電荷耦合器件（CCD）是大多數(shù)消費類成像系統(tǒng)的首選圖像傳感器。CCD的輸出信號需要一個獨特的、主要是模擬的信號處理鏈。起初，處理是用標(biāo)準(zhǔn)的線性元件實現(xiàn)的：運算放大器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、模擬乘法器和模擬開關(guān)。隨著時間的流逝，半導(dǎo)體設(shè)計和技術(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，所需的所有信號處理步驟都可以通過單個集成電路完成。ADI公司的CCD成像應(yīng)用集成解決方案保留了傳統(tǒng)設(shè)計的性能，但可大幅節(jié)省成本、功耗和尺寸。

處理CCD信號

要了解集成信號處理組件必須提供的功能，請考慮圖1所示的典型CCD輸出波形。CCD的輸出級通過檢測電容CS將每個像素（圖像元件）的電荷轉(zhuǎn)換為電壓。在每個像素周期開始時，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。每個像素感測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測量。精確恢復(fù)和數(shù)字化CCD信號需要多種操作，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。

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

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

通過取CCD信號的兩個樣本并減去它們，將與兩個樣本相關(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輸出級引入的噪聲主要包括來自電荷檢測節(jié)點的kT/C噪聲，以及來自輸出放大器的1/f和白噪聲。來自復(fù)位開關(guān)導(dǎo)通電阻的kT/C噪聲在Sense節(jié)點上采樣，并一直保持到下一個像素。它將在參考和數(shù)據(jù)級別期間存在，因此它在一個像素周期內(nèi)相關(guān)，并由 CDS 刪除。CDS還將衰減來自輸出放大器的1/f噪聲，因為CDS的頻率響應(yīng)會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被CDS衰減。但CDS不會降低CCD引入的寬帶噪聲。

典型的 CCD 信號具有 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信號處理IC不兼容，因為大多數(shù)掃描儀和高端相機(jī)系統(tǒng)使用5 V電源作為信號處理器，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)交流耦合通過增加一個外部耦合電容即可實現(xiàn)必要的直流電平轉(zhuǎn)換。

CCD的暗電流導(dǎo)致CCD信號的參考電平和數(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)動態(tài)范圍，特別是在施加增益后。模擬信號處理校正失調(diào)的平均值，保持動態(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）來使CCD信號的最大幅度與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信號僅跨越ADC滿量程范圍的25%，則將損失2位動態(tài)范圍。PGA將CCD信號放大到適當(dāng)?shù)姆龋瑥亩试S使用ADC的全動態(tài)范圍。

A/D轉(zhuǎn)換器將調(diào)理后的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字表示，然后由外部應(yīng)用專用數(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。最大動態(tài)范圍為55-60 dB的CCD需要10位ADC，而動態(tài)范圍為65-70 dB的CCD則需要12位ADC?？赡苄枰~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會使ADC的動態(tài)范圍降低一位，因為只能使用模數(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)市場提供多種模擬前端（AFE）集成電路;它們包括上述所有信號處理步驟。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中實現(xiàn)。不久前，還需要更昂貴、更耗電的BiCMOS或雙極技術(shù)。通過將成功的ADC架構(gòu)與高性能CMOS模擬電路相結(jié)合，可以設(shè)計出完整的低成本CCD信號處理IC。

對于掃描器應(yīng)用，AD9807和AD9805（見表）于1996年底推出。這些器件具有三個用于處理彩色線性 CCD 的輸入通道，具有輸入鉗位、CDS、失調(diào)控制、PGA 和一個 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類似，但封裝更小，成本更低。

圖3.AD9816具有3通道同步采樣、單獨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。

對于數(shù)碼相機(jī)（DSC）設(shè)計，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，旨在同時用于DSC和便攜式攝像機(jī)設(shè)計。如圖4所示，AD9802具有AD9801的特性，還包括一個至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)字化來自磁帶或外部VCR的模擬視頻信號。目前正在對AD9803進(jìn)行采樣（在撰寫本文時），增加了一個串行數(shù)字接口，用于對內(nèi)部寄存器進(jìn)行編程，并具有更高的采樣速率。

圖4.AD9802 CCD信號處理器的功能框圖

性能注意事項

成像應(yīng)用中特別關(guān)注的兩個重要特性是噪聲和非線性。

AFE中的噪聲包括來自所有模擬電路的寬帶噪聲、來自ADC的寬帶噪聲和來自ADC的量化噪聲。獨立的模數(shù)轉(zhuǎn)換器通常指定信噪比（SNR）或信噪失真（SINAD），但這些類型的測量在成像應(yīng)用中并不完全有用。轉(zhuǎn)換器SINAD使用正弦波輸入進(jìn)行測試，包括模擬信號失真、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)，需要平均多個數(shù)據(jù)記錄。

失真數(shù)字在成像應(yīng)用中并不重要，因為CCD信號本質(zhì)上不是正弦的，并且ADC的前端僅在波形相對緩慢移動的部分對CCD信號進(jìn)行采樣。CCD 系統(tǒng)設(shè)計人員沒有使用傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器 SNR 測量，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”測試進(jìn)行測量，在該測試中，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，因為它會影響系統(tǒng)的動態(tài)范圍。動態(tài)范圍是通過比較系統(tǒng)中可以處理的最大信號和可以解析的最小信號電平來確定的。來自CCD和AFE（包括模擬信號處理和A/D轉(zhuǎn)換器）的噪聲會影響整個系統(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，如果不通過校準(zhǔn)技術(shù)降低，則應(yīng)將其包含在噪聲計算中。用于緩沖CCD輸出信號的放大器也會引入噪聲，盡管可以通過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)手冊中找到，也可以使用接地輸入直方圖測試進(jìn)行測量。ADC的分辨率將決定量化噪聲電平，量化噪聲電平是通過將12LSB的權(quán)重除以<>的平方根來計算的。將給定帶寬（稱為信號鏈中的同一點）中的所有噪聲源相加，得出：

該公式可用于近似可實現(xiàn)的動態(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的線性度也會影響系統(tǒng)性能。實際ADC的非線性會導(dǎo)致數(shù)字化圖像中的偽影。微分非線性（DNL）非常重要，因為人類視覺系統(tǒng)擅長檢測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。人類視覺系統(tǒng)不太擅長區(qū)分分布在整個灰度范圍內(nèi)的漸進(jìn)非線性。但是，較大的INL可能會導(dǎo)致特定系統(tǒng)的顏色處理算法出錯，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估每個單獨處理階段的優(yōu)勢，但可以在特定應(yīng)用的操作條件下對AFE進(jìn)行全面評估。AD980x系列的評估板非常方便，簡化了這一設(shè)計步驟。

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)開發(fā)的一種生活方式。既然標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝可以實現(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)字處理集成到單個芯片上以滿足特定應(yīng)用的需求應(yīng)該是可行的。事實上，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芯片的需求，該芯片成功地將AFE、數(shù)字圖像處理、SRAM、定時生成、CPU和SCSI/EPP接口集成到單個芯片上。在這種復(fù)雜程度下，芯片上的電源和接地管理對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)動器電流，在片上包括SCSI接口的問題的解決方案一直是一個特別具有挑戰(zhàn)性的工作。

審核編輯：郭婷