電荷耦合器件（CCD）是大多數(shù)消費(fèi)類(lèi)成像系統(tǒng)的首選圖像傳感器。CCD的輸出信號(hào)需要一個(gè)獨(dú)特的、主要是模擬的信號(hào)處理鏈。起初，處理是用標(biāo)準(zhǔn)的線性元件實(shí)現(xiàn)的：運(yùn)算放大器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、模擬乘法器和模擬開(kāi)關(guān)。隨著時(shí)間的流逝，半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和技術(shù)的進(jìn)步使得將它們結(jié)合到更完全集成的CCD信號(hào)處理方法中成為可能。如今，從CCD的輸出到A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出，所需的所有信號(hào)處理步驟都可以通過(guò)單個(gè)集成電路完成。ADI公司的CCD成像應(yīng)用集成解決方案保留了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的性能，但可大幅節(jié)省成本、功耗和尺寸。

處理CCD信號(hào)

要了解集成信號(hào)處理組件必須提供的功能，請(qǐng)考慮圖1所示的典型CCD輸出波形。CCD的輸出級(jí)通過(guò)檢測(cè)電容CS將每個(gè)像素（圖像元件）的電荷轉(zhuǎn)換為電壓。在每個(gè)像素周期開(kāi)始時(shí)，CS上的電壓被復(fù)位到參考電平，從而導(dǎo)致復(fù)位饋通毛刺。每個(gè)像素感測(cè)的光量由參考電壓電平和數(shù)據(jù)電壓電平之間的差異來(lái)測(cè)量。精確恢復(fù)和數(shù)字化CCD信號(hào)需要多種操作，包括相關(guān)的雙采樣和直流恢復(fù)（箝位）、增益、偏移和A/D轉(zhuǎn)換。

圖1.CCD輸出級(jí)。

相關(guān)雙采樣（CDS）有兩個(gè)重要用途：它計(jì)算CCD信號(hào)的參考電平和數(shù)據(jù)電平之間的差異，并減少CCD信號(hào)中的一些噪聲成分。從概念上講，CDS是一種差分時(shí)間放大器：它對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行單獨(dú)的采樣，并輸出它們之間的差值。圖2顯示了使用兩個(gè)采樣保持放大器（SHA）和一個(gè)差動(dòng)放大器（許多可能的拓?fù)渲唬┑腃DS的簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)。

圖2.相關(guān)雙重采樣。SHA1 對(duì)參考電平進(jìn)行采樣，對(duì)數(shù)據(jù)電平進(jìn)行采樣，SHA2 對(duì)數(shù)據(jù)電平進(jìn)行采樣。差動(dòng)放大器減去采樣，以測(cè)量光強(qiáng)度，從而降低共模噪聲。

通過(guò)取CCD信號(hào)的兩個(gè)樣本并減去它們，將與兩個(gè)樣本相關(guān)的任何噪聲源都將被移除。不相關(guān)的緩慢變化的噪聲源的幅度將減小。圖1所示CCD輸出級(jí)引入的噪聲主要包括來(lái)自電荷檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的kT/C噪聲，以及來(lái)自輸出放大器的1/f和白噪聲。來(lái)自復(fù)位開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻的kT/C噪聲在Sense節(jié)點(diǎn)上采樣，并一直保持到下一個(gè)像素。它將在參考和數(shù)據(jù)級(jí)別期間存在，因此它在一個(gè)像素周期內(nèi)相關(guān)，并由 CDS 刪除。CDS還將衰減來(lái)自輸出放大器的1/f噪聲，因?yàn)镃DS的頻率響應(yīng)會(huì)隨著頻率的降低而下降。CDS之前從電源和溫度漂移引入的低頻噪聲也會(huì)被CDS衰減。但CDS不會(huì)降低CCD引入的寬帶噪聲。

