高速線陣CCD IL-P1-4096的原理和應用
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摘要：IL-P1-4096是加拿大DALSA公司生產(chǎn)的雙相高速線陣CCD。其單相工作頻率可達25MHz甚至更高，因此應用十分廣泛。文中介紹了IL-P1-4096的性能和工作原理，并給出了具體的應用電路。
關鍵詞：CCD 驅動時序 IL-P1-4096
1 引言
近年來，電荷耦合器件（CCD，Charge Coupled Devices）在圖像拍攝方面起著非常重要的作用。是光電成像領域里非常重要的高新技術產(chǎn)品。與傳統(tǒng)的拍攝傳感器相比，CCD圖像傳感器具有輸出噪聲小、動態(tài)范圍大、光譜響應范圍寬、分辨率高、輸出信號線性度好、功耗低、體積小、壽命長等優(yōu)點。CCD從芯片結構上可分為面陣CCD和線陣CCD兩種類型。面陣CCD主要用于黑白及彩色攝像，而線陣CCD則在高清晰圖像拍攝方面表現(xiàn)出良好的應用前景，因此，CCD成為現(xiàn)代光電子學和測試技術中最活躍、最富有成果的應用器件之一。
圖1
2 主要特點和引腳功能
2．1 主要特點
本文描述的高速線陣CCD IL-P1-4096是加拿大DALSA公司生產(chǎn)的IL-P1系列圖像傳感器中的一種。該器件的像素尺寸是10μmμm、像素線陣長度為41mm、相鄰像素間距也是10μm。線陣列的像素共有4096個，分兩路輸出。IL-P1-4096的主要性能參數(shù)如下：
雙相輸出，每相輸出數(shù)據(jù)頻率為25MHz；
線掃描速率為87kHz；
可使用低壓時序信號，時序信號電壓小于5V；
像素尺寸為10μm10μm；
每行4096個像素點；
動態(tài)響應范圍大于3200：1；
靈敏度高，響應可達到12V（uJ/cm2）;
采用15V電壓供電；
每行孤立像素為14個；
每行屏蔽像素為32個。
2．2 引腳功能
IL-P1-4096采用32引腳封裝。各引腳的定義及說明如下：
腳1、18（VLOW）：低壓偏置電壓，具體電路中可直接接地。
腳2、18（VDD）：放大器電源電壓，通常情況下接芯片電源。
腳3（OS1）：輸出信號1端，連接到數(shù)據(jù)處理芯片時要接隔直電容。
腳4（VSET）：輸出節(jié)點門電壓設置。通常箝位于地。
腳5（CRLAST）：讀出時鐘，該時鐘信號應和CR1S的頻率、相位一致。
腳6，22（RS1S）：時鐘1讀出（相位1，存儲相位），與CR2S反相。
腳7，23（CR2S）：時鐘2讀出（相位2，存儲相位），與CR1S同頻、反相。
腳8（TCK）：傳輸時鐘。
腳9（PR）：像素復位時鐘，用于控制CCD曝光和光積分時間。
腳10（VPR）：像素復位漏極電壓，接工作電源。
腳11，28（CR1B）：讀出時鐘（相位1，閾值相位），該端信號和CR1S同頻、同相。
腳12，27（CR2B）：讀出時鐘（相位2，閾值相位），該端信號和CR2S同頻、同相。
腳14，15，17，19（VHIGH）：15V高壓基準電源。
腳16（NC）：懸空。
腳20，21，26（VBB）：感光低層偏置電壓，接（-3V）。
腳24（VSTOR）：存儲井電壓，直接接地。
腳25，29（VSS）：參考地，直接接地。
腳30（OS2）：輸出信號2端，連接到數(shù)據(jù)處理芯片時要接隔直電容器。
腳31（VOD）：輸出復位漏極電壓端，接（+13V）電源。
腳32（RST）：輸出復位時鐘，頻率和CR1S相同，脈沖下降沿與CR1S的下降沿重合，脈寬為5ns。
IL-P1-4096可根據(jù)傳感器光敏單元（像素）上的感光變化，將對象圖像的感光變化轉化為電荷包。電荷包中電子的個數(shù)是由感光強度和CCD器件的光積分時間決定的。電荷包被收集到獨立的存儲井中，然后用像素復位時鐘來控制CCD器件的積分和曝光時間。
