CCD低噪聲讀出電路設(shè)計(jì)

狄臘梅 劉宏 張志勇

摘 ?要： 以紅外增強(qiáng)型圖像傳感器TH7888A所得的微弱電壓信號為輸入，對圖像傳感器的模擬前端處理電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用巴特沃斯低通濾波器和全差分雙相關(guān)采樣的方法，提高整體電路的信噪比為67 dB，從而減少了后續(xù)電路的輸入噪聲。使用Proteus對所設(shè)計(jì)的低噪聲、高增益放大電路的功能和噪聲分析等特性進(jìn)行全面的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)能有效放大微弱電壓信號，并可以對放大的電壓信號進(jìn)行準(zhǔn)確的相關(guān)雙采樣去除KTC噪聲、復(fù)位噪聲。最后，在實(shí)際應(yīng)用中，使用FPGA為硬件設(shè)計(jì)載體，以vivado作為軟件開發(fā)環(huán)境，使用Verilog語言對時序發(fā)生器進(jìn)行了硬件描述。FPGA生成的模擬信號分別作為讀出電路的輸入和采樣的觸發(fā)信號，并驗(yàn)證了其正確性和可行性。

關(guān)鍵詞： CCD; 讀出電路; FPGA; 模擬前端; 信號采樣; 數(shù)據(jù)分析

中圖分類號： TN722.3?34; TP301.6 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）20?0001?04

Design of CCD low?noise readout circuit

DI Lamei1， 2， LIU Hong2， ZHANG Zhiyong1

（1. College of Information Science and Technology， Northwest University， Xian 710127， China;

2. CAS Key Laboratory of Spectral Imaging Technology， Xian Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS， Xian 710119， China）

Abstract： An analog front?end processing circuit of the image sensor is designed， which takes the weak voltage signal received by infrared enhanced image sensor TH7888A as its input signal. The signal?to?noise ratio of the overall circuit is increased to 67 dB by means of the Butterworth low?pass filter and fully differential double?correlation sampling method to reduce the input noise of subsequent circuits. The comprehensive experiment was performed on the function and noise analysis of the designed low?noise high?gain amplification circuit by means of Proteus. The experimental results show this design can effectively amplify the weak voltage signal， and achieve the accurately correlate double sampling of the amplified voltage signal to remove the KTC noise and reset noise. In practical applications， FPGA is used as the hardware design carrier， the Vivado is used as the software development environment， and the Verilog language is used to perform hardware description of the timing generator. The analog signal generated by the FPGA is used as the input signal of readout circuit and the trigger signal of sampling respectively. Its correctness and feasibility are verified.

Keywords： CCD; readout circuit; FPGA; analog front?end; signal sampling; data analysis

0 ?引 ?言

目前，近紅外探測技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于高光譜遙感成像和醫(yī)學(xué)等方面的檢測。為了滿足實(shí)際需要，對近紅外探測技術(shù)的性能要求也很高。作為探測系統(tǒng)的重要組成部分，讀出電路的性能至關(guān)重要，其與系統(tǒng)成像的質(zhì)量與噪聲性能有很大關(guān)系。因此，設(shè)計(jì)低噪聲讀出電路具有非常重要的意義[1]。

在近紅外檢測系統(tǒng)中，最重要的硬件電路由紅外增強(qiáng)圖像傳感器和讀出電路組成。圖像傳感器的主要功能是將目標(biāo)物體的紅外輻射光信號轉(zhuǎn)換為讀出電路的輸入信號，即轉(zhuǎn)化為讀出電路可以處理的電壓信號。讀出電路的功能是對圖像傳感器輸出的電信號進(jìn)行一系列處理優(yōu)化和有序輸出，使后級計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行圖像處理。由于近紅外圖像傳感器的輸出信號非常弱，處理起來非常困難，所以對讀出電路的性能要求非常高。可以說，近紅外探測系統(tǒng)成像的質(zhì)量在很大程度上取決于讀出電路的性能[2]。

由于近紅外探測技術(shù)的不斷發(fā)展，其在探測成像方面反映出應(yīng)用的重要性，因此引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。檢測系統(tǒng)的成像質(zhì)量在很大程度上取決于讀出電路的輸出信號的噪聲水平，并且較低的噪聲可以改善動態(tài)范圍，同時減少圖像噪聲，因此設(shè)計(jì)低噪聲讀出電路具有非常重要的意義[3]。本文將針對圖像傳感器的噪聲特性，通過降噪技術(shù)設(shè)計(jì)低噪聲讀出電路，最后通過分析TH7888A的性能，設(shè)計(jì)一款采用全差分CDS雙相關(guān)采樣技術(shù)的近紅外讀出電路[4?5]。

1 電路設(shè)計(jì)

本文對面陣圖像傳感器TH7888A的輸出信號的性能進(jìn)行了詳細(xì)的分析研究，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的讀出電路。TH7888A的量子效應(yīng)高，輸出噪聲小，符合課題需求。除此之外，它的輸出信號是非常弱的信號，一般只有幾十毫伏，因此處理起來非常困難。

在本設(shè)計(jì)中分析了TH7888A的讀出過程和輸出信號特征。TH7888A的輸出信號的波形如圖1所示，可以看出輸出信號的波形符合三段階梯式模擬信號的特征。 所以，本設(shè)計(jì)將CCD圖像的輸出信號作為讀出電路的輸入信號，通過高直流電路，對可調(diào)放大倍率放大電路、低通濾波電路和CDS相關(guān)雙采樣電路進(jìn)行處理，從而使CCD輸出信號從混合有噪聲的弱光感應(yīng)電壓轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電壓信號，以便計(jì)算機(jī)可以對信號進(jìn)行后續(xù)處理。本文所設(shè)計(jì)的低噪聲、高信噪比讀出電路的流程圖如圖2所示。

