在之前的文章中，我们讨论了 图像技术 并重点关注电荷件或 CCD。我们介绍了CCD 的类型，以及 CCD 的结构和操作、架构以及读出期间使用的控制信号。
　我在这些文章中强调的一件事是 CCD 内生成和传输的信息的性质：我们处理的是电荷，而不是电压或电流。当入射光子产生电子时，会形成离散的电荷包，这些电子在势阱和势垒的影响下在 CCD 的移位寄存器内移动。
　　将电荷转换为电压
　为了将这种基于电荷的数据合并到典型的基于电压的电子电路中，我们需要一个电荷，即一种可以接受电子包作为输入并产生电压信号作为输出的设备。　
　无损放大器
　CCD 电荷放大器分为两类：非破坏性和破坏性。无损放大器在测量电荷量的过程中不会破坏电荷包，这使得单个像素的值可以被多次读取。这可能看起来不是一个特别有价值的特性，但它在涉及非常弱的视觉信号的专门应用中非常有用，因为通过对这些重复测量进行平均，我们可以实现极低的读出噪声。　
　破坏性增幅器
　尽管“破坏性”一词有负面含义，但这些类型的电荷放大器非常有效，并且是绝大多数 CCD 应用的。它们具有破坏性，因为给定像素的电荷仅被测量。
　下图展示了常见的破坏性电荷放大器的结构。
　

　

　这称为浮动扩散放大器。浮动扩散区是不与电路的其他部分电连接的硅区域。因此，它是“浮动的”，就像我们说 IC 引脚如果未连接则处于浮动状态。
　浮动扩散具有一定的电容，当它接收到电荷包时，其电压根据典型的电容方程发生变化：　
　\[V=\frac{Q}{C}\]　
　请记住，我们正在将电子移动到浮动扩散中，因此电荷为负并且电压降低。浮动扩散的电容很小，这是理想的，因为较小的电容会导致电压相对于电荷的更大变化。我查看的一份 CCD 数据表表明，每个电子提供给电荷放大器的电压变化约 20 μV。   
　假设一包电荷刚刚被存入浮动扩散区。M2的栅极没有电流流入，M1处于截止状态，电荷无法从浮动扩散区排出。与像素电荷量相对应的电压成为M2的输入信号，M2被配置为源极跟随放大器。
　我们有很多像素需要读出，因此在外部电路处理缓冲的输出电压后，我们需要保持电荷包装配线的移动。施加到 M1 栅极的复位信号允许浮动扩散中的电荷流向复位电压节点：

　

　当当前像素的所有电荷都被清除后，我们可以移入下一个电荷包，然后继续循环。　
　CCD输出信号
　CCD 执行的读出操作会产生具有非常特殊形状的模拟输出波形。如果在某个时候您需要在实验室中花费很长时间查看 CCD 信号，那么这种波形就会在您的记忆中留下深刻的印象，并与数字成像相关。这是总体思路：

　

　
　该图未指示任何实际电压值，原因有两个：首先，输出信号的 DC 偏移因 CCD 的不同而不同，并且可以通过外部电路进行偏移。其次，信号以差分方式采样，这意味着数字像素值不取决于电压，而是取决于两个单独采样时刻的电压之差。我们将在下一篇文章中详细讨论这一点。
　CCD 输出波形每个像素由三个部分组成。
　个（对应于图中所示的幅度部分）称为复位毛刺。我认为出现这种情况是因为施加到 M1 的复位脉冲通过 FET 电容耦合并产生寄生瞬态电压。
　第二部分称为复位电平或参考电平。这两个名称都很有意义，因为在波形的这一部分期间，信号保持在复位电压，并且该复位电压充当采样参考。
　三是数据层面。这是我们实际看到与给定像素接收到的光量相对应的模拟电压值的地方。
　

　　

　结论
　我们已经介绍了电荷放大器和 CCD 产生的模拟波形的基本特征。在下一篇文章中，我们将讨论能够从 CCD 信号中提取高质量数字数据的技术。