IL-PI系列傳感器內部由三大主要功能塊組成：光電二極管、CCD讀出移位寄存器和輸出放大器。其中光電二極管用來生成信號電荷包，輸出放大器用來將電荷轉化為電壓脈沖，其內部結構如圖1所示。需要注意的是，IL-P1-4096傳感器是兩路輸出，奇像素和偶像素分別從不同的輸出通道輸出，是一種雙排的線列陣CCD，光敏單元在中間，奇、偶單元的信號電荷分別傳到上下兩列移位寄存器后分兩路串行輸出。這種CCD的優(yōu)點是具有較高的封裝密度，轉移次數(shù)減少一半，因而可提高轉移效率，改善圖像傳感器的信號質量。
該傳感器中的光敏單元與CCD移位寄存器分開，而用轉移柵控制光生信號電荷向移位寄存器的轉移，其信號的轉移時間一般遠小于攝像時間（光積分的時間）。當轉移柵關閉時，光敏單元勢阱將收集光信號電荷，并經(jīng)過一定的積分時間后，形成與空間分布的光強信號對應的信號電荷圖形。積分周期結束后，轉移光柵打開，各光敏單元勢阱收集的信號電荷并行轉移到CCD移位寄存器SR的相應單元內。轉移柵關閉后，光敏單元開始下一行的圖像采集，而已轉移到移位寄存器內的上一行信號電荷將通過移位寄存器串行輸出，如此重復上述過程。
這里的CR1S、CR1B、CR2S、CR2B是CCD輸出像素的相位操作時鐘。CRLAST是該CCD的信號輸出時鐘。RST是像素復位時鐘。TCR是行轉移同步信號，可用來控制轉移柵。PR是曝光控制和積分時間控制信號，其電平上升沿要平滑，不能陡峭。在TCK的兩個高電平之間，可由PR來控制CCD的曝光和積分時間。整個芯片的工作過程如下：當TCK的高電平到來時，CCD傳感器曝光的光敏單元會將采集到的光信號轉移的相應的移位單元中。CCD的光敏單元在PR積分控制信號的作用下重新開始感光積分，而進入移位單元中的信號將在兩相操作時鐘CR1X、CR2X的作用下移出。RST信號的作用是減小兩像素之間的相關信號，可在當前像素信號輸出后到下一個像素信號到來前，對殘余信號進行清除。
IL-P1-4096的工作驅動時序電路如圖2和圖3所示。由圖可見，CR1X（CR1S、CR1B）和CR2X（CR2X，CR2B）的相位必須相反，頻率大小為25MHz（該頻率可以根據(jù)實際使用情況和條件設定相應縮小，但所有的時序都要因此做相應改變以符合CCD的整個時序要求）。CR1X和CR2X上升沿和下降沿的時差最大不能超過5ns，CR1S和TCK時鐘下降沿的時差最小不能低于5ns。TCK的頻率大小為11.9kHz，理想脈寬設定為300ns。PR的頻率也為11.9kHz，而脈寬則為10μs（PR的脈寬應該根據(jù)實際的使用情況適當改變大小，其高電平上升沿和TCK高電平下降沿的時差在相距23ns的基礎上根據(jù)實際情況調節(jié)）。RST頻率為25MHz，脈寬大小為5ns。圖中的OSn（OS1、OS2）為CCD輸出信號。
4 具體應用電路
由于對IL-PI4096的工作頻率要求很高、相位關系復雜，因此，筆者推薦使用高速CPLD作為CCD的基本時序發(fā)生器。設計時可使用Lattic公司的ispMACH4000C/B/V系列芯片，該芯片的工作時鐘可以達到400MHz，完全可以滿足此CCD的工作時序要求。
圖4所示是IL-P1-4096的具體應用電路。從CPLD發(fā)送過來的基本時鐘信號可通過簡單電路進行相位校正并提供驅動電流，然后再送入CCD芯片。在Osn的輸出端。電路可通過幾個三極管組成的恒流源來提供CCD所需要的8mA驅動電流。
圖4
在調式電路的時候，應當選用比較低的頻率來控制IL-P1-4096的工作，然后，逐漸升高工作頻率。在CPLD上使用ISP軟件改變輸出頻率是比較方便的。
5 結束語
IL-P1-4096的精度高、感光響應快，在工業(yè)控制和測量領域（如流水線產(chǎn)品檢測、分類，文字與圖像的識別，機械產(chǎn)品尺寸非接觸測量等），該器件具有很強的實用性。
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