quartus II software is adopted to design the function simulation. The test results show that the pulse timing sequence of the designed driving circuit complies with the timing requirements of TCD1703C.

Keyword：CCD；Driver circuit；FPGA；Simulation

目 录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状和发展趋势 2

1.3 论文的研究内容和结构安排 3

第二章 CCD原理综述 4

2.1 CCD基本工作原理 4

2.1.1 电荷存储 4

2.1.2 电荷耦合 6

2.1.3 电荷的注入和检测 7

2.2 CCD的主要特性参数 10

2.3 CCD器件的分类 12

2.4 本章小结 13

第三章 CCD驱动电路的设计与实现 14

3.1基于FPGA的设计方法 14

3.2 CCD元器件的选择 14

3.3 TCD1703C结构与原理介绍 15

3.4 CCD驱动脉冲的设计实现 18

3.5 程序设计及功能仿真 19

3.6 本章小结 23

第四章 总结与展望 24

4.1 总结 24

4.2 展望 24

参考文献 25

致 谢 26

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

随着社会的发展和进步，对于如何实现在系统和装备中精密的运动装置角度和微小尺寸的测量，一直是人类在工业传感领域中亟待解决的关键技术之一。实现尺寸测量的常用方式有采用位移传感器、编码器或用电位器实现的传感器等传感器装置。但是采用这些传感器也具有一定的缺点，在测量过程中，传感器通常都会不同程度地与被测部件直接接触，从而由于滑动而带来误差，使得测量的精度较小，效率较低，因此很多在应用场合就需要选择一种合适的新型传感器。

电荷耦合器件CCD（Charge Coupled Devices）最初发展于20世纪70年代，1969年，位于美国的贝尔实验室的G.E.Smith和W.S.Boyle等人首先发现电荷通过半导体势阱时会发生转移的现象，并提出了电荷耦合的概念，在当时产生巨大轰动，并为后续有关电荷的研究打下基础。CCD属于一种新型半导体光电探测器件，它的功能主要是能够把光学影像转换为数字信号。因为CCD器件独特的存储光生信号电荷的特性，当存在特定的时序脉冲施加到CCD上时，CCD内部存储的信号电荷就可以实现定向传输和自扫描的功能。与传统的用电流或电压来表示信号方式的固态电子器件不同的是，CCD表示信号的方式是用电荷，这样的信号表示方式更加直观与准确，所以CCD在应用中具有更高的精确性和灵敏度。随着微电子和半导体技术的日新月异，各种新型器件不断涌现，传感装置也不断发展，但是CCD却独树一帜，应用领域愈加广泛，应用强度愈加深入。

CCD应用技术是一项具有广泛应用前景的新型技术，四十多年来，CCD技术取得的惊人进展足以说明这一点。CCD已经在工业测量、摄像和图像采集这三大领域得到广泛的应用。因为它具有精度高、转化率高、功耗低、尺寸小、寿命长、性能稳定等优点，所以它能在图像测量领域中得到广泛的应用。尤其在尺寸测量领域，在现代工业生产过程中，由于接触力的存在会使传统的接触测量方法或多或少地影响测量精度，而如果采用一般光学测量方法，在一般工业现场是无法达到要求的，因为光学测量系统的测量设备过于繁杂，而且还不能实时动态测量。可见随着工业生产日益发展，传统的工业测量方法和一般的光学应用方法已经无法达到目标了。

为了满足工业生产日益快速地发展，CCD图像传感器就备受关注了，它在光电检测领域具有重大作用。光电检测具有非接触、无损、远距离、抗千扰能力强、电路简单、成本低廉、检测速度快、检测精度高等诸多优点，从而得以在各个领域内广泛应用。

生产现场对线材、棒材、管材外径等需要在线实时检测，并且提出了更高的要求，在国内外均有光电测径仪问世，光电测径仪采用线阵CCD作为传感器，实现高精度的线径自动化检测。通过理论分析和CCD小尺寸测量时的实际数据表明，线阵 CCD在测量几何尺寸时，利用计算机软件可读取由CCD器件传输过来的图像，其读取的最小单位为一个像素，因此该系统误差也是一个像素的所对应单位。

