鄭渝

摘要 文章對(duì)CCD（電荷耦合器件）的工作原理及視頻信號(hào)處理芯片進(jìn)行描述，并介紹了專(zhuān)用CCD信號(hào)處理芯片的VSP2212結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

[關(guān)鍵詞]電荷耦合器件（CCD） 視頻信號(hào)處理VSP2212 CDS

CCD（電荷耦合器件），是一種用電荷量表示信號(hào)大小、用耦合方式傳輸信號(hào)的探測(cè)元件，它具有自行掃描、感受波譜范圍、體積小、功耗小、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。CCD相機(jī)通常應(yīng)用在信號(hào)處理、影像傳感和非接觸性測(cè)量技術(shù)等領(lǐng)域中，尤其是在遙感領(lǐng)域中，幾乎所有傳輸類(lèi)型的遙感衛(wèi)星，都使用電荷耦合器件作探測(cè)器。隨著科技的進(jìn)步，CCD視頻處理專(zhuān)用芯片的出現(xiàn)，推動(dòng)了攝像技術(shù)的發(fā)展，它解決了了傳統(tǒng)相機(jī)的調(diào)試復(fù)雜和操作不便的問(wèn)題，對(duì)CCD相機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)上的變革。

1 電荷耦合器件的工作原理

與其他使用電流與電壓為信號(hào)的電器不同，CCD在它工作的過(guò)程中以電荷為信號(hào)，從而進(jìn)行對(duì)電荷的產(chǎn)生、儲(chǔ)存與傳輸。

1.1 信號(hào)電荷的產(chǎn)生

光注入和電注入是CCD電荷產(chǎn)生的兩類(lèi)方式。CCD應(yīng)用在攝影攝像方面時(shí)，形成信號(hào)電荷的主要方式是以光注入的形式進(jìn)入光敏單元。柵極旁的半導(dǎo)體在CCD光敏區(qū)受到光照時(shí)，會(huì)產(chǎn)生出自由電子和空穴對(duì)，在多數(shù)的電流載體被電壓排斥的情況下，仍有少數(shù)電流載體會(huì)被吸引到勢(shì)阱中作為信號(hào)電荷的生成。

1.2 信號(hào)電荷的儲(chǔ)存

半導(dǎo)體（MOS）是構(gòu)成CCD的基本單元，它一種簡(jiǎn)單的金屬一氧化物一半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。在半導(dǎo)體內(nèi)多數(shù)載流子分布均勻時(shí)，表示著柵極并未對(duì)正偏壓進(jìn)行施加，但當(dāng)半導(dǎo)體內(nèi)空穴開(kāi)始遭到排斥時(shí)，就意味著柵極開(kāi)始進(jìn)行對(duì)正偏壓的施加，這是由于正偏壓小于閾值電壓，從而產(chǎn)生多數(shù)載流子濃度的下降的界面區(qū)（耗盡區(qū)），隨著偏壓的不斷增加，致使P型半導(dǎo)體內(nèi)的耗盡區(qū)不斷擴(kuò)大。當(dāng)正偏壓大于閾值電壓時(shí)，絕緣體界面會(huì)吸引半導(dǎo)體內(nèi)的少數(shù)載流子，浮現(xiàn)在絕緣體表面，出現(xiàn)空穴濃度小于絕緣體表面的電子濃度的情況，因此會(huì)有反型層出現(xiàn)的情況。

2 CCD視頻信號(hào)處理芯片

CCD視頻的輸出信號(hào)，需要經(jīng)過(guò)視頻處理的過(guò)程后，才能被后續(xù)電路進(jìn)行使用。進(jìn)行視頻處理的主要目的，是為了在保證圖像細(xì)節(jié)的同時(shí)，最大限度的對(duì)各種噪音和干擾進(jìn)行清除。而通過(guò)使用數(shù)字化方式對(duì)CCD輸出信號(hào)處理，在方便電腦處理和擴(kuò)大儲(chǔ)存空間的同時(shí)，保證CCD的圖像信號(hào)跟隨目標(biāo)亮度呈現(xiàn)出線性變化。如果使用分立電路來(lái)實(shí)現(xiàn)上述功能，不僅會(huì)產(chǎn)生價(jià)格高昂、電路繁瑣、功耗大、調(diào)試難等缺點(diǎn)，還會(huì)與CCD相機(jī)的發(fā)展未來(lái)形成強(qiáng)烈的鮮明對(duì)比。本文以視頻信號(hào)處理器VSP2212為例，來(lái)進(jìn)行CCD視頻信號(hào)處理芯片的研究。

