探讨半导体和电路级CCD动态范围

本文介绍了 CCD 的结构、工作参数和外部信号处理电路如何影响 CCD 成像硬件可以捕获的最大亮度变化的。

我们已经了解了动态范围的一般概念，也知道了动态范围作为成像系统中的性能规格。在本文中，我们将探讨半导体和电路级的 CCD 动态范围。我们将考虑以下问题：是什么决定了 CCD 及其相关信号处理电路所能记录的亮度范围？

最大信号和本底噪声
在 CCD 中，输入信号是电磁辐射，输出信号是电荷包，其数量与该电磁辐射的强度相对应。

输入信号的动态范围本质上是无限的：亮度可以从零变化（这意味着完全没有光子）到宇宙中最亮的物体产生的强度。但是，输出信号的动态范围是有限的。

由于噪声，零亮度不会产生零电荷。由于具有完整的阱容量，亮度增加到某个点以上将不再产生相应的电荷增加。因此，CCD 的动态范围是满阱容量与本底噪声的比值，即像素可以产生的最大输出信号电平除以即使像素没有入射光也将产生的信号电平。

如果你一直在关注图像传感器技术，就会知道 CCD 中的主要噪声源是暗噪声，光子噪声和读取噪声。但是，在计算动态范围时，我们仅考虑暗噪声和读取噪声。我发现有两个原因：首先，光子噪声不是 CCD 或随附的读出电路的特性 - 它是光的本质所固有的，并且在一个系统之间不存在差异。其次，光子噪声不会影响最小的输出信号电平，因为入射光为零时，光子噪声也为零。这使我们得出以下公式：

其中 NSATURATION 是满阱容量（即，输出信号饱和的电子数），而 NNOISE 是暗噪声和以电子 RMS 表示的读取噪声之和。如果你更喜欢使用分贝或止损而不是普通比率，则我们具有以下公式:

CCD 的满阱容量
影响满阱容量的重要因素是像素的面积，或者如果只有一部分像素对光敏感的话，则是光电二极管的面积。较大的光敏元件对应于其中可以集成电荷的较大的硅部分。因此，我们可以通过增加像素大小来扩展动态范围。鉴于在不改变传感器的总面积的情况下，这样做会导致分辨率降低，因此，如果要增加动态范围并保持分辨率，则需要更大的传感器。

物理上较大的光电二极管为光生自由电子的积累提供了更多空间。当前市场上的 CCD 在满阱容量上具有广泛的变化。例如，牛津仪器的器件范围从 25,000 个电子（像素面积= 100 µm2，动态范围= 64 dB）到 510,000 个电子（像素面积= 676 µm2，动态范围= 94 dB）。

有效满阱容量
工作条件可能会影响满阱容量。例如，ON Semi 公司的 KAI-2020 CCD 的满阱容量为 20,000 电子或 40,000 电子。实际的物理容量接近 40,000 电子，但是输出放大器在 40 MHz 的全读出速度下无法处理 40,000 电子。因此，在计算动态范围时，我们需要考虑有效的满阱容量，而不是仅与像素的物理特性相对应的电子容量。同样，KAI-2020 光电二极管的有效满阱容量取决于所施加的基板电压。较低的基板电压会产生较大的满阱容量（因此会产生较大的动态范围），但同时也会使传感器更容易出现光晕。

动态范围和模数转换
尽管 CCD 的动态范围取决于满阱容量和噪声，但我们必须记住，相机必须先对 CCD 的数据进行数字化处理，然后再对其进行处理。CCD 信号通过 ADC 到达系统的其余部分，因此，我们需要确保模数转换器提供足够的动态范围。

如果你花钱买了具有 90 dB 动态范围的高性能 CCD，然后将其与 8 位 ADC 配对，则图像数据的最终动态范围就是 ADC 的动态范围，只有 8 位分辨率，实际上约为 48 dB。你损失了 42 dB。幸运的是，从 ADC 获得足够的动态范围通常不是主要挑战。许多 CCD 的动态范围约为 60–70 dB，你可以通过 12 位 ADC 分辨率来保持这种动态范围性能。ADI 公司和德州仪器（TI）销售高度集成的 CCD 信号处理器，支持 12 位 A / D 转换。

结论
我们已经看到，动态范围是由 CCD 的满阱容量和噪声特性决定的。但是，需要记住的一点是，动态范围并不总是最关键的性能指标。动态范围可帮助相机捕捉高对比度场景，但有时候，我们可能对阱容量或低噪声更感兴趣，而不是去追求最大的动态范围而需要兼顾噪声性能和满阱容量。

审核编辑 黄昊宇