電荷耦合器件CCD原理與應(yīng)用 維護(hù)維修的重點原理解釋.doc

電荷耦合器件CCD原理與應(yīng)用 維護(hù)維修的重點原理解釋電荷耦合器件CCD原理與應(yīng)用(維護(hù)維修的重點原理解釋)2010-12-31 11：19光電轉(zhuǎn)換功能；電荷存儲功能；電荷轉(zhuǎn)移功能。用半導(dǎo)體硅材料制成的MOS光敏器及后來的HAD(空穴積累光敏二極管)傳感器，由光子激發(fā)產(chǎn)生的電荷與入射光強(qiáng)度成正比，即能將光轉(zhuǎn)換為電；在其上淀積一個金屬電極，如果在電極上加一正電壓就形成一個電位阱，這個所謂的阱，能吸引束縛住該區(qū)域的自由電子，像一個包，這就有了電荷存儲功能；所加電壓增高，能使阱相應(yīng)變深，相鄰阱的電子就會被吸引過來，如同水往低處流，從前一個包流入后一個包。如果去掉前一個電極上的電壓，而把后者電壓降低到原來值，電荷就被收集在這個電極下面，這就完成了電荷從一個極到另一個極的移動，實現(xiàn)了電荷轉(zhuǎn)移。如果對所有的電極連續(xù)重復(fù)上述步驟，就能利用一連串的脈沖把電荷作為獨立的小包沿著襯底的整個長度進(jìn)行轉(zhuǎn)移，如同串行移位寄存器，但它不是數(shù)字電路的移位寄存器，而是一個模擬的移位寄存器。這一串脈沖叫做轉(zhuǎn)移時鐘脈沖，相當(dāng)于移位脈沖，它在構(gòu)成上比數(shù)字電路移位脈沖要復(fù)雜得多。根據(jù)實現(xiàn)CCD電荷轉(zhuǎn)移的需要，有垂直移位寄存器和水平輸出寄存器，因此為了讀出CCD的圖像信息，就有垂直轉(zhuǎn)移時鐘驅(qū)動脈沖和水平轉(zhuǎn)移(輸出)時鐘驅(qū)動脈沖的分別，它們的構(gòu)成(相數(shù)、電平和電壓、時間波形)是完全不同的。詳細(xì)的情況見后面CCD攝像機(jī)實例中的介紹。CCD三十年來的發(fā)展，品質(zhì)日益完善。隨著新材料、新技術(shù)、新工藝的不斷進(jìn)步，芯片尺寸由大到小，像素由少到多，而靈敏度卻更高，圖像質(zhì)量更好。目前，在電視監(jiān)控系統(tǒng)中用的CCD攝像機(jī)，芯片尺寸1/3、1/4是主流，像素數(shù)基本為二十九萬像素和四十四萬像素兩檔。光敏器結(jié)構(gòu)有MOS(金屬氧化物二極管)傳感器和新型的HAD(空穴積累光敏二極管)傳感器。在電荷轉(zhuǎn)移方式上，有FT(幀轉(zhuǎn)移)、IT(行間轉(zhuǎn)移)、FIT(幀-行間轉(zhuǎn)移)三種。這三種轉(zhuǎn)移方式的CCD器件各自都有它們的應(yīng)用范圍。圖1，圖2，圖3表示了三種CCD的轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)原理圖。使用新型HAD(空穴積累光敏二極管)，以IT(行間轉(zhuǎn)移)方式轉(zhuǎn)移的CCD，減少了暗電流形成的固定圖形雜波，容易增加像素數(shù)而提高水平分辨率，有更高的靈敏度和更好的色度，而且和FIT一樣可實現(xiàn)電子快門功能。片小而價格低，又容易獲得良好的攝像特性，現(xiàn)在大量生產(chǎn)的幾乎都是這種新型的HAD IT CCD。摘要：專業(yè)攝像管攝像機(jī)正被CCD攝像機(jī)所取代,CCD攝像機(jī)的維修工作是一門新技術(shù)。本文就此進(jìn)行探討。：CCD攝像機(jī)引言1970年美國貝爾實驗室研制出了第1塊CCD固體攝像器件,1983年美國RGA公司推出了3板式CCD彩色攝像機(jī),90年代初專業(yè)級CCD彩色攝像機(jī)開始進(jìn)入我國電視領(lǐng)域。隨著電子技術(shù)的發(fā)展,CCD攝像機(jī)性能不斷提高,專業(yè)攝像管攝像機(jī)正被CCD攝像機(jī)所取代。目前,我國各級電視臺常見的CCD攝像機(jī)機(jī)型有：松下公司的AQ-11D、AQ-20D、F-700、AJ-D700,索尼公司的DXC-537、DXC-637、DSR-300、DNW-7P,日立公司的Z-ONE系列、SK-F2、SK-F3、SK-F300、池上公司的HL-43、HL-55等,品種已有數(shù)十個。CCD攝像機(jī)也會出問題,最棘手的是CCD組件出故障。