2.1 VSP2212的特點(diǎn)

VSP2212是Burr-Brown公司CCD根據(jù)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的應(yīng)用產(chǎn)品，而推出的視頻信號(hào)處理器。CCD（電荷耦合器件）的模擬圖像信號(hào)以陣列輸出的方式，通過(guò)對(duì)視頻信號(hào)處理器的處理，在加強(qiáng)信號(hào)質(zhì)量的同時(shí)，對(duì)其進(jìn)行在轉(zhuǎn)換率20 MHz的情況下，保證代碼依然完整的12位二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。

2.2 VSP2212的結(jié)構(gòu)分析

2.2.1 相關(guān)雙取樣電路

電荷耦合器件的噪聲，主要由讀出噪聲、暗電流噪聲、光子散粒噪聲、以及時(shí)鐘感應(yīng)噪聲等復(fù)位噪聲構(gòu)成，而信號(hào)處理電路的主要作用，就是抑制KTC噪聲（復(fù)位噪聲）。相關(guān)采樣法，指的是復(fù)位噪聲在不同像素周期內(nèi)，根據(jù)不同的像素單元進(jìn)行隨機(jī)變化，因此可以在同一像素周期中，進(jìn)行兩次對(duì)的暗電平參考區(qū)間和信號(hào)電平區(qū)間的數(shù)據(jù)采樣，將兩次數(shù)據(jù)進(jìn)行相減，就會(huì)在輸出信號(hào)中進(jìn)行對(duì)復(fù)位噪聲的抑制，從而取得真實(shí)的視頻信號(hào)。

2.2.2 暗像元鉗位電路

輸出信號(hào)的暗參考電平，受到溫度、電壓、光強(qiáng)的變化都會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，為了更好解決這種問(wèn)題，就需要加強(qiáng)對(duì)暗電平參考的完善。VSP2212的自動(dòng)校正功能，可以利用電荷耦合器件中的暗像元輸出信號(hào)，來(lái)進(jìn)行對(duì)參考暗電平的更好建立。

2.2.3 高速12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路

VSP2212信號(hào)處理器中，包含著擁有20MHz轉(zhuǎn)換速率的12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADC）。這種電路非常適合電壓及功耗低，且速率運(yùn)行非常高的應(yīng)用，在保證12位高精度數(shù)據(jù)無(wú)錯(cuò)誤輸出的同時(shí)，將由ADC進(jìn)行對(duì)采樣與輸出脈沖的控制。

2.3 VSP2212的注意事項(xiàng)

在VSP2212的多個(gè)電源引腳中，引腳13成為專(zhuān)為數(shù)字輸出驅(qū)動(dòng)器提供電源的引腳。驅(qū)動(dòng)級(jí)別的數(shù)字供電線在工作的過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)伴隨著與低電平相對(duì)的高電壓所產(chǎn)生的寬帶噪聲，若發(fā)生耦合到達(dá)前級(jí)的情況，就會(huì)對(duì)VSP2212的性能產(chǎn)生很大的影響。為了避免這種不良耦合情況的發(fā)生，需要將引腳13和其他電源線相分離，由于其他電源線的芯片內(nèi)部都有所關(guān)聯(lián)，就可以使用模擬電路的方法來(lái)進(jìn)行供電。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了電荷耦合器件的工作原理，以及視頻信號(hào)處理芯片VSP2212的不同電路進(jìn)行功能性分析，將芯片應(yīng)用在電荷耦合器件的視頻信號(hào)處理電路的開(kāi)發(fā)中，將電荷耦合器件的輸出速率提高到12M，并依據(jù)信號(hào)的強(qiáng)弱，對(duì)視頻圖像的對(duì)比度和亮度進(jìn)行調(diào)整，從而完善了設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。

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