為成像應(yīng)用選擇模擬前端

ADI公司通過開發(fā)像素速率增益放大器（PxGA唰唰??).AD9841和AD9842分別是10位和12位20 MHz AFE，采用PxGA技術(shù)，以像素速率將增益系數(shù)分別切換到VGA。以采用拜耳濾波器的逐行掃描CCD為例，每個(gè)R、G和B像素將應(yīng)用自己的增益系數(shù)，從而允許每種顏色利用ADC的整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍，從而最大限度地提高SNR。此外，模擬域中任何非線性的影響都會(huì)降低，因?yàn)樗蓄伾家韵嗨频恼穹M(jìn)行處理。

圖 3：帶 PxGA 的信號(hào)路徑唰唰??

圖3是PxGA與具有4色濾波的CCD陣列一起使用的示例。

AD984x系列模擬前端

AD984x系列是一組高速、低功耗CMOS模擬前端，適用于采用面陣CCD陣列的成像應(yīng)用。它們?cè)诟哌_(dá) 36 MHz 的速度下具有業(yè)界領(lǐng)先的低噪聲、非線性和功耗特性。AD984x系列非常適合低壓、高速、便攜式成像應(yīng)用，如數(shù)碼相機(jī)和數(shù)碼攝像機(jī)，以及使用隔行掃描或逐行掃描面陣CCD陣列（包括機(jī)器視覺、安全攝像頭、科學(xué)光譜、視頻會(huì)議和數(shù)字復(fù)印機(jī)）的任何其他成像系統(tǒng)。

信號(hào)鏈由輸入箝位、相關(guān)雙采樣器（CDS）、像素速率增益放大器（PxGA—AD9841和AD9842）、數(shù)控可變?cè)鲆娣糯笃鳎╒GA）、自動(dòng)或可編程黑電平失調(diào)校準(zhǔn)以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成。圖4顯示了AD9841/9842產(chǎn)品的框圖，其中包含一個(gè)PxGA。AD9845A是一款采用PxGA技術(shù)的12位、30 MSPS AFE，計(jì)劃于2000年<>月發(fā)布。

圖4：AD9841/9842的原理框圖

10位AD9840、AD9841和AD9843具有極低噪聲（~0.2 LSB rms輸出噪聲，74 dB SNR），工作速度高達(dá)36 MHz，非常適合逐行掃描CCD和高幀率視頻應(yīng)用。12位AD9842和AD9844具有77 dB SNR，非常適合高端、高分辨率應(yīng)用。對(duì)于電池供電應(yīng)用，AD9840具有最低的功耗，75 MHz時(shí)為20 mW，140 MHz時(shí)為36 mW。雖然AD984x AFE是單通道產(chǎn)品，但其數(shù)字輸出總線具有三態(tài)輸出，因此多通道高速應(yīng)用中可以使用多個(gè)AFE。表 1 列出了關(guān)鍵規(guī)格。

輔助模式 AD984x系列AFE提供2個(gè)輔助輸入，適用于需要標(biāo)準(zhǔn)CCD輸入以外的其他功能的應(yīng)用。AUX1 對(duì)交流耦合連續(xù)波形進(jìn)行采樣、偏置、放大（0 至 36 dB 可變?cè)鲆妫?，并將交流耦合連續(xù)波形轉(zhuǎn)換為數(shù)字波形，用于成像系統(tǒng)診斷等應(yīng)用。AUX2 對(duì)模擬視頻類型波形（如 NTSC 或 PAL 信號(hào)）進(jìn)行采樣，提供黑電平鉗位、0 至 18 dB 可變?cè)鲆婧?A/D 轉(zhuǎn)換。