CCD組件是攝像機(jī)上最重要、最昂貴的部件。1993年以前,日本攝像機(jī)生產(chǎn)廠家均要求將出故障的CCD組件寄送日本工廠修理。這就產(chǎn)生了兩個問題,1是維修費用高(約需人民幣3萬元),2是維修周期長(需要46個月)。能不能自己動手解決修理問題,那就要知曉CCD的基本工作原理。1.CCD基本工作原理CCD是電荷耦合器件Charge Coupled Device的縮寫。它具有進(jìn)行光-電轉(zhuǎn)換、信息存貯、掃描讀取3大功能。1.1CCD的光-電轉(zhuǎn)換功能如圖1所示,在P型單晶硅的襯底上做一層絕緣氧化膜,通過活化置換技術(shù),再在氧化膜表面做出許多排列整齊的可透光的電極,當(dāng)光線通過時,氧化膜與P型單晶硅之間產(chǎn)生電荷,其電荷的數(shù)量與光照強(qiáng)度及照射時間成正比,這就是CCD的光電轉(zhuǎn)換功能。1.2 CCD的電荷存貯功能如圖2所示,若在電極加上一個適當(dāng)?shù)恼妷?則在電極和襯底之間產(chǎn)生一個電場,這個電場在P型硅中將載流子帶正電的空穴排斥到襯底電極一邊,在電極下硅襯底表面形成一個沒有可動空穴的帶負(fù)電的區(qū)域,這個區(qū)域稱作電荷耗盡區(qū),這就是能夠吸引電子的勢阱,電極上所加的電壓越高,勢阱越深,電荷留在阱內(nèi)量越多,只要電壓存在,電子就能儲存在勢阱里,當(dāng)景物的光照射到CCD時,具有光敏特性的P型硅在光量子的激發(fā)下產(chǎn)生電子-空穴對,空穴移向襯底而消失,電子進(jìn)入勢阱并存儲在那里,由于絕緣氧化物層使得電子不能穿過而到達(dá)電極,因此存貯在勢阱里的電子形成了電荷包,其電荷量的多少與光照強(qiáng)度成正比,于是所有電極下的電荷包就組成了與景物相對應(yīng)的電荷像。1.3 CCD的電荷轉(zhuǎn)移功能勢阱的深淺由電極上所加電壓的大小決定。電荷在勢阱內(nèi)可以流動,它總是從相鄰淺阱里流進(jìn)深阱中,如圖3所示,這種電荷流動稱為電荷轉(zhuǎn)移。若有規(guī)律改變電極電壓,則勢阱的深度就會隨之變化,勢阱內(nèi)電荷就可以按人為確定的方向轉(zhuǎn)移,直到最終由輸出端輸出。這就是CCD的電荷轉(zhuǎn)移原理。電荷轉(zhuǎn)移又分單相驅(qū)動、雙相驅(qū)動、三相驅(qū)動及四相驅(qū)動等多種方式,除了電極構(gòu)造及所加電壓波形不同以外,其轉(zhuǎn)移原理是一樣的。四相驅(qū)動方式的驅(qū)動電路比較復(fù)雜,但相鄰勢阱的深度差較大,電荷的存貯量也大,容易實現(xiàn)隔行掃描,在專業(yè)級攝像機(jī)中應(yīng)用較為廣泛。四相驅(qū)動方式即將絕緣層上的電極按列的方式每四個分為一組,形成一個象素單元,每組電極分別加上不同的偏置電壓,則在電極下絕緣膜與P型硅之間就產(chǎn)生不同深度的勢阱,如果有規(guī)律地改變電極上的電壓值,使勢阱產(chǎn)生變化,就可以使電子定向移動,這也就是CCD的掃描讀出原理。CCD根據(jù)轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)移方式的不同又分成幀轉(zhuǎn)移(FT)方式；行間轉(zhuǎn)移(IT)方式；幀行間轉(zhuǎn)移(FIT)方式。2.有關(guān)實際電路為了便于探討問題,我們以市場擁有量較大的日立電子公司產(chǎn)品,Z-ONE-A攝像機(jī)為例,該攝像機(jī)的框圖如圖4所示：我們所討論的CCD組件,它分2個單元。傳感器(電荷耦合器件)單元和傳感器驅(qū)動單元。2.1傳感器單元(電路圖略)來自于傳感器驅(qū)動單元的場驅(qū)動脈沖V1V4、行驅(qū)動脈沖H1H2、復(fù)位脈沖R加到傳感器IC1上。取樣脈沖DS1、DS2供給CDS和復(fù)位電路。視頻信號從CCD的腳輸出,經(jīng)CDS和復(fù)位電路送往預(yù)放大電路。Q3Q8構(gòu)成的CDS和復(fù)位電路能消除CCD產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲并能改善水平分辯率。2.2傳感器驅(qū)動單元該單元向CCD單元提供所需要的脈沖和電壓。