CCD光电测量实验报告

重庆大学学生实验报告实验课程名称电子信息综合实验开课实验室重庆大学物理实验教学中心学院物理年级2012专业班电子信息01组内成员姓名张益达组长张益达设计日期：2015年10月20日起2015年12月8日止开课时间2015至2016学年第1学期总成绩教师签名物理学院学院制目录一、实验目的..............................................................1二、实验原理：............................................................11.CCD的原理、种类、特点、发展、应用..................................11.1CCD简介......................................................11.2CCD工作原理..................................................11.3CCD的种类....................................................61.4CCD的发展....................................................71.5CCD的主要应用................................................91.6TCD1206UD的工作原理.........................................102.FPGA的特点、应用、设计流程.......................................122.1FPGA简介....................................................122.2FPGA的主要应用..............................................122.3FPGA的设计流程..............................................13三、设计要求..........................................................141.电路设计...........................................................142.CCD驱动信号.......................................................14四、实现过程..........................................................151.设计方案：.........................................................151.1电源部分设计.................................................151.2CCD驱动电路的设计...........................................162.设计过程...........................................................162.1电源部分.....................................................162.2CCD驱动电路部分设计.........................................172.3整体电路设计.................................................182.4PCB板的制作.................................................182.5印制电路的焊接...............................................193.测试：调试中出现的问题和解决方法...................................193.1调试过程.....................................................193.2测试结果.....................................................213.3实验设计修正.................................................23五、结果和分析...........................................................241.实验收获...........................................................242.设计的建议.........................................................24参考文献.................................................................26组内成员评分.............................................................271CCD光电测量综合设计一、实验目的本次电子信息综合实验的目的，是完成一个CCD光电测量系统。CCD（ChargeCoupledDevices）是20世纪70年代发展起来的新型半导体器件。CCD器件是一种新型光电转换器件，它以电荷作为信号，其基本功能是电荷信号的产生、存储、传输与检测。它主要由光敏单元、输入结构和输出结果等组成。本次实验使用的的TCD1206UD二相线阵CCD。