带你认识CCD、EMCCD、CMOS和sCMOS
电荷耦合器件（Charge-coupled Device, CCD）是由贝尔实验室的威拉德·波伊尔和乔治·史密斯发明的。CCD是一种在光电效应基础上发展起来的半导体光电器件，自20世纪70年代后期开始广泛应用于天文观测，相较照相底片和光电倍增管，它具有量子效率高、动态范围大、线性好等优点。
图1. CCD的发明人威拉德·波伊尔（左）和乔治·史密斯（右），二人因此工作获得2009年诺贝尔物理学奖[1]
CCD的工作过程主要包括：电荷产生、电荷收集、电荷包转移和电荷包测量。光子入射到CCD上激发光电子，光电子被收集在一起形成电荷包，电荷包依次从一个像素转移到另一个像素，最终传输到输出端，完成对电荷包的测量，如图2所示[2]。
图2. CCD的工作过程：电荷产生、电荷收集、电荷包转移和电荷包测量[2]
CCD的分类
CCD种类有很多，天文观测中常用的有全帧CCD (Full-Frame CCD, FFCCD)，电子倍增CCD (Electron-Multiplying CCD, EMCCD)等。
全帧CCD具有高密度像素阵列，能够产生高分辨率的数字图像。全帧CCD在读取时，积累的电荷必须首先垂直转移到下一行，由串行读出寄存器水平读出每个像素，重复上述步骤，直至全部转移完毕，这称为“逐行扫描”，如图3所示。由于全帧CCD所有像素都参与感光，因此在电荷传输时，这些像素将被用于处理电荷传输而不能继续捕捉新的影像。这时如果探测器继续接受光线，就会影响成像质量，所以全帧CCD需要配备机械快门，用于探测器读出过程中遮挡入射光。机械快门的缺点是存在快门效应、故障率高、使用寿命有限等。
图3. 全帧CCD图像读出过程示意图[4]
EMCCD主要包括成像区、存储区和输出放大器。不同于全帧CCD，EMCCD在串行读出寄存器和输出放大器之间有数百个增益寄存器，在增益寄存器中分布有倍增电极，作用是加速载流子，高速的电荷会激发更多的载流子，从而实现信号放大，如图4所示[5]。
图4. EMCCD结构示意图[5]
EMCCD的典型工作模式为感光区按照指定曝光时间积分，待曝光结束后感光区电荷迅速转移到存储区，感光区可立刻进入下一次曝光；与此同时，存储区的电荷从上到下逐行进行转移；在读出过程中电荷转移至增益寄存器进行放大并读出。这种工作模式读出速度快，可以无需机械快门，通常可以每秒获取十几张图像，能够满足一些科学目标对短曝光、快读出的需求。
在弱光成像时，EMCCD相较CCD具有更高的灵敏度，这是由于EMCCD可以在不增加读出噪声的情况下，通过增益寄存器放大来提高图像的信噪比，而CCD只能通过增加曝光时间提高信噪比；但在观测较亮目标时，EMCCD在信号放大过程中会引入其它噪声，在相同曝光时间下，CCD或许是更好的选择。
CMOS与sCMOS
互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, CMOS)诞生于20世纪80年代。CMOS图像生成机理同样是光电效应，它的工作过程也包括电荷产生、电荷收集、电荷包转移和电荷包测量。与CCD不同的是CMOS每个像素都集成了模拟电路，四个过程在一个像素里完成，即每个像素输出的是转换完的电压信号。
图5. CCD将电荷逐行扫描至输出放大器，然后将其转换为电压信号; CMOS则在像素内将电荷转换为电压信号[6]