圖1 ?TH7888A的輸出信號

圖2 ?讀出電路（模擬前端模塊）

1.1 ?去高直流電路

CCD的輸出信號中會包含一個高的直流電壓信號（7～8 V），其一般是由圖像傳感器的復(fù)位電壓和環(huán)境溫度所決定的。然而有效的數(shù)據(jù)信號一般只有幾十到幾百微伏，為了防止有效的數(shù)據(jù)信號淹沒在高的直流電壓下，必須對CCD的輸出信號進(jìn)行去高直流處理。本電路采用低噪聲運(yùn)放AD817對CCD信號進(jìn)行去高直流的減法運(yùn)算，以便去除添加在信號中的復(fù)位電平。

1.2 ?放大倍數(shù)可調(diào)放大電路

本文設(shè)計(jì)的放大倍數(shù)可調(diào)放大電路采用由OP?07組成的成熟差分電壓放大電路，此電路設(shè)計(jì)可以對CCD圖像傳感器的輸出信號進(jìn)行緩沖。 該方法不僅提高了電路的信噪比，同時還保持了光信號的靈敏度。此外，這種平衡對稱的結(jié)構(gòu)還可以提高放大器的共模抑制比，減少由于偏移和溫度漂移等引起的誤差[6]。

電路的放大倍數(shù)可以根據(jù)調(diào)整滑動變阻器的阻值進(jìn)行調(diào)整，使用方便。

1.3 ?低通濾波電路

由于后續(xù)的相關(guān)雙采樣電路不具備低通濾波器的功能，為了抑制帶寬白噪聲和限制系統(tǒng)帶寬，需要在CDS電路之前增加一個低通濾波器。在設(shè)計(jì)低通濾波器時，通常根據(jù)轉(zhuǎn)換間隔的變化來確定濾波器特性。巴特沃斯濾波器的特點(diǎn)是通帶的平滑頻率響應(yīng)曲線，所以低通濾波器的設(shè)計(jì)使用巴特沃斯濾波器。

巴特沃斯濾波器的階數(shù)越高，其幅度特性越接近理想的低通濾波器。隨著階數(shù)n增加，通帶中的振幅接近1，過渡帶變窄，并且阻帶中的振幅趨于0。 同時，n增加時，電路元件的數(shù)量也會增加。因此，濾波器設(shè)計(jì)的基本問題是在濾波器滿足的條件下盡可能地降低階數(shù)n，階數(shù)n的計(jì)算公式為：

式中：[AS]為過渡帶的放大系數(shù);[WS]為阻帶的截止頻率;[WP]為濾波器的截止頻率。本文設(shè)計(jì)的低通濾波器的截止頻率為5 kHz，過渡帶截止頻率50 kHz頻率處的放大倍數(shù)小于等于-80 dB，由階數(shù)計(jì)算公式可以得出n=4。于是設(shè)計(jì)一個四階巴特沃斯低通濾波器。四階巴特沃斯濾波器與四階相同單元級聯(lián)濾波器的四階低通濾波器比較。兩個濾波器具有相同的通帶放大率和截止頻率，而巴特沃斯濾波器更接近理想的低通濾波器。因?yàn)樗谕◣?nèi)比較平坦，在截止頻率處下降的較快，因此，巴特沃斯設(shè)計(jì)法要比相同單元級聯(lián)的設(shè)計(jì)方法更好。

1.4 ?全差分雙相關(guān)采樣電路

CDS相關(guān)雙采樣技術(shù)是一種信號處理技術(shù)，它是在CCD輸出信號中對復(fù)位噪聲電平和像元信號電平分別進(jìn)行采樣，可以有效抑制各種噪聲干擾。其在CCD成像技術(shù)中被廣泛使用，是信號由模擬信號變成數(shù)字信號的過程中非常重要的一部分。它利用電路的噪聲電壓中的時間相關(guān)性來消除噪聲，如通過低通濾波電路的電路中的熱噪聲會變成有色噪聲，便在時間上具有了相關(guān)性;在完成開關(guān)操作后，KTC噪聲在理想條件下不變;固定芯片的FPN噪聲在相同的工作狀態(tài)下是獨(dú)立的恒定時間量[7?8]。根據(jù)這些噪聲特性，在像素單元中的信號積分期間在短時間內(nèi)執(zhí)行兩點(diǎn)采樣。然后使用減法電路減去兩個采樣值，以便基本消除KTC噪聲和FPN噪聲，并在一定程度上削弱 MOS管的噪聲。

目前有三種典型的CDS電路：雙相關(guān)采樣法、雙斜積分法、鉗位采樣法。其中，對于雙相關(guān)采樣電路，RC值較小，可以迅速對信號進(jìn)行采樣，這種方式比較適合于圖像高速采樣的場景，更符合設(shè)計(jì)需求。所以CDS電路設(shè)計(jì)采用了全差分式雙相關(guān)采樣方式實(shí)現(xiàn)，將低通濾波器的輸出信號轉(zhuǎn)換為兩路差分信號A和B。同時，A和B分別在同一采樣點(diǎn)1和采樣點(diǎn)2進(jìn)行兩次采樣。有效信號是通過將采樣點(diǎn)1處的A的信號值與采樣點(diǎn)2處的B的信號值相加而獲得。

類似地，也可以將采樣點(diǎn)1處的B的信號值和采樣點(diǎn)2處的A的采樣值相加以獲得有效信號值。這樣的全差分結(jié)構(gòu)，可以達(dá)到更好的采樣效果，而且能更好地消除共模噪聲，提高動態(tài)范圍，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的圖像信號的輸出[9]。

2 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 ?去高直流電路

注：通訊作者為張志勇。

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