实验设计的最终目的是搭建一个完整的CCD光电测量系统，可以实现CCD器件对光影关系的感应，并在示波器上显示其输入输出波形。完成TCD1206CCD器件驱动电路的设计，学会用AltiumDesigner实现简单的工程，理解FPGA特点、应用和设计流程，CCD光电测量系统的最终实现。二、实验原理：1.CCD的原理、种类、特点、发展、应用1.1CCD简介CCD，英文全称：Charge-coupledDevice，中文全称：电荷耦合元件。可以称为CCD图像传感器,也叫图像控制器。CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。CCD上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel）。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。CCD的作用就像胶片一样，但它是把光信号转换成电荷信号。CCD上有许多排列整齐的光电二极管，能感应光线，并将光信号转变成电信号，经外部采样放大及模数转换电路转换成数字图像信号。1.2CCD工作原理1.2.1电荷存储构成CCD的基本单元是MOS（金属—氧化物—半导体）电容器，如图2.1所示。正像其他电容器一样，MOS电容器能够存储电荷。如果MOS结构中的半导体是P型，当在金属电极（称为栅）上加一个正的阶梯电压时（衬底接地），Si-SiO2界面处的电势（称为表面势或界面势）发生相应变化，附近的P型硅中多数载流子—空穴被排斥，形成所2谓耗尽层，如果栅电压VG超过MOS晶体管的开启电压，则在Si-SiO2界面处形成深度耗尽状态，由于电子在那里的势能较低，我们可以形象地说，半导体表面形成了电子的势阱，可以用来存储电子。当半导体表面存在势阱时，如果有信号电子（电荷）来到势阱或在其邻近，它们变可以聚集在表面。随着电子来到势阱中，表面势将降低，耗尽层将减薄，我们把这个过程描述为电子逐渐填充势阱。势阱中能够容纳多少个电子，取决于势阱的“深浅”，即表面势的大小，而表面势又随栅电压而变化，栅电压越大，势阱越深。如果没有外来的信号电荷，耗尽层及其邻近区域在一定温度下产生的电子将逐渐填满势阱，这种热产生的少数载流子电流叫做暗电流，所以有别于光照下产生的载流子。因此，电荷耦合器件必须工作在瞬态和深度耗尽状态，才能存储电荷。图1.1电荷存储1.2.2信号电荷的转移电荷耦合器件工作原理较为简单，属于转移电极结构，是三相转移电极结构，其原理如图2.3所示。如果在三相转移电极Φ1、Φ2和Φ3上加如图2.2所示的三相脉冲电压后，当Φ1为高电平（t1）时，由外界注入的信号电荷ΦS被存储于Φ1电极下表面的势阱中。在t2时刻，Φ1变为低电平、Φ2变为高电平后，ΦS被转移并被存储与Φ2电极下表面势阱中，如图2.3所示的电荷转移过程。依次类推，信号电荷逐极转移，最后达到输出端。图2.2三相脉冲驱动电压图2.3电荷的转移过程3应该注意，采用三相电压的目的是为了使信号电荷准确地沿着指向终端的方向移动。按耗尽层理论，可以证明，转移栅（MOS结构）电极下半导体表面电子势阱的深度与氧化层厚度和半导体所掺杂的浓度有关，氧化层厚度越大，势阱越浅；半导体中所掺杂质浓度越高，势阱越浅。因此，可以利用这种原理在一个电极下势阱中制造势垒以阻止信号电荷逆向转移，如图2.4（a），（b）所示（a）利用氧化层产生势垒（b）利用表面掺杂产生势垒图2.4两相CCD的电极结构与脉冲波形按图2.4（a），由于同一个电极下氧化层厚度不同，在存储信号电荷的电子势阱“后面”总存在一个势垒，阻止信号电荷逆向转移。按图2.4（b），利用在同一个电极下P型半导体表面局部加有较多的受主杂质（图中以++表示），也会产生同样的阻止信号电荷逆构转移的势垒。因此，这两种CCD都可以用波形简单得多的两相驱动脉冲工作，波形如图2.5所示。图2.5两相驱动脉冲波形CCD常因各种原因使所存储的信号电荷不能完全转移，若在第N个电极下存的信号电荷储为QN，经一次转移后，转移到第N+1个电极的信号电荷为QN+1，则称4为一次转移的转移效率，而称ε=1-η为转移失效率。由于通常CCD的电极数目很大，为使信号电荷转移到输出端不致有过大损失，一般要求CCD的转移效率在0.999或0.9999以上。影响转移效率的因素很多，尤其是表面CCD，与工作频率、波形、电极结构、工艺过程甚至信号大小都有关系。由于表面CCD受存于半导体表面的表面态俘获电子的影响，其转移效率很难提高到超过0.9999。为此，人们研制了埋沟道CCD的新工艺，将电子势阱底和转移沟道移到体内，从而使转移效率提高到0.9999以上。目前以普遍采用了埋沟技术。1.2.3电荷的注入与检测由探测器产生的电压或电流信号需要通过注入极转换成信号电荷，并注入转移电极。图2.6所示的电路结构和电压脉冲波形是电荷注入的结构原理和波形图注入电荷包的方法很多，如图2.6所示的结构是常常采用的表面势平衡注入法。图中输入栅IG加直流电压VIG，输入二极管ID加反向脉冲电压ΦID。当ΦI为个高电平ΦIH期间，ΦID低电平到达后，电子自ID电极注入ΦI和IG电极下；当ΦID变为高电平时将在附近形成深的电子势阱，使多余的电子被会流入该势阱，并经PN结流入IG。因此，在注入过程结束后，最终在ΦI电极下电子势阱中留下的电荷与ΦI电极电压ΦIH和IG电压VIG之差成比例，故：5如果探测器产生的信号电压是VI，则用VI调制VIG，则可得到随VI变化的一系列信号电荷包。图2.6表面势平衡注入法（a）工作电路；（b）波形电荷包有多种检出方式，通常采用浮置扩散放大器的输出，简称FDA法。FDA法输出结构的基本原理如图2.7所示，图中包括工作电路、工作脉冲波形和输出信号波形。图中A为浮置扩散极，V0为芯片上的输出放大器管，TR为芯片上的复位管，输出栅OG加直流电压VOG以在其电压下形成导电沟道。图2.7电荷包检出的FDA法（a）电路；（b）波形其工作过程是：在终端电极Φ3为高电平期间（信号电荷存储在该电极下），预先用复位脉冲ΦR导通TR管，使浮置