表1：AD984X系列模擬前端的關(guān)鍵規(guī)格
（全部包括PGA數(shù)字控制和2個(gè)輔助視頻輸入）

掃描、彩色復(fù)印和超高端成像應(yīng)用

有許多具有AFE需求的成像應(yīng)用雖然相似，但與相機(jī)市場不同。掃描儀、彩色復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)、條形碼閱讀器和專業(yè)成像應(yīng)用（如圖形藝術(shù)掃描儀和科學(xué)成像系統(tǒng)）都有自己的一套要求。主要區(qū)別在于所使用的圖像傳感器和連接到AFE后端的接口。每個(gè)系統(tǒng)的模擬前端可能具有不同的輸入要求、偏移校正技術(shù)、動(dòng)態(tài)范圍要求和速度要求，并且最好使用不同類型的AFE，而不是數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)市場使用的AFE。

多渠道要求。在面積CCD陣列中，通過在每個(gè)像素上放置濾光片來創(chuàng)建彩色圖像，像素值從單個(gè)通道串行饋出。在線性CCD陣列或CIS模塊中，三個(gè)線性陣列用于創(chuàng)建彩色圖像;每種顏色（R、G 或 B）使用一行。這三個(gè)陣列的輸出從三個(gè)輸出通道同時(shí)傳輸。彩色掃描應(yīng)用，如文檔掃描儀、多功能外圍設(shè)備 （MFP） 和數(shù)字彩色復(fù)印機(jī)，都使用這種類型的成像儀。這些類型應(yīng)用的理想AFE將具有三個(gè)同時(shí)運(yùn)行的采樣通道。

線性CCD陣列的黑電平偏移校正。與使用面積CCD陣列的相機(jī)應(yīng)用不同，與線性CCD陣列接口的AFE不需要自動(dòng)黑電平校正環(huán)路。由于只有一條高達(dá)幾千像素的線，因此可以在每次掃描開始時(shí)執(zhí)行單個(gè)黑線校準(zhǔn)以確定一次黑電平偏移。然后，可以將黑電平偏移校正因子編程到AFE中，作為DAC的輸入字，DAC將粗黑電平偏移校正應(yīng)用于整個(gè)掃描的每個(gè)像素。該電路比相機(jī)AFE中使用的自動(dòng)黑電平校準(zhǔn)環(huán)路更容易實(shí)現(xiàn)。

高端掃描。專業(yè)掃描應(yīng)用使用當(dāng)今最好的CCD。圖形藝術(shù)掃描儀和膠片掃描儀也可以使用冷卻機(jī)制來控制CCD的溫度，從而最大限度地提高SNR。積分時(shí)間將盡可能長，以最大化CCD輸出信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍并提高SNR。這些應(yīng)用中通常提供高達(dá)4 V的CCD信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)真正的13位或14位性能。在任何成像系統(tǒng)中，AFE都不應(yīng)成為性能的限制因素，因此對(duì)于這些高端應(yīng)用，真正的14位AFE是必要的。AD9814提供真正的14位無失碼解決方案，在0位電平（55 dB SNR）和14 V輸入范圍內(nèi)具有89.4 LSB rms噪聲。

中低距離掃描。低端掃描儀已經(jīng)從幾年前的30位彩色系統(tǒng)（10位/通道）發(fā)展到36位甚至42位彩色（12位和14位/通道）。雖然這些低端掃描儀中的CCD無法達(dá)到高端掃描儀的14位性能，但數(shù)字后處理算法仍然需要ADC提供14位分辨率。AD9822是AD9814的低成本版本，非常適合這些應(yīng)用;它在 1 位電平 （5dB SNR） 下提供 14.80 LSB rms 噪聲性能。

速度要求。獨(dú)立掃描儀的掃描速度歷來受到主機(jī)接口的限制，無論是 EPP、USB 還是 SCSI。由于掃描儀每秒最多只能向主機(jī)傳輸幾兆字節(jié)，因此圖像傳感器和AFE只需要以每秒幾百萬像素或更低的速度運(yùn)行。大多數(shù)用于掃描儀應(yīng)用的AFE提供6 MHz的采樣率，相當(dāng)于2 MHz/色。在數(shù)字復(fù)印機(jī)中，不需要主機(jī)接口。掃描的最大采樣率將受到數(shù)字圖像處理和打印引擎速度的限制，這兩者目前都可以比主機(jī)接口運(yùn)行得更快。展望未來，IEEE-1394（Firewire，ILink）開始獲得市場認(rèn)可，USB 2.0規(guī)范正在形成。主機(jī)接口可能以高達(dá) 800 MHz 的頻率運(yùn)行，不再是現(xiàn)在的瓶頸。