由于结构上的差异，传统CMOS相机与CCD相机相比噪声高、填充因子低、量子效率低、动态范围小等，所以没有被广泛应用于专业天文观测。上世纪90年代末，随着手机摄像功能的开发，以及手机行业的快速发展，CMOS技术发展迅速，CMOS缺点得到了有效改善。2009年出现了科学级CMOS（scientific CMOS, sCMOS）技术，该技术基于CMOS的架构，通过片上相关多采样来降低噪声、调整半导体掺杂比例等提高像素满阱容量、大小增益双路读出合成高动态范围图像技术提高动态范围、二维无缝拼接技术实现大靶面等，克服了CMOS的一些缺点，实现了低噪声、高帧频、高动态范围、高分辨率、大靶面等。sCMOS作为CMOS一种类型，主要应用于科研领域。
CMOS应用电子快门，如卷帘快门和全局快门。对于卷帘快门来说，图像是逐行读出的，这与机械快门很像，在拍摄快速移动的物体时会出现斜坡图像、晃动等现象。全局快门像素在曝光时间积累电荷，曝光结束后所有像素同时重置、同时传输到存储区域并读出，所以拍摄快速移动物体没有变形。相比全局快门像素，卷帘快门像素读出噪声低、读出速度快，适合拍摄与相机相对静止或者一些要求低噪声和高帧频的目标图像；全局快门像素则更适合拍摄与相机之间具有相对高速运动的目标图像。电子快门相较机械快门，无需考虑快门效应和快门寿命，在实际使用中可以实现短曝光，同时维护、维修方便。
图6. 使用卷帘快门在拍摄快速移动物体时会出现变形，全局快门则不会[7]
目前sCMOS已被广泛应用于生物、物理等科研领域，而CMOS则取代了CCD，成为了民用领域最主要的感光器件。天文专用相机与生活中常见的消费级数码相机差别较大，主要区别有：1. 天文专用相机使用的感光芯片像素较大（较大的像素通常具有较大的满阱电荷）、噪声较低，所以具有较大的动态范围；使用16-bit模拟/数字转换器，可以获得16-bit的数字图像；除此之外，还具有线性好、量子效率高等优点；2.天文专用相机通常需要对感光芯片进行深度制冷，来降低暗电流，芯片需封装在密闭空间里，所以体型较大、结构复杂等；3.天文专用相机需要连接电脑，使用专用控制软件对其设置、拍摄及显示等。
图7. 左为科学级天文专用相机，右为消费级数码相机（图源：网络）
图8. 使用天文专用相机拍摄的“梅西耶天体M81和M82”（图源：邱鹏 摄，使用器材：106mm口径望远镜、LRGB滤光片和天文专用制冷 CCD，LRGB四通道总曝光时间约28小时，单次最长曝光时间30分钟）
图9. 使用数码单反相机拍摄的“沙漠中的银河”（图源：邱鹏 摄，使用器材：数码单反相机，参数设置：焦距14mm、光圈f/2.8、ISO6400、曝光时间30秒）
小结
全帧CCD、EMCCD，CMOS和sCMOS作为半导体感光器件，因其结构不同，特点不同。在实际天文观测中，根据观测需求选择合适的探测器，才能事半功倍。
参考文献：
[1] http://tech.sina.com.cn/digi/dc/2009-10-09/05373490569.shtml
[2] James Janesick. Dueling Detectors. SPIE, 2002: pp30-33
[3] C.R Kitchin编著，杨大卫等译，胡景耀等校. 天体物理方法. 原书第四版. 科学出版社，2009，1-23,149-160
[4] Introduction to CCDs，
http://spiff.rit.edu/classes/ast613/lectures/ccds_kids/ccds_kids.html
[5] What is an Electron Multiplying CCD (EMCCD) Camera,
https://andor.oxinst.com/learning/view/article/electron-multiplying-ccd-cameras
