ＣＣＤ摄像机维修技术的探讨

引言

　　1970年美国贝尔实验室研制出了第1块CCD固体摄像器件，1983年美国RGA公司推出了3板式CCD彩色摄像机，90年代初专业级CCD彩色摄像机开始进入我国电视领域。随着电子技术的发展，CCD摄像机性能不断提高，专业摄像管摄像机正被CCD摄像机所取代。目前，我国各级电视台常见的CCD摄像机机型有:松下公司的AQ-11D、AQ-20D、F-700、AJ-D700，索尼公司的DXC-537、DXC-637、DSR-300、DNW-7P，日立公司的Z-ONE系列、SK-F2、SK-F3、SK-F300、池上公司的HL-43、HL-55等，品种已有数十个。CCD摄像机也会出问题，最棘手的是CCD组件出故障。CCD组件是摄像机上最重要、最昂贵的部件。1993年以前，日本摄像机生产厂家均要求将出故障的CCD组件寄送日本工厂修理。这就产生了两个问题，1是维修费用高(约需人民币3万元)，2是维修周期长(需要4～６个月)。能不能自己动手解决修理问题，那就要知晓CCD的基本工作原理。

　　１ＣＣＤ基本工作原理

　　ＣＣＤ是电荷耦合器件(Ｃｈａｒｇｅ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｄｅｖｉｃｅ）的缩写。它具有进行光-电转换、信息存贮、扫描读取3大功能。

　　１．１ＣＣＤ的光-电转换功能

　　如图1所示，在P型单晶硅的衬底上做一层绝缘氧化膜，通过活化置换技术，再在氧化膜表面做出许多排列整齐的可透光的电极，当光线通过时，氧化膜与P型单晶硅之间产生电荷，其电荷的数量与光照强度及照射时间成正比，这就是ＣＣＤ的光电转换功

　　１．２ＣＣＤ的电荷存贮功能

　　如图2所示，若在电极加上一个适当的正电压，则在电极和衬底之间产生一个电场，这个电场在P型硅中将载流子带正电的空穴排斥到衬底电极一边，在电极下硅衬底表面形成一个没有可动空穴的带负电的区域，这个区域称作电荷耗尽区，这就是能够吸引电子的势阱，电极上所加的电压越高，势阱越深，电荷留在阱内量越多，只要电压存在，电子就能储存在势阱里，当景物的光照射到ＣＣＤ时，具有光敏特性的P型硅在光量子的激发下产生电子-空穴对，空穴移向衬底而消失，电子进入势阱并存储在那里，由于绝缘氧化物层使得电子不能穿过而到达电极，因此存贮在势阱里的电子形成了电荷包，其电荷量的多少与光照强度成正比，于是所有电极下的电荷包就组成了与景物相对应的电荷像。

　　１．３ＣＣＤ的电荷转移功能

　　势阱的深浅由电极上所加电压的大小决定。电荷在势阱内可以流动，它总是从相邻浅阱里流进深阱中，如图3所示，这种电荷流动称为电荷转移。若有规律改变电极电压，则势阱的深度就会随之变化，势阱内电荷就可以按人为确定的方向转移，直到最终由输出端输出。这就是CCD的电荷转移原理。

　　电荷转移又分单相驱动、双相驱动、三相驱动及四相驱动等多种方式，除了电极构造及所加电压波形不同以外，其转移原理是一样的。四相驱动方式的驱动电路比较复杂，但相邻势阱的深度差较大，电荷的存贮量也大，容易实现隔行扫描，在专业级摄像机中应用较为广泛。四相驱动方式即将绝缘层上的电极按列的方式每四个分为一组，形成一个象素单元，每组电极分别加上不同的偏置电压，则在电极下绝缘膜与P型硅之间就产生不同深度的势阱，如果有规律地改变电极上的电压值，使势阱产生变化，就可以使电子定向移动，这也就是CCD的扫描读出原理。CCD根据转移电极结构及转移方式的不同又分成帧转移(FT)方式;行间转移(IT)方式；帧行间转移(FIT)方式。