典型的 CCD 信號(hào)具有 3 到 9 伏或更高的直流偏移。這種幅度的直流偏移通常與CMOS信號(hào)處理IC不兼容，因?yàn)榇蠖鄶?shù)掃描儀和高端相機(jī)系統(tǒng)使用5 V電源作為信號(hào)處理器，而攝錄一體機(jī)和數(shù)碼相機(jī)使用低至2.7伏的電源。使用輸入“直流恢復(fù)”箝位的片內(nèi)交流耦合通過(guò)增加一個(gè)外部耦合電容即可實(shí)現(xiàn)必要的直流電平轉(zhuǎn)換。

CCD的暗電流導(dǎo)致CCD信號(hào)的參考電平和數(shù)據(jù)電平之間的差異，通常范圍為10至80 mV。如果不加以校正，該失調(diào)將減小系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍，特別是在施加增益后。模擬信號(hào)處理校正失調(diào)的平均值，保持動(dòng)態(tài)范圍。由于模擬域中大部分失調(diào)被移除，數(shù)字圖像處理電路可以在像素到像素的基礎(chǔ)上執(zhí)行精細(xì)的失調(diào)調(diào)整，以校正暗電流變化。

需要可編程增益放大器（PGA）來(lái)使CCD信號(hào)的最大幅度與A/D轉(zhuǎn)換器的滿量程電壓相匹配。用于掃描儀和數(shù)碼相機(jī)應(yīng)用的不同 CCD 的峰值跨度范圍為 100 mV 至 3 或 4 V。大多數(shù) CMOS A/D 轉(zhuǎn)換器的滿量程電壓范圍為 1 至 5 V。如果CCD信號(hào)僅跨越ADC滿量程范圍的25%，則將損失2位動(dòng)態(tài)范圍。PGA將CCD信號(hào)放大到適當(dāng)?shù)姆龋瑥亩试S使用ADC的全動(dòng)態(tài)范圍。

A/D轉(zhuǎn)換器將調(diào)理后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字表示，然后由外部應(yīng)用專(zhuān)用數(shù)字電路處理。A/D 轉(zhuǎn)換器所需的速度和分辨率基于應(yīng)用程序的像素速率和分辨率。最大動(dòng)態(tài)范圍為55-60 dB的CCD需要10位ADC，而動(dòng)態(tài)范圍為65-70 dB的CCD則需要12位ADC。可能需要額外的分辨率，以便為數(shù)字圖像處理留出余量。例如，數(shù)字升頻6 dB會(huì)使ADC的動(dòng)態(tài)范圍降低一位，因?yàn)橹荒苁褂?a href="http://www.asorrir.com/tags/模數(shù)轉(zhuǎn)換器/" target="_blank">模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入電壓范圍的一半。

ADI集成解決方案

ADI公司為掃描儀、數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)市場(chǎng)提供多種模擬前端（AFE）集成電路;它們包括上述所有信號(hào)處理步驟。工藝技術(shù)和電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的進(jìn)步使得這種集成水平可以在不犧牲性能的情況下在代工廠CMOS中實(shí)現(xiàn)。不久前，還需要更昂貴、更耗電的BiCMOS或雙極技術(shù)。通過(guò)將成功的ADC架構(gòu)與高性能CMOS模擬電路相結(jié)合，可以設(shè)計(jì)出完整的低成本CCD信號(hào)處理IC。

對(duì)于掃描器應(yīng)用，AD9807和AD9805（見(jiàn)表）于1996年底推出。這些器件具有三個(gè)用于處理彩色線性 CCD 的輸入通道，具有輸入鉗位、CDS、失調(diào)控制、PGA 和一個(gè) 12 位或 10 位 ADC。附加的操作模式允許與接觸式圖像傳感器（CIS）直接連接，這是另一種越來(lái)越受歡迎的圖像傳感器。該系列的最新產(chǎn)品是AD9816（圖3）。這款第二代產(chǎn)品的功能與AD9807類(lèi)似，但封裝更小，成本更低。

