1036×1010像素CCD圖像傳感器TC281

摘要：TC281是美國德州儀器公司（TI）生產的1036×1010像素CCD圖像傳感器。本文介紹了它的主要特點、引腳功能和結構原理，并給出了它的典型應用電路。

關鍵詞：TC281 CCD 圖像傳感器 像素

1 概述

TC281是一種幀傳輸電荷耦合器件（CC）圖象傳感器，它具有高清晰度的圖像探測能力，可應用于圖像處理，如機器人視覺、醫(yī)學X射線分析和計量學等。它在水平和垂直方向上的圖像感測區(qū)域范圍均為8mm，對角線為11.3mm，傳感器圖像區(qū)域為8μm2像素。暗基準信號可從定位于圖像區(qū)域和存儲區(qū)域之間的10個暗其準行中獲得，有28個暗其準像素定位在每個水平行的左邊沿，另外8個暗基準像素定位在每個水平行的右邊沿。

TC281存儲器由1010行組成，每行有1036像素。該區(qū)域遠見卓識金屬層保護以避免光的照射。在傳感器圖像區(qū)域產生的光電荷能在110μs之內將圖像傳輸到存儲器區(qū)域。在圖像捕獲完成（集參時間）并傳輸到存儲器后，便由后輸荷完成對圖像的讀出。讀出時，每次讀出一行并將其送入定位在存儲區(qū)域下面的串行寄存器。而串行寄存器包含1036個有效像素和9個虛擬像素。最大的串行寄存器數據率為每秒40兆像素。如果必須清除存儲區(qū)域內所有電荷，則可使電荷快速通過串行寄存器，并傳輸到位于寄存器下面的清除漏極。

高效電荷容量檢測（BCD）節(jié)點把電荷從每個像素轉換為一個輸出電壓，并經過一個低噪聲二級源極跟隨放大器進行放大，其目的是在送到輸出端之前進一步緩沖該電壓信號。這種傳感器很容易實現每秒30幀的讀出率。傳感器的霜保護是基于一個先進的橫向溢出漏極（ALOD）。當合適的直流偏置用于溢出漏極時，反霜功能被激活。這種保護能夠清除圖像區(qū)域的全部電荷。這一點的實現是靠提供至少1μs持續(xù)時間的單個10V脈沖信號到溢出漏極來完成的。

TC281圖像傳感器使用TI公司專用的先進虛擬階段（AVP）技術、橫向溢出漏極和BCD檢測節(jié)點。這些特征可給TI圖像檢測設備提供高藍色響應、近IR高靈敏度、低暗電流、高光響應一致性和單相時鐘。TC281工作溫度范圍為-10℃～40℃。

2 主要特點和引腳功能

TC281采用雙列直插封裝，其引腳排列如圖1所示，各引腳的功能如表1所列。TC281的主要特點如下：

●分辨率高，為固態(tài)幀傳輸圖像傳感器；

●圖像區(qū)域對角線為11.3mm；

●具有1000（H）×1000（V）有效像素數；

●每秒可掃描30幀；

●8μm2像素區(qū)域；

●暗（無照）電流低；

●反霜先進的橫向溢出漏極；

●具有單脈沖圖像區(qū)域清除能力；

●具有超過60dB的動態(tài)范圍；

●靈敏度和量子效率很高；

●可通過TI先進的BCD節(jié)點技術進行非破壞性電荷檢測；

●近紅外（IR）高靈敏度和高藍色響應；

●無圖像老化、圖像殘留、圖像失真、圖像滯后或顫噪效應等現象。

表1 TC281引腳功能

3 結構原理

TC281圖像傳感器由圖像感測區(qū)域、LAOD、存儲區(qū)域、串行寄存器和帶緩沖放大器的BCD節(jié)點5個基本功能塊組成，其原理方框圖如圖2所示。