　　２有关实际电路

　　为了便于探讨问题，我们以市场拥有量较大的日立电子公司产品，Z-ONE-A摄像机为例，该摄像机的框图如图4所示:
　　我们所讨论的ＣＣＤ组件，它分2个单元。传感器(电荷耦合器件)单元和传感器驱动单元。

　　２．１传感器单元(电路图略)

　　来自于传感器驱动单元的场驱动脉冲ΦＶ１～ΦＶ４、行驱动脉冲ΦH1～ΦH2、复位脉冲ΦR加到传感器IC1上。取样脉冲DS1、DS2供给CDS和复位电路。视频信号从CCD的④脚输出，经CDS和复位电路送往预放大电路。Q3～Ｑ８构成的CDS和复位电路能消除ＣＣＤ产生的随机噪声并能改善水平分辩率。

　　２．２传感器驱动单元

　　该单元向ＣＣＤ单元提供所需要的脉冲和电压。场驱动脉冲发生器IC301产生场驱动脉冲ΦＶ１～ΦＶ４、ＣＨＳ脉冲;行驱动脉冲发生器IC302产生行驱动脉冲ΦH1～ΦH2、取样脉冲ＤＳ１、ＤＳ２、复位脉冲ΦR。

　　3 举例分析说明

　　根据ＣＣＤ的基本工作原理，下面再举些ＣＣＤ组件故障实例做进一步的讨论。

　　故障现象1:摄像机输出图像拖尾且模糊不清。

　　分析:图像发生拖尾现象是ＣＣＤ的转移功能出了问题，势阱中光-电转换产生的电荷不能被及时转移泄漏掉;而图像模糊不清是由于势阱中的电荷达到饱和状态并溢出进入相邻的像素单元及垂直移位寄存器等处所致。摄像机的传感器单元其势阱下部都设置了由P-N结组成的泄漏沟道。就Z-ONE-A讲，当R、G、B 3路信号均不正常时，首先应当检查驱动电路送往传感器单元的4组电压是否达到标称值，若4组电压正常，接下来就要查各路输出脉冲的幅度及波形。

　　检查后实际情况是:驱动单元输出的ΦV2、ΦV4几乎没有，即IC101的第2、19脚脉冲波形幅度太小。而IC101第10、11脚ΦV2、ΦV4的输入脉冲波形幅度正常。测得IC101第1脚工作电位只有－2V，正常值应为－8.8V。Q102是IC101的供电电压调整管，它的基极由于R102的阻值变大而电位变高，造成IC101工作电压太高，使之不能正常工作。造成IC101的输出脉冲ΦV2、ΦV4波形幅度不正常。更换R102后，故障现象消失。

　　故障现象2:输出图像有彩色勾边。

　　分析:可先用示波器对预放大／ＰＲＡ板进行检查，观察比较输入的R、G、B 3路波形是否正常一致。若二路波形正常，仅一路波形异常有杂波，就可以判定摄像机电源提供给CCD单元所需的工作电压是正常的，也可以判定提供行、场脉冲信号的SG／ＧＬ板和ＣＣＤ驱动单元没有问题，问题出在CCD组件内部。就可以根据具体情况直接去检查波形异常的那一路电路。如果输出图像有蓝色勾边就直接去检查蓝路CCD单元传感器IC1各脚的直流工作电位。检查方法同上例相似。

　　检查后实际情况是:IC1的第1脚直流工作电位明显小于正常值（＋６Ｖ）。检查发现R17被附近电解电容的漏液腐蚀，造成阻值变大。使复位脉冲ΦR不能正常送到IC1的1脚，造成势阱中光-电转换产生的电荷不能及时被转移泄漏掉，引起输出图像有蓝色勾边故障。更换R17后，IC1的第1脚直流工作电位恢复到正常值，故障现象消失。