1.2 国内外研究现状和发展趋势

作为世界上最早开展CCD研究并且投入资源最多的国家，美国在该应用研究领域一直处于世界领先位置。在数码相机和微型摄像机的发展的四十多年的进程中，CCD和CMOS图像传感器等其他图像传感器件相互竞争，共同发展，各自应用在不同领域。CCD在军用领域使用的较为普及，而在民用领域，CMOS图像传感器与CCD图像传感器的应用可谓是难分伯仲，竞争激烈。微观探测方面，市场上已推出了10^-9lx，水平分辨率大于700TV线，动态范围4000:1的CCD像机。Bamp;M光谱公司出售的制冷CCD像机，在液氮制冷下灵敏度达10^-11lm，动态范围16000:1，是光谱分析、X射线分析、遥感摄像的极好的工具。在图像传感方面，目前还是以低性能的CCD为主，多用于办公自动化方面的传真机、复印机、摄像机等；工业方面的机器人视觉、热影分析、安全监视、工业监视等；社会生活方面的摄录一体化、汽车后视镜、门视镜等；军事方面的成像制导和跟踪、微光夜视、光电侦察、可视电话等。至于高性能的CCD多用于医疗、高清晰度电视、电视摄像以及天文学、卫星遥感等领域^[1]。

目前，CCD图像传感器的生产主要集中在日本的索尼、东芝、松下、滨松、夏普、三洋、富士、奥林巴斯、NEC，加拿大的达尔萨和美国的柯达等公司。自1987年以来，CCD图像传感器的像素面积以每年20%的速度缩小，目前像素面积已经小于3μm×3μm。从目前CCD技术的发展趋势来看，CCD将向高分辨率、微型化、多光谱、紫外、X射线、红外等方向发展。

国内对CCD图像传感器的研究起步较晚，进展也和国外差距较大，目前开展CCD研究的机构有电子44所、西安光机所和中电13所等。首张月图就是在西安光机所研制的中国嫦娥CCD立体相机下所获取到的。电子44所CCD图像传感器开发中心具有从事CCD技术研究的4英寸、2微米工艺线和测试仪器设备，是国内唯一的CCD研制线，具有相应的在线检测和CCD参数测试评价仪器设备。电子44所主要从事高性能可见光CCD极大阵列化、以及新型红外CCD研究，自行研制出256×265PtSi红外CCD组件，可见CCD已产品化，包括线阵1024、2048、4096和6000像素CCD、面阵256×256、512×512、1024×1024和2048×2048像素CCD，可见光4096×4096TDICCD、高速CCD等，可见光CCD像素尺寸最小9μm×9μm^[2]。

1.3 论文的研究内容和结构安排

了解CCD技术的应用前景和发展趋势，理解和熟悉CCD的基本原理和特性，对用于尺寸测量和其他应用领域的线阵CCD进行较深入的研究，对相应的线阵CCD驱动脉冲相关参数进行分析计算，在此基础上，针对一具体应用进行驱动电路的设计，完成元器件的选型及关键技术的设计，使用VerilogHDL语言对其驱动电路方案进行硬件描述，并运用Quartus II软件完成功能仿真，使系统产生的脉冲时序符合TCD1703C的时序要求。

本论文章节比较少，具体安排内容如下：第一章为绪论，主要讲述课题的研究背景、意义及发展现状，让我们对研究对象有个大致理解。第二章则对CCD进行了深入的了解和分析，包括CCD的工作原理、特性、种类等，以便我们进行更深层面的研究。第三章是全文关键部分，介绍了选型CCD的原理和特性，常用的CCD驱动的方法以及具体驱动脉冲的实现，是课题设计完成内容的核心。最后第四章是总结与展望，总结在论文设计过程中工作并展望未来此研究课题的发展。

第二章 CCD原理综述

2.1 CCD基本工作原理

不同于传统大多数器件是以电流或者电压为信号，电荷耦合器件的独特突出之处在于它是以电荷作为信号。CCD在工作过程的主要是围绕着信号的产生、存储、传输和检测，而CCD则主要是依托电荷的存储和转移来完成相应的功能。当目标图像的光照射到CCD的光敏单元阵列时，CCD通过光电转换产生光电荷，光电荷的量与入射光辐射量成正比关系。在CCD的工作过程中，主要包括以下三个阶段：电荷存储、电荷耦合、电荷的注入与检测。对于如何通过CCD输出一个标准的视频信号或表示敏感物体光强弱的电信号，则包含一个较复杂的过程，首先是被摄物体反射光线到CCD器件上，CCD根据光的强弱积聚相应的电荷，产生与光电荷量成正比的弱电压信号，随后经过滤波、放大以及驱动等电路的多重作用，最后才能完全完成光信号与电信号的转换。下面就各阶段CCD内部工作情况介绍CCD的基本工作原理。

