电荷耦合器（CCD）信号电荷的输出方式

在CCD中，有效地收集和检测电荷是一个重要问题。CCD的重要特性之一是信号电荷在转移过程中与时钟脉冲没有任何电容耦合，而在输出端则不可避免。因此，选择适当的输出电路可以尽可能地减小时钟脉冲容性地馈人输出电路的程度。CCD信号电荷的输出主要有电流输出和电压输出。

1)电流输出

如图12 - 6(a)所示，当信号电荷在转移脉冲的驱动下向右转移到末级电极(图中φ₂电极)下的势阱中后，φ₂电极上的电压由高变低时，由于势阱提高 ，信号电荷将通过输出栅(加有恒定的电压）下的势阱进入反向偏置的二极管(图中N⁺区)。由U_D、电阻 R、衬底P和N⁺区构成的反向偏置二极管相当于无限深的势阱。进入到反向偏置的二极管中的电荷，将产生输出电流I_D，且I_D的大小与注入到二极管中的信号电荷量成正比，但与电阻R成反比。电阻R是制作在CCD内的电阻，阻值是常数。所以，输出电流I_D与注入到二极管中的电荷量成线性关系，且 Qs=I_Ddt 

由于I_D的存在，使得A点的电位发生变化；I_D增大，A点电位降低。所以可以用A点的电位来检测二极管的输出电流I_D，用隔直电容将A点的电位变化取出，再通过放大器输出。

图中的场效应管T_R为复位管。它的主要作用是将一个读出周期内输出二极管没有来得及输出的信号电荷通过复位场效应输出，因为在复位场效应管复位栅为正脉冲时复位场效应管导通，它的动态电阻远小于偏置电阻R，使二极管中的剩余电荷被迅速抽走，使A点的电位恢复到起始的高电平。

2) 电压输出

电压输出有浮置扩散放大器(FDA)和浮置栅放大器(FGA)等方式。

浮置扩散放大器结构如图12 - 6(b)所示。在与CCD同一芯片上集成了两个MOSFET，即复位管T₁和放大管T₂。在φ₂下的势阱未形成之前，在RG端加复位脉冲φ_R，使复位管T₁导通 ，把浮置扩散区上一周期的剩余电荷通过T₂的沟道抽走。当信号电荷到来时，复位管T₁截止，由浮置扩散区收集的信号电荷来控制放大管T₂的栅极电位，栅极电势为

                                    △U_out=Qs/C_FD 

式中，C_FD为浮置扩散节点上的总电容。经放大器放大Kv，后，输出的信号为 Uo=Kv△U_out

以上两种输出机构均为破坏性的一次性输出。

图12- 6(c)为浮置栅放大器输出。T₂的栅极不是直接与信号电荷的转移沟道相连接，而是与沟道上面的浮置栅相连。当信号电荷转移到浮置栅下面的沟道时，在浮置栅上感应出镜像电荷 ，以此来控制T₂的栅极电位，达到信号检测与放大的目的。显然，这种机构可以实现电荷在转移过程中进行非破坏性检测。