Técnicas de sincronización de dispositivos de carga acoplada para lectura de CCD

Un CCD es un dispositivo de transferencia de carga sensible a la luz, y es hora de que veamos más de cerca cómo exactamente un diseñador de circuitos dirige el movimiento de información óptica desde ubicaciones de píxeles individuales al terminal de salida del sensor. Como se explicó anteriormente, el medio fundamental para realizar la lectura de CCD es la aplicación de pulsos de reloj.
Si desea más contexto antes de continuar, considere aprender más sobre los tipos de sensores CCD.

No es una señal de reloj típica

Dudo en usar el término "reloj" en esta discusión porque, en mi opinión, una señal de reloj es casi siempre una forma de onda de nivel lógico que interactúa con los circuitos digitales típicos.
Los voltajes CCD son en gran medida de la variedad "no estándar". Los voltajes de reloj de alto nivel a menudo son mayores de lo que usamos para la lógica CMOS, y los voltajes de bajo nivel a menudo se extienden bajo tierra.
Elegí algunas hojas de datos CCD al azar para darle algunos ejemplos de qué esperar. Asegúrese de leer el artículo anterior si no entiende lo que quiero decir con "transferencia de trama" y "transferencia interlínea".
KAI-1020 de ON Semiconductor: Este es un dispositivo de transferencia entre líneas con una resolución de 1000 × 1000 píxeles activos. Los voltajes de control varían de –9 V a +15 V. Sin embargo, las señales de control aplicadas al chip usan lógica de 5 V; Los controladores internos traducen las señales lógicas a los niveles de voltaje requeridos por las puertas de transferencia de carga.

Pensé que podría disfrutar de esta elegante representación en 3D de un CCD de transferencia entre líneas, tomado de la hoja de datos del KAI-1020.

ICX059CL de Sony: Este es un CCD de transferencia interlineal de 752 × 582 píxeles destinado a cámaras de video monocromas. Si entiendo la hoja de datos correctamente, utiliza 15 V para transferir paquetes de carga de fotodiodos a registros de desplazamiento vertical, –8,5 V a 0 V para relojes de transferencia vertical, y 0 V a 5 V para transferencia horizontal. El siguiente diagrama transmite la arquitectura general de este dispositivo.

Diagrama tomado de la hoja de datos ICX059CL.

TC281 de Texas Instruments: Este sensor de imagen de 1000 × 1000 píxeles utiliza la arquitectura de transferencia de cuadros. La mayoría de los relojes tienen un nivel bajo de –10 V y un nivel alto de +2 V.

La parte marcada con el símbolo × es la matriz de píxeles sensibles a la luz, y la mitad inferior es la matriz de almacenamiento. Diagrama tomado de la hoja de datos TC281.

Configuraciones de reloj de lectura

Volvamos al nivel de semiconductores y hablemos sobre cómo exactamente persuadimos a los paquetes de carga para que se muevan de píxel a terminal de salida. Sabemos que esto se logra mediante la aplicación de secuencias de voltajes que a su vez crean secuencias de pozos potenciales y barreras potenciales, pero resulta que hay varias formas diferentes de crear las variaciones necesarias en el potencial.

Reloj de cuatro fases
El método más directo utiliza cuatro fases de reloj. Consideraremos el enfoque de cuatro fases con cierto detalle, y luego mencionaré brevemente otros esquemas.
Como se muestra en el siguiente diagrama, un CCD de cuatro fases tiene cuatro puertas en cada píxel. Por lo tanto, se necesitan cuatro señales de reloj separadas aplicadas a cuatro secciones distintas del píxel para mover un paquete de carga al píxel adyacente.

(Tenga en cuenta que si se tratara de un CCD de transferencia entre líneas, podríamos decir algo así como "secciones de registro de desplazamiento" en lugar de "píxeles", ya que los paquetes de carga no se mueven a través de regiones fotoactivas en la arquitectura de transferencia entre líneas).
El proceso comienza en lo que llamaremos Etapa 1. El reloj A y el reloj B son altos, y el reloj C y el reloj D son bajos. (Recuerde que "alto", que significa mayor voltaje, crea un pozo potencial que atrae electrones, y "bajo" crea una barrera potencial que bloquea los electrones).
Antes de continuar, eche un vistazo al siguiente diagrama y consúltelo a medida que avanzamos por las siguientes tres etapas.

En Nivel 1, la carga se acumula en el pozo potencial debajo de las Puertas A y B, y no puede moverse porque está bloqueada por la barrera debajo de las Puertas C y D.
En Etapa 2, El reloj A baja y el reloj C sube. Los relojes B y D no cambian. Esto mueve todos los electrones un paso hacia la derecha, porque ahora hay un pozo debajo de las puertas B y C y una barrera debajo de las puertas A y D.
En Etapa 3, El reloj B baja y el reloj D sube. Hemos empujado los electrones un paso hacia la derecha nuevamente, porque ahora el pozo potencial está bajo las puertas C y D.
En Etapa 4, El reloj A sube y el reloj C baja. Ahora tenemos un pozo potencial que se extiende desde la puerta D de un píxel hasta la puerta A del siguiente píxel.
Etapa 5 es lo mismo que la Etapa 1. La carga se transfiere completamente al píxel adyacente y el ciclo continúa.

Reloj de tres, dos y una fase
El problema con el esquema de cuatro fases es que la resolución del sensor está restringida por la necesidad de tener cuatro puertas en cada píxel. Podemos disminuir el tamaño de los píxeles y, por lo tanto, aumentar la densidad de píxeles al reducir la cantidad de relojes necesarios para la transferencia de carga, pero para reducir la cantidad de relojes, los voltajes aplicados deben volverse más complejos.
Las alternativas al control de cuatro fases son el control trifásico, pseudo-bifásico, verdadero-bifásico y de fase virtual (es decir, de un solo reloj). Con respecto a los sensores CCD mencionados anteriormente como ejemplos, el KAI-1020 usa un reloj de dos fases, el ICX059CL usa un reloj de cuatro fases, y el TC281 usa un esquema que TI describe como reloj de "fase virtual avanzada patentada".

Conclusión

Ahora que hemos discutido los voltajes de control y las configuraciones de reloj de transferencia de carga, estamos listos para explorar la señal de salida analógica generada por un sensor de imagen CCD. Este será el tema del próximo artículo.