數(shù)碼相機(jī)的CCD前端系統(tǒng)方案

摘要： 本文講述數(shù)碼相機(jī)的CCD的前端系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)CCD、CDS、電路設(shè)計(jì)、時(shí)序調(diào)整作了較詳細(xì)的闡述。

關(guān)鍵詞： CCD；CDS；數(shù)碼相機(jī)

CCD(電荷藕合組件)

因不同種類的工作需求，業(yè)界發(fā)展出不同的類型的CCD：Line(線型)，Interline(掃描)， Full-Frame(全景)和Frame-Transfer(全傳)。線型CCD是以一維感光點(diǎn)構(gòu)成，通過步進(jìn)馬達(dá)掃描圖像，由于照片是一行行組成，所以速度較二維的數(shù)碼相機(jī)來(lái)得慢，這種CCD大多用在平臺(tái)式掃描儀上。掃描型的CCD曝光后所產(chǎn)生的電荷都被轉(zhuǎn)移到附近的移位寄存器，通過垂直傳送向下轉(zhuǎn)移到底部，按一定排序輸出，它的優(yōu)點(diǎn)在于曝光后即可將電荷儲(chǔ)存在寄存器，繼續(xù)拍照速度較快， 缺點(diǎn)是寄存器占用了感光面的面積， 相應(yīng)地犧牲了動(dòng)態(tài)范圍，這種CCD成本較低，多用在監(jiān)視器、拍照手機(jī)、或低檔數(shù)碼相機(jī)上。全景CCD是一種架構(gòu)更簡(jiǎn)單的感光設(shè)計(jì)，鑒于掃描型的缺點(diǎn)，全景型可以利用整個(gè)感光區(qū)域(沒有寄存區(qū)的設(shè)計(jì))，有效增大感光面積，同時(shí)也適應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間曝光，其曝光過程和線型相同， 不過感光和電荷輸出過程是分開的。因此全景CCD的數(shù)碼相機(jī)在傳送電荷時(shí)必須使用機(jī)械快門(無(wú)法使用電子快門)，同時(shí)，也限制了全景CCD的連續(xù)拍照的能力。全景型大多用在專業(yè)級(jí)相機(jī)上。全傳CCD的架構(gòu)介于掃描和全景之間， 有時(shí)也叫全掃描型，它分成上、下部分，上半部分是感光區(qū)，下半部是暫時(shí)存儲(chǔ)區(qū)。整體來(lái)說(shuō)全傳CCD非常類似全景CCD，它的特點(diǎn)在于直接規(guī)劃一個(gè)大型寄存區(qū)。一旦全傳CCD工作，它可以迅速將電荷轉(zhuǎn)移到下方的寄存區(qū)中，本身可以繼續(xù)曝光拍照。這種設(shè)計(jì)，讓全傳同掃描一樣可以使用電子快門， 同時(shí)也可以增加感光面積和速度， 兼顧動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的拍攝能力。大多數(shù)數(shù)碼相機(jī)采用此類CCD。

圖1  全掃描CCD的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

一般數(shù)碼相機(jī)都帶有預(yù)覽(Preview)和錄像(Rec)功能，在這里電子快門就起到了關(guān)鍵的作用。圖2為電子快門控制像素的曝光過程。

圖2  電子快門控制像素的曝光

圖3為CCD內(nèi)部示意圖，當(dāng)一幅圖像曝光后，就需要將感光電荷從CCD輸出，為了讓感光的電荷輸出，電荷先到垂直寄存器，通過垂直驅(qū)動(dòng)脈沖(Φ1~Φ9)將每一行的電荷轉(zhuǎn)移到水平寄存器，水平寄存器在水平驅(qū)動(dòng)脈沖(ΦH1，ΦH2)驅(qū)動(dòng)下，往CCD OUT方向移動(dòng)，在末段有一放大器，ΦRS，ΦH1，ΦH2脈沖的作用下將電荷轉(zhuǎn)換為電壓，從CCD OUT 輸出。

圖3 CCD內(nèi)部等效電路圖

CDS(相關(guān)兩次取樣)

業(yè)界所稱的CDS 是由時(shí)序發(fā)生器(Timing IC)、垂直驅(qū)動(dòng)器(V-driver)、模擬信號(hào)處理器(AFE IC)集成的IC。它提供CCD的工作時(shí)序、電平并將CCD輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行取樣、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換，將圖像數(shù)據(jù)傳給DSP進(jìn)行圖像處理。

時(shí)序發(fā)生器有一個(gè)寄存器，通過3根串口線進(jìn)行各種設(shè)定：模式設(shè)定(拍照、錄像或預(yù)覽)，電子快門和速度，ΦRS，ΦFR,ΦFCDS,ΦFS,ΦA(chǔ)DCK,ΦDCLK相位調(diào)整，等等。

模擬信號(hào)處理器(AFE IC)有一個(gè)寄存器，通過3根串口線進(jìn)行各種設(shè)定：CCD輸出信號(hào)放大倍數(shù)(GAIN)，默認(rèn)“全黑”時(shí)電平，等等進(jìn)行設(shè)定。

相關(guān)兩次取樣：在ΦRS，ΦH1，ΦH2脈沖的作用下CCD信號(hào)輸出，當(dāng)復(fù)位(RS)完成， 由于CCD暗電流的存在，CCD OUT不是為“0”，F(xiàn)CDS脈沖取樣Vprec。當(dāng)H2為高電平時(shí)，圖像信號(hào)輸出，F(xiàn)S脈沖取樣Vdata，兩者的差值就是圖像信號(hào)Vcds，這就是相關(guān)兩次取樣，如圖4所示。

圖4  CCD的相關(guān)兩次取樣

電路設(shè)計(jì)

本文以某款7百萬(wàn)像素的數(shù)碼相機(jī)設(shè)計(jì)作為說(shuō)明，CCD采用SHARP公司的RJ23U3BA0FT，尺寸為1/2.5英寸，像素總數(shù)為水平3098