電荷耦合器（CCD）信號電荷的輸出方式

在CCD中，有效地收集和檢測電荷是一個重要問題。CCD的重要特性之一是信號電荷在轉移過程中與時鐘脈沖沒有任何電容耦合，而在輸出端則不可避免。因此，選擇適當的輸出電路可以盡可能地減小時鐘脈沖容性地饋人輸出電路的程度。CCD信號電荷的輸出主要有電流輸出和電壓輸出。

1)電流輸出

如圖12 - 6(a)所示，當信號電荷在轉移脈沖的驅動下向右轉移到末級電極(圖中φ₂電極)下的勢阱中后，φ₂電極上的電壓由高變低時，由于勢阱提高 ，信號電荷將通過輸出柵(加有恒定的電壓）下的勢阱進入反向偏置的二極管(圖中N⁺區)。由U_D、電阻 R、襯底P和N⁺區構成的反向偏置二極管相當于無限深的勢阱。進入到反向偏置的二極管中的電荷，將產生輸出電流I_D，且I_D的大小與注入到二極管中的信號電荷量成正比，但與電阻R成反比。電阻R是制作在CCD內的電阻，阻值是常數。所以，輸出電流I_D與注入到二極管中的電荷量成線性關系，且 Qs=I_Ddt 

由于I_D的存在，使得A點的電位發生變化；I_D增大，A點電位降低。所以可以用A點的電位來檢測二極管的輸出電流I_D，用隔直電容將A點的電位變化取出，再通過放大器輸出。

圖中的場效應管T_R為復位管。它的主要作用是將一個讀出周期內輸出二極管沒有來得及輸出的信號電荷通過復位場效應輸出，因為在復位場效應管復位柵為正脈沖時復位場效應管導通，它的動態電阻遠小于偏置電阻R，使二極管中的剩余電荷被迅速抽走，使A點的電位恢復到起始的高電平。

2) 電壓輸出

電壓輸出有浮置擴散放大器(FDA)和浮置柵放大器(FGA)等方式。

浮置擴散放大器結構如圖12 - 6(b)所示。在與CCD同一芯片上集成了兩個MOSFET，即復位管T₁和放大管T₂。在φ₂下的勢阱未形成之前，在RG端加復位脈沖φ_R，使復位管T₁導通 ，把浮置擴散區上一周期的剩余電荷通過T₂的溝道抽走。當信號電荷到來時，復位管T₁截止，由浮置擴散區收集的信號電荷來控制放大管T₂的柵極電位，柵極電勢為

                                    △U_out=Qs/C_FD 

式中，C_FD為浮置擴散節點上的總電容。經放大器放大Kv，后，輸出的信號為 Uo=Kv△U_out

以上兩種輸出機構均為破壞性的一次性輸出。

圖12- 6(c)為浮置柵放大器輸出。T₂的柵極不是直接與信號電荷的轉移溝道相連接，而是與溝道上面的浮置柵相連。當信號電荷轉移到浮置柵下面的溝道時，在浮置柵上感應出鏡像電荷 ，以此來控制T₂的柵極電位，達到信號檢測與放大的目的。顯然，這種機構可以實現電荷在轉移過程中進行非破壞性檢測。