圖3.AD9816具有3通道同步采樣、單獨(dú)的每通道增益和失調(diào)調(diào)整、內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源和6 MHz、12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。板載寄存器使用3線串行接口進(jìn)行編程。

對(duì)于數(shù)碼相機(jī)（DSC）設(shè)計(jì)，AD9801于1997年初推出。雖然它具有與AD9807系列相同的基本功能，但它專(zhuān)為面陣CCD陣列而定制。采用單通道18 MHz架構(gòu)，具有30 dB可編程增益放大器、黑電平箝位環(huán)路和10位ADC。輸入范圍更小，以適應(yīng)區(qū)域CCD的較低輸出電壓，可編程增益范圍更寬，以便與使用相機(jī)的寬范圍照明條件兼容（掃描儀在更均勻的照明條件下工作）。電池供電所需的功耗較低，因此AD9801采用3 V單電源供電。

AD9802于1997年秋季推出，旨在同時(shí)用于DSC和便攜式攝像機(jī)設(shè)計(jì)。如圖4所示，AD9802具有AD9801的特性，還包括一個(gè)至10位ADC的多路復(fù)用直接輸入。便攜式攝像機(jī)應(yīng)用需要直接ADC輸入，以數(shù)字化來(lái)自磁帶或外部VCR的模擬視頻信號(hào)。目前正在對(duì)AD9803進(jìn)行采樣（在撰寫(xiě)本文時(shí)），增加了一個(gè)串行數(shù)字接口，用于對(duì)內(nèi)部寄存器進(jìn)行編程，并具有更高的采樣速率。

圖4.AD9802 CCD信號(hào)處理器的功能框圖

性能注意事項(xiàng)

成像應(yīng)用中特別關(guān)注的兩個(gè)重要特性是噪聲和非線性。

AFE中的噪聲包括來(lái)自所有模擬電路的寬帶噪聲、來(lái)自ADC的寬帶噪聲和來(lái)自ADC的量化噪聲。獨(dú)立的模數(shù)轉(zhuǎn)換器通常指定信噪比（SNR）或信噪失真（SINAD），但這些類(lèi)型的測(cè)量在成像應(yīng)用中并不完全有用。轉(zhuǎn)換器SINAD使用正弦波輸入進(jìn)行測(cè)試，包括模擬信號(hào)失真、積分和差分非線性（INL和DNL）引起的轉(zhuǎn)換器失真、量化噪聲和熱噪聲的影響。在某些情況下，為了減少熱噪聲的貢獻(xiàn)，需要平均多個(gè)數(shù)據(jù)記錄。

失真數(shù)字在成像應(yīng)用中并不重要，因?yàn)镃CD信號(hào)本質(zhì)上不是正弦的，并且ADC的前端僅在波形相對(duì)緩慢移動(dòng)的部分對(duì)CCD信號(hào)進(jìn)行采樣。CCD 系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員沒(méi)有使用傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器 SNR 測(cè)量，而是考慮了寬帶噪聲、量化噪聲和 DNL 誤差的影響。寬帶噪聲可以使用“接地輸入直方圖”測(cè)試進(jìn)行測(cè)量，在該測(cè)試中，器件的輸入接地，并獲取輸出數(shù)據(jù)的直方圖。直方圖的標(biāo)準(zhǔn)偏差將給出器件的均方根噪聲電平（不包括ADC量化噪聲）。低噪聲AFE的熱噪聲水平可以與其板載ADC的均方根量化噪聲相當(dāng)或更低。

