CCD圖像傳感器及其視頻信號處理電路的應用

鄭渝

摘要 文章對CCD（電荷耦合器件）的工作原理及視頻信號處理芯片進行描述，并介紹了專用CCD信號處理芯片的VSP2212結構特點。

[關鍵詞]電荷耦合器件（CCD） 視頻信號處理VSP2212 CDS

CCD（電荷耦合器件），是一種用電荷量表示信號大小、用耦合方式傳輸信號的探測元件，它具有自行掃描、感受波譜范圍、體積小、功耗小、壽命長等特點。CCD相機通常應用在信號處理、影像傳感和非接觸性測量技術等領域中，尤其是在遙感領域中，幾乎所有傳輸類型的遙感衛星，都使用電荷耦合器件作探測器。隨著科技的進步，CCD視頻處理專用芯片的出現，推動了攝像技術的發展，它解決了了傳統相機的調試復雜和操作不便的問題，對CCD相機系統進行了技術上的變革。

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的電器不同，CCD在它工作的過程中以電荷為信號，從而進行對電荷的產生、儲存與傳輸。

1.1 信號電荷的產生

光注入和電注入是CCD電荷產生的兩類方式。CCD應用在攝影攝像方面時，形成信號電荷的主要方式是以光注入的形式進入光敏單元。柵極旁的半導體在CCD光敏區受到光照時，會產生出自由電子和空穴對，在多數的電流載體被電壓排斥的情況下，仍有少數電流載體會被吸引到勢阱中作為信號電荷的生成。

1.2 信號電荷的儲存

半導體（MOS）是構成CCD的基本單元，它一種簡單的金屬一氧化物一半導體結構。在半導體內多數載流子分布均勻時，表示著柵極并未對正偏壓進行施加，但當半導體內空穴開始遭到排斥時，就意味著柵極開始進行對正偏壓的施加，這是由于正偏壓小于閾值電壓，從而產生多數載流子濃度的下降的界面區（耗盡區），隨著偏壓的不斷增加，致使P型半導體內的耗盡區不斷擴大。當正偏壓大于閾值電壓時，絕緣體界面會吸引半導體內的少數載流子，浮現在絕緣體表面，出現空穴濃度小于絕緣體表面的電子濃度的情況，因此會有反型層出現的情況。

2 CCD視頻信號處理芯片

CCD視頻的輸出信號，需要經過視頻處理的過程后，才能被后續電路進行使用。進行視頻處理的主要目的，是為了在保證圖像細節的同時，最大限度的對各種噪音和干擾進行清除。而通過使用數字化方式對CCD輸出信號處理，在方便電腦處理和擴大儲存空間的同時，保證CCD的圖像信號跟隨目標亮度呈現出線性變化。如果使用分立電路來實現上述功能，不僅會產生價格高昂、電路繁瑣、功耗大、調試難等缺點，還會與CCD相機的發展未來形成強烈的鮮明對比。本文以視頻信號處理器VSP2212為例，來進行CCD視頻信號處理芯片的研究。

2.1 VSP2212的特點

VSP2212是Burr-Brown公司CCD根據機器視覺系統的應用產品，而推出的視頻信號處理器。CCD（電荷耦合器件）的模擬圖像信號以陣列輸出的方式，通過對視頻信號處理器的處理，在加強信號質量的同時，對其進行在轉換率20 MHz的情況下，保證代碼依然完整的12位二進制數字信號。

2.2 VSP2212的結構分析

2.2.1 相關雙取樣電路

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、以及時鐘感應噪聲等復位噪聲構成，而信號處理電路的主要作用，就是抑制KTC噪聲（復位噪聲）。相關采樣法，指的是復位噪聲在不同像素周期內，根據不同的像素單元進行隨機變化，因此可以在同一像素周期中，進行兩次對的暗電平參考區間和信號電平區間的數據采樣，將兩次數據進行相減，就會在輸出信號中進行對復位噪聲的抑制，從而取得真實的視頻信號。

2.2.2 暗像元鉗位電路

輸出信號的暗參考電平，受到溫度、電壓、光強的變化都會產生波動，為了更好解決這種問題，就需要加強對暗電平參考的完善。VSP2212的自動校正功能，可以利用電荷耦合器件中的暗像元輸出信號，來進行對參考暗電平的更好建立。

2.2.3 高速12位數模轉換器電路

VSP2212信號處理器中，包含著擁有20MHz轉換速率的12位數模轉換器（ADC）。這種電路非常適合電壓及功耗低，且速率運行非常高的應用，在保證12位高精度數據無錯誤輸出的同時，將由ADC進行對采樣與輸出脈沖的控制。

2.3 VSP2212的注意事項

在VSP2212的多個電源引腳中，引腳13成為專為數字輸出驅動器提供電源的引腳。驅動級別的數字供電線在工作的過程中，經常會伴隨著與低電平相對的高電壓所產生的寬帶噪聲，若發生耦合到達前級的情況，就會對VSP2212的性能產生很大的影響。為了避免這種不良耦合情況的發生，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部都有所關聯，就可以使用模擬電路的方法來進行供電。

3 結束語

本文介紹了電荷耦合器件的工作原理，以及視頻信號處理芯片VSP2212的不同電路進行功能性分析，將芯片應用在電荷耦合器件的視頻信號處理電路的開發中，將電荷耦合器件的輸出速率提高到12M，并依據信號的強弱，對視頻圖像的對比度和亮度進行調整，從而完善了設計指標的要求。

參考文獻

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