2.1.1 电荷存储

MOS（金属-氧化物-半导体）三极管结构是构成CCD的基本单元，所以要搞清楚CCD的内部结构和原理，首先必须透彻理解MOS的结构特征和工作特性。如图2.1(a)所示，当正偏压U_G被施加到栅极G之前，p型半导体中多数载流子（空穴）是均匀分布的。当栅极施加小于p型半导体的阈值电压U_th的正偏压U_G后，形成了一个耗尽区，这个耗尽区的产生与半导体内空穴被排斥有关，如图2.1(b)所示。耗尽区将随着所加偏压的增大而进一步向半导体体内延伸。当所加偏压超过p型半导体的阈值电压时，半导体以内的少数载流子（电子）由于半导体与绝缘体界面上的电势（称为表面势）变得很高而被吸引到表面，从而形成一层电荷浓度很高而且极薄的反型层，如图2.1(c)所示。因为MOS结构存储电荷的功能，反型层电荷的存在也就不足为奇了。但是当栅极电压突然从零增加到高于阈值电压时，半导体内表面不能立即建立反型层，因为轻掺杂半导体中的少数载流子浓度不够。在反型层没有的状态下，耗尽区向体内继续扩张，区域面积变大，并且衬底与栅极之间的大部分电压都在耗尽区上集中。当有少数载流子可以被获得时，表面势将随着耗尽区的收缩而下降，同时氧化层上的电压也会增大。当具有充足的少数载流子时，表面势可以一直降低，直至半导体材料费密能级的两倍。

图2.1 单个CCD栅极电压变化对耗尽区的影响

表面势大小与反型电荷浓度两者之间具备较好的反比例线性关系，它们的这种关系可以用半导体物理中的“势阱”概念来描述。由于半导体和氧化层的交界面处的势能是最低的，所以大多数电子会被吸引至此，而完成这种吸引作用的是CCD内部结构内加有栅极电压的MOS结构。在反型层还尚未形成，即无反型层电荷时，势阱的“深度”与栅极电压也具备一定的线性关系，这种情况被称为空势阱，如图2.2(a)所示。当1/3势阱被反型层电荷所填充时，如图2.2(b)所示，表面势减小，此时表面势与反型层电荷量的关系依然是线性反比例。当势阱被足够多的反型层电荷填满时，如图2.2(c)所示，表面势降低到半导体材料费密能级的两倍。此时电子将产生“溢出”现象，因为表面势低至无法束缚多余的电子的程度。这样表面势可作为势阱深度的量度，而表面势又与栅极电压、氧化层的厚度有关，即与MOS电容容量C_OX与U_G的乘积有关。势阱的横截面积取决于栅极电极的面积A。MOS电容存储信号电荷的容量

Q=C_OXU_G·A (2.1)

图2.2 势阱

2.1.2 电荷耦合

为了更加形象地理解势阱及电荷是如何从在CCD内部结构中发生转移的，可以用CCD中四个相互紧靠的电极为例，如图2.3所示。如若想象在第一个偏压为10V的电极下面的深势阱里存储了一些电荷，而其他三个电极上都施加有小于阈值电压的较低电压，在此设定为2V。假设图2.3(a)所示转态为初始时刻。到t₁时刻时，如图2.3(b)所示，各电极上的电压发生相应变化，第一个电极上的电压维持在10V，而第二个电极上的电压则由2V变至10V，由于这两个电极的间隔很小，所以它们下面的势阱将会聚集在一处，所形成的新势阱将也会包含第一个电极下势阱原先存储的电荷，如图2.3(b)和图2.3(c)。若此后各个电极上的电压变为如图2.3(d)所示情况，即第一个电极上电压由10V变为2V，第二个电极上电压还是10V，则此时深势阱及电荷包会整体向右移动，电荷就转移到第二个电极下面的势阱中，如图2.3(e)所示。

通过在CCD各电极上施加一定规则的电压序列，电极下的电荷包就能沿半导体表面按一定方向移动。CCD电极一般可划分成若干组，每一组定义为一相。CCD正常工作所需要的相数取决于其内部结构。上面讨论的CCD结构就需要三相时钟脉冲，其波形图如图2.3(f)所示。只有在三相交叠脉冲的作用下，三相CCD才能通过电荷耦合方式定向逐单元地转移。需要注意的是，电荷能毫无阻碍地从一个电极下转移到相邻电极下是以CCD电极间隔很小为前提的。当然要使电荷耦合过程能更为有效，电极间隙也会有个上限值，这个最大间隙一般取决于具体电极结构、表面态密度等因素。多方面的理论和实验证实，为了不使电极间隙下方界面处出现阻碍电荷转移的势垒，间隙的长度应该小于3μm。然而对于绝大多数CCD而言，电极间隙长度为1μm就足够小了^[3]。

图2.3 三相CCD中电荷的转移过程

2.1.3 电荷的注入和检测

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