場驅(qū)動脈沖發(fā)生器IC301產(chǎn)生場驅(qū)動脈沖V1V4、CHS脈沖；行驅(qū)動脈沖發(fā)生器IC302產(chǎn)生行驅(qū)動脈沖H1H2、取樣脈沖DS1、DS2、復(fù)位脈沖R。3.舉例分析說明根據(jù)CCD的基本工作原理,下面再舉些CCD組件故障實例做進(jìn)一步的討論。故障現(xiàn)象1：攝像機(jī)輸出圖像拖尾且模糊不清。分析：圖像發(fā)生拖尾現(xiàn)象是CCD的轉(zhuǎn)移功能出了問題,勢阱中光-電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電荷不能被及時轉(zhuǎn)移泄漏掉；而圖像模糊不清是由于勢阱中的電荷達(dá)到飽和狀態(tài)并溢出進(jìn)入相鄰的像素單元及垂直移位寄存器等處所致。攝像機(jī)的傳感器單元其勢阱下部都設(shè)置了由P-N結(jié)組成的泄漏溝道。就Z-ONE-A講,當(dāng)R、G、B 3路信號均不正常時,首先應(yīng)當(dāng)檢查驅(qū)動電路送往傳感器單元的4組電壓是否達(dá)到標(biāo)稱值,若4組電壓正常,接下來就要查各路輸出脈沖的幅度及波形。檢查后實際情況是：驅(qū)動單元輸出的V2、V4幾乎沒有,即IC101的第2、19腳脈沖波形幅度太小。而IC101第10、11腳V2、V4的輸入脈沖波形幅度正常。測得IC101第1腳工作電位只有-2V,正常值應(yīng)為-8.8V。Q102是IC101的供電電壓調(diào)整管,它的基極由于R102的阻值變大而電位變高,造成IC101工作電壓太高,使之不能正常工作。造成IC101的輸出脈沖V2、V4波形幅度不正常。更換R102后,故障現(xiàn)象消失。故障現(xiàn)象2：輸出圖像有彩色勾邊。分析：可先用示波器對預(yù)放大/PRA板進(jìn)行檢查,觀察比較輸入的R、G、B 3路波形是否正常一致。若二路波形正常,僅一路波形異常有雜波,就可以判定攝像機(jī)電源提供給CCD單元所需的工作電壓是正常的,也可以判定提供行、場脈沖信號的SG/GL板和CCD驅(qū)動單元沒有問題,問題出在CCD組件內(nèi)部。就可以根據(jù)具體情況直接去檢查波形異常的那一路電路。如果輸出圖像有藍(lán)色勾邊就直接去檢查藍(lán)路CCD單元傳感器IC1各腳的直流工作電位。檢查方法同上例相似。檢查后實際情況是：IC1的第1腳直流工作電位明顯小于正常值(+6V)。檢查發(fā)現(xiàn)R17被附近電解電容的漏液腐蝕,造成阻值變大。使復(fù)位脈沖R不能正常送到IC1的1腳,造成勢阱中光-電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電荷不能及時被轉(zhuǎn)移泄漏掉,引起輸出圖像有藍(lán)色勾邊故障。更換R17后,IC1的第1腳直流工作電位恢復(fù)到正常值,故障現(xiàn)象消失。故障現(xiàn)象3：攝像機(jī)輸出色彩偏黃分析：攝像機(jī)輸出圖像色彩偏,首先要鑒別是視頻預(yù)放大電路有問題?還是視頻信號處理電路有問題?還是CCD組件有問題?專業(yè)級攝像機(jī)都可以通過打開測試開關(guān)來進(jìn)行區(qū)分鑒別。打開測試開頭,若攝像機(jī)輸出測試信號正常,說明視頻信號處理電路沒有問題。問題可能出在視頻預(yù)放大電路和視頻處理板之前的CCD組件內(nèi)。通過檢查視頻預(yù)放大電路上的TP測試點,可以區(qū)分問題是否出在視頻預(yù)放大電路上。若判定問題出在CCD組件內(nèi)部。根據(jù)電視混色原理,圖像色彩偏黃,這一現(xiàn)象這是缺少藍(lán)路信號所致。接下來,你就可以采用逐步排除法,從CCD單元的輸出往前查。檢查后實際情況是：CDS單元的Q8的e、b、c直流電位分別為-2V、-1.3V、+5V，e、b端電位正常值應(yīng)為-8V、-7.3V。測CN103的1腳與Q8的e端間的電阻R23變質(zhì)增大。更換電阻R23后,故障消失,問題得到解決。在實際維修工作中,如果1臺攝像機(jī)故障確定發(fā)生在CCD組件,應(yīng)當(dāng)先檢查CCD單元的各路電壓、驅(qū)動脈沖是否正常,若R、G、B 3路信號中只是某1路信號不正常,那就重點檢查該路CCD單元及信號通