CCD圖像傳感模擬前端與ADC

模數(shù)轉換器這類電子元件的用途之多分類之廣大家早就有所耳聞了，從本質上說，它實現(xiàn)的功能既直接又重要，將一個模擬信號轉變?yōu)?a target="_blank">數(shù)字信號，圖像傳感器中同樣少不了模數(shù)轉換器的身影。

圖像傳感器不同的調制方案各有優(yōu)劣，CCD的全局曝光在室外遠距離場景下，具有非常良好的性能，而且因為其是窄快門曝光，對于外界抗干擾性能非常強。其中，CCD圖像傳感器模擬前端的性能高低很大程度上決定了傳感器成像功能的優(yōu)劣。

CCD動態(tài)范圍與模數(shù)轉換的關聯(lián)

CCD圖像傳感器的動態(tài)范圍可幫助相機捕捉高對比度場景，傳感器本身的滿阱容量和噪聲是決定動態(tài)范圍的兩個重要指標。但是，在這兩個指標之外，CCD本身的動態(tài)范圍也受限于模數(shù)轉換器的動態(tài)范圍。

對CCD數(shù)據進行數(shù)字化處理后，CCD信號是需要通過模數(shù)轉換器達到系統(tǒng)其他部分，模數(shù)轉換器本身如果動態(tài)范圍不夠，即使?jié)M阱容量和噪聲性能都很優(yōu)秀，器件的動態(tài)范圍也不可能超過模數(shù)轉換器的分辨率。高集成度CCD模擬前端中的模數(shù)轉換器一般都支持12位以上的分辨率，確保在模數(shù)轉換器這個環(huán)節(jié)上不會虧損動態(tài)范圍。目前這種級別的模數(shù)轉換器并不難獲取，以現(xiàn)在普遍的CCD傳感器在70dB左右的動態(tài)范圍來看，12位模數(shù)轉換器的分辨率也足夠保持傳感器的動態(tài)范圍。有些模擬前端會集成16位模數(shù)轉換器以確保更高的動態(tài)范圍。

來自傳感器的像素數(shù)據由采樣/保持（SH）或相關雙采樣器（CDS）電路采樣，然后由ADC轉換為數(shù)字數(shù)據。在整個模擬前端的信號通路中，模數(shù)轉換器關聯(lián)的也不僅僅是器件的動態(tài)范圍。

流水線結構ADC給CCD帶來了什么？

可以說在CCD整個信號通路中，模數(shù)轉換器是性能最為嚴苛的元件。分辨率自不用多說，該模數(shù)轉換器還需要具備優(yōu)異的線性、低噪聲和低失調。這些特性都是保證圖像質量和時間穩(wěn)定性的必要條件。流水線結構的模數(shù)轉換器犧牲了模數(shù)轉換器的部分速度來換取精度，常見于CCD這種較高精度的高速模數(shù)轉換器應用場合。

這一類校正的架構對于實現(xiàn)較小信號電平的高線性低失調是非常有利的，其每一級的冗余位優(yōu)化了重疊誤差的糾正，多級轉換也確保了模數(shù)轉換器可在整個滿量程范圍內確保有效的高分辨率。通常12位或更高精度的模數(shù)轉換器都需要阻容修正和數(shù)字校正，特別是在第一級上。在實際使用中，模數(shù)轉換器的失調誤差和增益誤差很少會接近最大值。如果擔心模數(shù)轉換器的精度，電路的前端放大/信號調理部分通常會產生比模數(shù)轉換器本身更大的誤差。

CCD模擬前端發(fā)展趨勢

CCD模擬前端的集成度可以說是越來越高，集成可編程增益以支持亮度引起的像素級反射，集成發(fā)光二極管（LED）驅動器以調整亮度，還會集成數(shù)模轉換器用于調整模擬輸入信號的偏移水平。此外，定時發(fā)生器（TG）集成在這些設備中，用于控制傳感器操作。

有些高性能CCD圖像傳感器模擬前端會集成深度處理器將來自CCD的原始模擬圖像信號處理成深度/像素數(shù)據，以及集成高精度時鐘發(fā)生器為CCD和激光器生成驅動時序，這都是在高精高速模數(shù)轉換器之外體現(xiàn)出的集成性。

小結

CCD模擬前端的模擬信號鏈朝著完全集成式在不斷發(fā)展，這些完全集成式器件CCD圖像傳感器提供了高性能高速 ADC、單通道和多通道輸入、采樣/保持、失調電壓校正、相關雙采樣、時序發(fā)生器等等一系列功能。從集成器件不斷升級的角度來說，完全集成式的模擬前端也推動了CCD成像的高性能發(fā)展。