本文就图像传感器芯片的CCD内部的通过光产生电荷的运动进行了详细的讨论。

不是典型的时钟信号

在本次讨论中，我犹豫使用“时钟”一词，因为在我看来，时钟信号几乎始终是与典型数字电路相互作用的逻辑电平波形。

CCD电压非常多，属于“非标准”种类。高电平时钟电压通常大于我们用于CMOS逻辑的电压，而低电平电压是低于接地参考电压以下。

安森美半导体的KAI-1020：这是一种行间传输设备，分辨率为1000×1000有效像素。控制电压范围为–9 V至+15V。但是，施加到芯片的控制信号为5 V。内部驱动器将逻辑信号转换为电荷传输门所需的电压电平。

您可能会喜欢从KAI-1020的数据表中获得的这种行间转移CCD的光滑3D表示形式。

Sony的ICX059CL：这是用于单色摄像机的752×582像素的行间传输CCD。如果我正确地理解了数据手册，它将使用15 V将电荷包从光电二极管传输到垂直移位寄存器，将–8.5 V至0 V用于垂直传输时钟，将0 V至5 V用于水平传输。下图显示了该设备的整体架构。

该图取自ICX059CL 数据表。

德州仪器（TI）的TC281：此1000×1000像素图像传感器使用帧传输架构。大多数时钟的低电平为–10 V，高电平为+2V。

用×符号标记的部分是感光像素的阵列，下半部分是存储阵列。该图取自TC281 数据表。

读出时钟配置

让我们回到半导体层面，讨论我们如何使电荷包从像素移动到输出端。我们知道，这是通过施加电压序列来实现的，这些电压序列又创建了势阱和势垒的序列，但是事实证明，存在几种不同的方式来创造必要的电势变化。

四相时钟

最简单的方法使用四个时钟相位。我们将详细考虑四阶段方法，然后我将简要提及其他方案。

如下图所示，四相CCD在每个像素中都有四个门。因此，需要四个施加到像素的四个不同部分的单独的时钟信号来将电荷分组移动到相邻像素中。

（请注意，如果这是行间传输CCD，我们可以说“移位寄存器部分”而不是“像素”，因为电荷包不会在行间传输体系结构中穿过光敏区域。）

该过程从我们称为阶段1开始。时钟A和时钟B为高电平，时钟C和时钟D为低电平。（请记住，“高”是指较高的电压，会形成一个势能阱吸引电子，而“低”会形成势垒来阻挡电子。）

在继续之前，请查看下图，并在我们完成接下来的三个阶段时参考它。

在阶段1中，电荷在门A和B下方的势阱中累积，并且由于在门C和D下方的势垒被阻挡而无法移动。

在阶段2中，时钟A变为低电平，时钟C变为高电平。时钟B和D不变。这使所有电子向右移动一步，因为现在在B和C闸门下方有一个阱，在A和D闸门下方有一个势垒。

在阶段3中，时钟B变为低电平，时钟D变为高电平。我们将电子再次向右移动了一步，因为现在的势阱在C和D门下方。

在阶段4中，时钟A变为高电平，而时钟C变为低电平。现在我们有一个势阱，从一个像素的门D延伸到下一个像素的门A。

阶段5与阶段1相同。电荷被完全转移到相邻像素，并且该循环继续进行。

三相，二相和一相时钟

四阶段方案的问题在于，传感器分辨率受每个像素中具有四个门的需求所限制。我们可以通过减少电荷转移所需的时钟数来减小像素大小，从而增加像素密度，但是为了减少时钟数，施加的电压必须变得更加复杂。

四相控制的替代方法是三相，伪两相，真两相和虚拟相（即单时钟）控制。以上面提到的CCD传感器为例，KAI-1020使用两相时钟，ICX059CL使用四相时钟，而TC281使用TI描述为“专有高级虚拟相”时钟的方案。