CCD电荷输出电路

电荷输出的任务

CCD 的感光与转移部分把光生电荷包沿沟道逐级搬运到输出级，输出级的任务是把电荷量 $Q$ 转换成便于后续放大的电压或电流信号。转换必须满足两点：转换关系与 $Q$ 成线性，且每次读出后节点要恢复到初始状态，否则相邻像素信号会叠加。

输出二极管与负载电阻读出

转移栅 ${\varphi }_3$ 下方的电荷包被送到输出二极管（$N^{+}$ 区）附近。电荷注入使二极管电流发生变化。在固定转移时间、固定节点RC与读出带宽，或对电流积分测电荷的条件下，该电流（或其积分）与转移来的电荷量成比例；瞬时电流波形和峰值还依赖转移时间、节点RC与读出带宽，$Q$ 不独自决定瞬时电流。电流流经负载电阻 $R_L$，在输出端得到电压

因此 $U_o$ 携带了电荷包大小的信息。这种结构直接利用二极管电流随电荷注入而变化的特性，电路简单，但输出节点存在较大电容，转换增益有限。

浮置扩散与电荷-电压转换

更常用的读出方式是把电荷注入一个浮置扩散节点（输出二极管的 $N^{+}$ 区本身作为该节点）。节点对地存在总电容 $C_{FD}$，注入电荷 $Q$ 引起节点电位变化

$Q$ 的单位为库仑（C），$C_{FD}$ 的单位为法拉（F），$\mathrm{\Delta }U$ 的单位为伏（V）。由于 $C_{FD}$ 是固定值，$\mathrm{\Delta }U$ 与 $Q$ 成正比，这就是浮置扩散的电荷-电压转换。节点电位变化经源极跟随器（输出晶体管）缓冲后送到片外。源极跟随器提供电流增益，其电压增益通常小于1，并存在栅源电压偏移及体效应、负载影响；在近似分析中可视为电压缓冲，但不能无条件认为输出电压变化与输入完全相同。

复位的作用与输出波形

浮置扩散节点在每次读出后必须复位。复位脉冲 $U_{RG}$ 使复位管导通，把节点电位拉回到参考电平 $V_{REF}$，为下一个电荷包的读出腾出动态范围。读出时序为：复位脉冲到来使输出回到基准，随后电荷注入使输出产生幅度为 $\mathrm{\Delta }U$ 的跳变，$\mathrm{\Delta }U$ 与本次转移来的电荷量对应。因此输出波形表现为在复位基准上叠加的、与各像素电荷量成比例的脉冲序列。

选通电荷积分输出电路

另一种读出形式是选通电荷积分输出电路：转移来的电荷经输出栅 $G_0$ 进入由晶体管 $V{T}_1$、$V{T}_2$ 和电容 $C_1$、$C_2$、电阻 $R_0$ 组成的放大级。${\varphi }_3$ 控制电荷转移，$U_{RG}$ 的窄脉冲触发复位，输出 $U_{OUT}$ 在复位后出现幅度 $\mathrm{\Delta }U$ 的变化，该变化与输入电荷量对应。积分电容把电荷积累成电压，使输出幅度由 $Q$ 和积分电容共同决定。

适用范围与限制

上述线性关系成立的前提是：输出节点电容在读出期间保持恒定、电荷在注入过程中没有明显复合或俘获损失、复位后节点完全恢复到参考电平。若节点电容随信号变化或复位不充分，转换会引入非线性或残留电荷造成的拖影。输出级的转换增益由 $1\mathrm{/}{C}_{FD}$ 决定，减小节点电容可提高增益，但会缩小可容纳的电荷量，二者需要折中。