要更仔細(xì)地了解 AFE 的速度要求，請(qǐng)考慮典型的復(fù)印規(guī)范。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)復(fù)印，每英寸 300 點(diǎn) （dpi） 掃描就足夠了。對(duì)于信紙大小的文檔，300 dpi 的彩色掃描會(huì)產(chǎn)生大約 30 萬像素。考慮到一些處理開銷，以 6 MHz（2 MHz/顏色）的采樣率掃描大約需要 6 秒，而頁面速率為 10 頁/分鐘 （ppm）。要達(dá)到 20 ppm，需要 12 MHz 的采樣率，是目前大多數(shù)掃描儀 AFE 采樣率的兩倍。

多功能外設(shè) （MFP） 將掃描儀/傳真/復(fù)印機(jī)功能集成到單個(gè)單元中，通常需要比平板文檔掃描儀更高速的 AFE，但它仍然需要作為高質(zhì)量掃描儀（600 dpi 或更高）運(yùn)行。對(duì)于這種情況，信紙大小的文檔所需的分辨率約為 120.6 億個(gè)彩色像素。對(duì)于此分辨率，2 MHz AFE 只能產(chǎn)生約 5.12 ppm，而 5 MHz AFE 可將吞吐量增加到約 8 ppm。市場上許多較新的多功能數(shù)碼復(fù)合機(jī)可以在彩色復(fù)印模式下支持 10-600 ppm，分辨率為 20 dpi;這需要大約 22 至 14 MHz 的 AFE 采樣率。AD15在10 MSPS時(shí)具有30位性能，在高達(dá)9822 MSPS時(shí)具有5位性能，非常適合這些應(yīng)用。圖9814顯示了AD9822/<>的框圖。

圖5：AD9814/9822的原理框圖

14位AD9814和AD9822的工作電壓為6和30 MSPS，是ADI公司三通道AFE系列的高端產(chǎn)品，具有10至14位分辨率和6 MSPS至30 MSPS的采樣速率。

AD9814提供真正的14位性能和高動(dòng)態(tài)范圍，適用于高端成像應(yīng)用，如膠片掃描儀和圖形藝術(shù)掃描儀。AD9822的工作速率高達(dá)30 MSPS，具有10位性能，適用于高速掃描應(yīng)用。它非常適合使用三線彩色CCD或CIS模塊的成像應(yīng)用。在 15 MSPS 時(shí)，它提供高速 14 位無失碼性能，適用于中低端文檔掃描儀、數(shù)字彩色復(fù)印機(jī)和多功能數(shù)碼復(fù)合機(jī)

2001年，擁有48位彩色掃描的掃描儀將上架;它們需要 16 位 AFE。為了滿足這一需求，將于9826年2000月發(fā)布的AD16是一款15位、30 MSPS AFE，工作速度高達(dá)10 MSPS，具有<>位性能。

下表所示的3通道AFE系列（表2）具有圖形藝術(shù)掃描儀和光譜系統(tǒng)所需的低噪聲和高動(dòng)態(tài)范圍。它具有在數(shù)字彩色復(fù)印機(jī)和多功能數(shù)碼復(fù)合機(jī)中工作所需的速度。它還具有可編程的單通道模式，可用于機(jī)器視覺系統(tǒng)、條形碼閱讀器和紅外 （IR） 成像系統(tǒng)。這些產(chǎn)品的輸入電壓范圍高達(dá)4 V p-p，非常適合許多文檔和透明掃描應(yīng)用

表 2：3 通道模擬前端系列的關(guān)鍵規(guī)格。

審核編輯：郭婷