3.1 圖像感測區(qū)域

圖像感測區(qū)域包含1036×1010像素數。金屬遮不屏在感測區(qū)域可覆蓋左邊沿上的28個像素、右邊沿上的8個像素和感測區(qū)域底部的10行。暗像素信號在視頻信號處理期間用作暗參考。暗參考以相同的速率積累暗電流作為有效地址，以代表真實的黑電平信號。當光在圖像區(qū)域內進入有效光地址時，將產生電子空穴對，其電子將在像素勢阱被收集。該勢阱的有限電荷存儲容量由像素設計決定。當亮像素超過產生的電子數極限時，電子將溢出到附近的像素而引起圖像模糊。為避免這些現象的產生，可讓感測區(qū)域內每行的一對象素分擔橫向溢出漏極結構，并利用這一結構提供從1000到1不良現象的防護墻。

3.2 先進的橫向溢出漏極

先進的橫向溢出漏極結構由兩個相鄰的像素分擔，該結構還可以在傳感器中提供若干單一特性?？赏ㄟ^改變漏極直流偏壓來控制光圈保護電平，并將其轉化為熱阱容量。

在標稱直流偏置電平上，用最小持續(xù)時間為1μs/10V脈沖可使圖像區(qū)域內的電荷被徹底清除。這個特性可使幀與幀之間的集成時間得到精確控制。在集成開始前，單個脈沖清除能力通常消除像素的積累電荷（單面涂片）也能減少涂片。在并行傳輸期間，建議用2V負脈沖來防止由于與列像素勢阱能量的輕微變化所導致的圖像不清楚。

3.3 存儲區(qū)域

當電荷在讀出前被存儲時，用金屬遮光屏蓋住存儲區(qū)域可防止電荷進一步集成。長期休眠后，在單一射擊模式下使用傳感器時，必須清除多重存儲區(qū)域以確保全部電荷的移動（見圖3）。

3.4 串行寄存器

串行寄存器可以40MHz的最大速率從傳感器區(qū)域傳輸數據，這樣便可以以每秒30幀的幀頻完成1000×1000像素的讀出。數據將在SRG時鐘脈沖的下降沿被傳輸到BCD節(jié)點。

數據也能從并行方向的串行寄存器傳輸到清除漏極，并允許部分行讀出。這種工作模式計時指的是在對TRG計時的同時，將下一行從存儲器傳輸到串行寄存器。為提高設備靈敏度，在列內的多重像素貯藏器可在寄存器讀出前，通過多重行傳輸到串行寄存器被執(zhí)行。這種工作模式一睥計時如圖4所示。切記不要轉移太多行，也不要超過串行寄存器的勢阱容量。在水平貯藏用于傳感器時，可通過適當的復位脈沖空指令在BCD檢測節(jié)點來完成。

3.5 大量電荷檢測節(jié)點和輸出放大器

TC281圖像傳感器使用專門的TI電荷檢測設備呼叫暗電荷檢測節(jié)點。在這個節(jié)點，信號電子包被傳輸到一只單獨設計的P溝道MOS晶體管下面，并在此處調制晶體閾值電壓。被檢測的閾值電壓的變化代表期望的輸出信號。在檢測完成后，可通過復位脈沖電荷從這個節(jié)點消除。BCD電荷檢測的主要優(yōu)點之一是電荷感測的非破壞性。由于非破壞性讀出不產生復位噪聲，因此不必進行CDS后處理。另外BCD電荷檢測還具有速度高和噪聲低的優(yōu)點。

使用時，建議將射極輸出器的輸出緩沖用于TI圖象傳感器，同時把射極輸出器交流耦合到其它的信號處理電路。因為用交流耦合可消除傳感器輸出在直流穩(wěn)定性和傳感器輸出直流電平的變化。

4 應用電路

圖5為TC281的典型應用電路，其中電路的供給電壓VDD應選12V，VCC應為2V，VAA可采用-100電源，而VTST的取值范圍在5～8V之間。另外，在該電路中，還需要注意以下三點：

A.建議用TC281來設計交流耦合系統；

B.盡量采用用戶自定義計時器輸入；

C.不顯示電源退耦電容。