[6] Dave Litwiller, Dalsa. CMOS vs. CCD: Maturing Technologies, Maturing Markets. Phoeonics Spectra. 2005
[7] Rolling shutter VS Global shutter,
https://www.premiumbeat.com/blog/know-the-basics-of-global-shutter-vs-rolling-shutter/
作者简介：邱鹏，中国科学院国家天文台工程师，主要从事科学级天文探测器性能检测与应用、天文望远镜控制、天文技术与方法研究。
文稿编辑：赵宇豪
来源： 光明网
干货 这可能是最全的EMC基础知识总结
传导与辐射
电磁干扰(Electromagnetic Interference)，简称EMI，有传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰主要是电子设备产生的干扰信号通过导电介质或公共电源线互相产生干扰；辐射干扰是指电子设备产生的干扰信号通过空间耦合把干扰信号传给另一个电网络或电子设备。为了防止一些电子产品产生的电磁干扰影响或破坏其它电子设备的正常工作，各国政府或一些国际组织都相继提出或制定了一些对电子产品产生电磁干扰有关规章或标准，符合这些规章或标准的产品就可称为具有电磁兼容性EMC(Electromagnetic Compatibility)。电磁兼容性EMC 标准不是恒定不变的，而是天天都在改变，这也是各国政府或经济组织，保护自己利益经常采取的手段。
EMC标准及测试
国际标准
1、国际电工委员为IEC
2、国际标准华组织ISO
3、电气电子工程师学会IEEE
4、欧盟电信标准委员会ETSI
5、国际无线电通信咨询委员CCIR
6、国际通讯联盟ITU
6、国际电工委员会IEC有以下分会进行EMC标准研究
-CISPR：国际无线电干扰特别委员会
-TC77：电气设备（包括电网）内电磁兼容技术委员会
-TC65：工业过程测量和控制
国际标准化组织
1、FCC联邦通
2、VDE德国电气工程师协会
3、VCCI日本民间干扰
4、BS英国标准
5、ABSI美国国家标准
6、GOSTR俄罗斯政府标准
7、GB、GB/T中国国家标准
EMI测试
1、辐射骚扰电磁场（RE）
2、骚扰功率（DP）
3、传导骚扰（CE）
4、谐波电路（Harmonic）
5、电压波动及闪烁（Flicker）
6、瞬态骚扰电源（TDV）
EMS测试
1、辐射敏感度试验（RS）
2、工频次次辐射敏感度试验（PMS）
3、静电放电抗扰度（ESD）
4、射频场感应的传导骚扰抗扰度测试（CS）
5、电压暂降，短时中断和电压变化抗扰度测试（DIP）
6、浪涌（冲击）抗扰度测试（SURGE）
7、电快速瞬变脉冲群抗扰度测试（EFT/B）
8、电力线感应/接触（Power induction/contact）
EMC测试结果的评价
A级：实验中技术性能指标正常
B级：试验中性能暂时降低，功能不丧失，实验后能自行恢复
C级：功能允许丧失，但能自恢复，或操作者干预后能恢复
R级：除保护元件外，不允许出现因设备（元件）或软件损坏数据丢失而造成不能恢复的功能丧失或性能降低。
5、电压暂降，短时中断和电压变化抗扰度测试（DIP）
6、浪涌（冲击）抗扰度测试（SURGE）
7、电快速瞬变脉冲群抗扰度测试（EFT/B）
8、电力线感应/接触（Power induction/contact）
EMC基础理论
－电磁干扰的时域与频域描述 :时域特性
－电磁干扰的时域与频域描述 :频域特性
－电磁干扰的时域与频域描述 :周期梯形波的
－电磁干扰的时域与频域描述:宽带噪声