AFE噪聲很重要，因?yàn)樗鼤?huì)影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。動(dòng)態(tài)范圍是通過(guò)比較系統(tǒng)中可以處理的最大信號(hào)和可以解析的最小信號(hào)電平來(lái)確定的。來(lái)自CCD和AFE（包括模擬信號(hào)處理和A/D轉(zhuǎn)換器）的噪聲會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的噪聲水平。CCD隨機(jī)噪聲通常由CCD制造商指定為mV或電子均方根的“本底噪聲”或“隨機(jī)噪聲”;CDS將降低kT/C和1/f噪聲貢獻(xiàn)。由于每個(gè)像素的暗電流變化引起的固定圖案噪聲在圖像中可能非常令人反感，如果不通過(guò)校準(zhǔn)技術(shù)降低，則應(yīng)將其包含在噪聲計(jì)算中。用于緩沖CCD輸出信號(hào)的放大器也會(huì)引入噪聲，盡管可以通過(guò)放大器選擇和電路技術(shù)將其降至最低。AFE的噪聲貢獻(xiàn)可以在產(chǎn)品的數(shù)據(jù)手冊(cè)中找到，也可以使用接地輸入直方圖測(cè)試進(jìn)行測(cè)量。ADC的分辨率將決定量化噪聲電平，量化噪聲電平是通過(guò)將12LSB的權(quán)重除以<>的平方根來(lái)計(jì)算的。將給定帶寬（稱為信號(hào)鏈中的同一點(diǎn)）中的所有噪聲源相加，得出：

該公式可用于近似可實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)范圍，以查看所考慮的AFE是否與CCD匹配良好。如果最大的噪聲源是下一個(gè)最大噪聲源的三倍，它將占主導(dǎo)地位。了解哪些噪聲源占主導(dǎo)地位將有助于選擇合適的AFE。

AFE的線性度也會(huì)影響系統(tǒng)性能。實(shí)際ADC的非線性會(huì)導(dǎo)致數(shù)字化圖像中的偽影。微分非線性（DNL）非常重要，因?yàn)槿祟?lèi)視覺(jué)系統(tǒng)擅長(zhǎng)檢測(cè)圖像中的邊緣或不連續(xù)性。DNL是ADC代碼寬度的變化，不良的DNL會(huì)導(dǎo)致相鄰亮度水平的漸變或“階躍”。真正的 10 位系統(tǒng)要求 DNL 在 1 位級(jí)別優(yōu)于 10 LSB（最好是 0.5 LSB），以避免圖像質(zhì)量下降。DNL 差到足以導(dǎo)致丟失代碼可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)字處理中的圖像偽影。積分非線性（INL）也很重要，但給定量比相當(dāng)量的DNL更難察覺(jué)。人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)不太擅長(zhǎng)區(qū)分分布在整個(gè)灰度范圍內(nèi)的漸進(jìn)非線性。但是，較大的INL可能會(huì)導(dǎo)致特定系統(tǒng)的顏色處理算法出錯(cuò)，從而導(dǎo)致圖像中出現(xiàn)與顏色相關(guān)的偽影。

雖然集成方法不具備允許評(píng)估每個(gè)單獨(dú)處理階段的優(yōu)勢(shì)，但可以在特定應(yīng)用的操作條件下對(duì)AFE進(jìn)行全面評(píng)估。AD980x系列的評(píng)估板非常方便，簡(jiǎn)化了這一設(shè)計(jì)步驟。

集成路線圖：擴(kuò)大片上集成范圍以減小尺寸和成本正在成為片上系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的一種生活方式。既然標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝可以實(shí)現(xiàn)良好的模擬性能，那么將成像系統(tǒng)的部分或全部后端數(shù)字處理集成到單個(gè)芯片上以滿足特定應(yīng)用的需求應(yīng)該是可行的。事實(shí)上，ADI公司目前正在生產(chǎn)一款ASIC，以滿足一家大型掃描儀制造商對(duì)芯片的需求，該芯片成功地將AFE、數(shù)字圖像處理、SRAM、定時(shí)生成、CPU和SCSI/EPP接口集成到單個(gè)芯片上。在這種復(fù)雜程度下，芯片上的電源和接地管理對(duì)于最大限度地減少數(shù)字噪聲與模擬電路的耦合至關(guān)重要。由于需要大驅(qū)動(dòng)器電流，在片上包括SCSI接口的問(wèn)題的解決方案一直是一個(gè)特別具有挑戰(zhàn)性的工作。

審核編輯：郭婷