－电磁干扰的时域与频域描述:时钟与数据噪声
－分贝（dB）的概念
分贝是电磁兼容中常用的基本单位。
定义为两个功率的比：
传导干扰耦合形式
1、共阻抗耦合
-由两个回路经公共阻抗耦合而产生，干扰量是电流i，或变化的电流di/dt。
2、容性耦合
-在干扰源与干扰对称之间存在着耦合的分布电容而产生，干扰量是变化的电场，即变化的电压du/dt。
3、感性耦合
-在干扰源与干扰对称之间存在着互感而产生，干扰量是变化的磁场，即变化的电流di/dt。
－电场与磁场
电场：导体之间的电压产生电场
-电场强度单位：V/m
磁场：导体上的电流产生磁场
-磁场强度单位：A/m
波阻抗：Zo=E/H
差模辐射与共模辐射
1、差模辐射：电流在信号环路中流动产生
2、共模辐射：由于导体的电位高于参考电位产生
3、PCB主要产生差模辐射
4、线缆主要产生共模辐射
5、差模辐射电场的计算
其中 ：
E:电场强度(V/m)
f :电流的频率(MHz)
A:电流的环路面积(cm2)
I :电流的强度(mA)
r :测试点到电流环路的距离(m)
6、共模辐射电场的计算
其中 ：
E:电场强度(V/m)
f :电流的频率(MHz)
L:电缆的长度(m)
I :电流的强度(mA)
r :测试点到电流环路的距离(m)
7、屏蔽的基本理论和设计要点
7.1屏蔽效能计算公式：
SE(dB)= R(dB)+A(dB)+B(dB)
R(dB)-reflection loss
A(dB)-absorption
B(dB)-re-reflection loss
7.2屏蔽设计的基本原则：
a、屏蔽体结构简洁，尽可能减少不必要的孔洞，尽可能不要增加额外的缝隙；
b、避免开细长孔，通风孔尽量采用圆孔并阵列排放。屏蔽和散热有矛盾时尽可能开小孔，多开孔，避免开大孔；
c、足够重视电缆的处理措施，电缆的处理往往比屏蔽本身还重要；
d、屏蔽体的电连续性是影响结构件屏蔽效能最主要的因素，相对而言，一般材料本身屏蔽性能以及材料厚度的影响是微不足道的（低频磁场例外）；
e、注意控制成本；
EMC屏蔽设计
1、通风孔及开口设计
2、结构搭接缝屏蔽设计
3、电缆从屏蔽体内穿出
如果导体从屏蔽体中穿出去，将对屏蔽体的屏蔽效能产生显著的劣化作用。这种穿透比较典型的是电缆从屏蔽体中穿出。
4、穿出屏蔽体电缆的设计原则：
a、采用屏蔽电缆时，屏蔽电缆在出屏蔽体时，采用夹线结构，保证电缆屏蔽层与屏蔽体之间可靠接地，提供足够低的接触阻抗。
b、采用屏蔽电缆时，用屏蔽连接器转接将信号接出屏蔽体，通过连接器保证电缆屏蔽层的可靠接地。
c、采用非屏蔽电缆时，采用滤波连接器转接，由于滤波器通高频的特性，保证电缆与屏蔽体之间有足够低的高频阻抗。
d、采用非屏蔽电缆时，电缆在屏蔽体的内侧（或者外侧）要足够短，使干扰信号不能有效地耦合出去，从而减小了电缆穿透的影响。
e、电源线通过电源滤波器出屏蔽体，由于滤波器通高频的特性，保证电源线与屏蔽体之间有足够低的高频阻抗。
f、采用光纤出线。由于光纤本身没有金属体，也就不存在电缆穿透的问题。
5、不良接地
6、屏蔽材料及应用（导电布、簧片、导电橡胶）
7、截止波导通风板
8、良好接地
EMC接地设计
1、接地的概念及目的
a、一是为了安全，称为保护接地。电子设备的金属外壳必须接大地，这样可以避免因事故导致金属外壳上出现过高对地电压而危及操作人员和设备的安全。
b、二是为电流返回其源提供低阻抗通道，即工作接地。
c、防雷接地，为雷击提供电流泄放。
2、接地提供信号回流
3、单点接地
适用于工作频率1MHz以下系统
4、多点接地及混合接地
EMC滤波设计
1、滤波
a、滤波电路是由电感、电容、电阻、铁氧体磁珠和共模线圈构成的频率选择性网络，阻止某段频率范围内的信号沿线传递。
b、 滤波电路种类：反射、吸收。
2、滤波器件
a、电容（通用电容、三端电容）
b、电感（通用电感、共模电感、磁珠）
c、电阻
3、基本的滤波形式
4、差模滤波与共模滤波设计：
5、电容和三端电容特性
6、共模扼流圈
7、铁氧体磁珠
EMC PCB 设计
1、PCB设计
a、布局：同类电路布在一块、控制最小路径原则、高速电路间不要靠近小面板、电源模块靠近进单盘的位置
b、分层：高速布线层必须靠近一层地、电源与地相邻、元件面下布一层地、近可能将两个表层布地层、内层比表层缩进20H
c、布线：3W原则、差分对线等长，靠近走、高速或敏感线不能 跨分割区
d、接地：同类电路单独分布地，在单板上单点相连
e、滤波：电源模块、功能电路设计板级虑波电路
f、接口电路设计：接口电路设计滤波电路、实现内外有效隔离
2、布局的基本原则：
a、参照原理功能框图，基于信号流向，按照功能模块划分
b、数字电路与模拟电路、高速电路与低速电路、干扰源与敏感电路分开布局
c、单板焊接面避免放置敏感器件或强辐射器件
d、敏感信号、强辐射信号回路面积最小
e、晶体、晶振、继电器、开关电源等强辐射器件或敏感器件远离单板拉手条、对外接口连接器、敏感器件放置，推荐距离≥1000mil
f、敏感器件：远离强辐射器件，推荐距离≥1000mil
g、隔离器件、A/D器件：输入、输出互相分开，无耦合通路（如相邻的参考平面），最好跨接于对应的分割区
3、特殊器件布局
a、电源部分（置于电源入口处）
b、时钟部分（远离开口，靠近负载，布线内层）
c、电感线圈（远离EMI源）
d、总线驱动部分（布线内层，远离开口，靠近宿）
e、滤波器件（输入、输出分开，靠近源，引线短）
4、滤波电容的布局：BULK电容：
a、所有分支电源接口电路
b、功耗大的元器件附近
c、存在较大电流变化的区域，如电源模块的输入和输出端、风 扇、继电器等
d、PCB电源接口电路
5、、去藕电容的布局：
a、靠近电源管脚
b、位置、数量适当
6、接口电路的布局的基本原则：
接口信号的滤波、防护和隔离等器件靠近接口连接器放置，先防护，后滤波
接口变压器、光耦等隔离器件做到初次级完全隔离
变压器与连接器之间的信号网络无交叉
变压器对应的BOTTOM层区域尽可能没有其它器件放置
接口芯片（网口、E1/T1口、串口等）尽量靠近变压器或连接器放置
7、布线
走线短，不同类走线间距宽（信号及其回流线、差分线、屏蔽地线除外），过孔少，无环路，回路面积小，无线头
有延时要求的走线，其长度符合要求
无直角，对关键信号线优先采用圆弧倒角
相邻层信号走线互相垂直或相邻层的关键信号平行布线≤1000MIL
走线线宽无跳变或满足阻抗一致
各国产品安全和EMC认证组织
-欧美：CE
-美国：FCC&UL，NEBS
-日本：VCCI
-澳大利亚：CE
-中国：CCC
-台湾：CE
产品认证流程
-认证申请
-提交认证材料（认证标准、产品使用手册等）
-产品测试
-完成测试报告
-颁发认证证书
-产品发布
EMC工程师八个技能
1、EMC的基本测试项目以及测试过程掌握；
2、产品对应EMC的标准掌握；
3、产品的EMC整改定位思路掌握；
4、产品的各种认证流程掌握；
5、产品的硬件硬件知识，对电路（主控、接口）了解；
6、EMC设计整改元器件（电容、磁珠、滤波器、电感、瞬态抑制器件等）使用掌握；
7、产品结构屏蔽设计技能掌握；
8、对EMC设计如何介入产品各个研发阶段流程掌握。
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