高速線(xiàn)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(xiàn)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(guān)鍵詞：CCD 驅動(dòng)時(shí)序 IL-P1-4096
1 引言
近年來(lái)，電荷耦合器件（CCD，Charge Coupled Devices）在圖像拍攝方面起著(zhù)非常重要的作用。是光電成像領(lǐng)域里非常重要的高新技術(shù)產(chǎn)品。與傳統的拍攝傳感器相比，CCD圖像傳感器具有輸出噪聲小、動(dòng)態(tài)范圍大、光譜響應范圍寬、分辨率高、輸出信號線(xiàn)性度好、功耗低、體積小、壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)。CCD從芯片結構上可分為面陣CCD和線(xiàn)陣CCD兩種類(lèi)型。面陣CCD主要用于黑白及彩色攝像，而線(xiàn)陣CCD則在高清晰圖像拍攝方面表現出良好的應用前景，因此，CCD成為現代光電子學(xué)和測試技術(shù)中最活躍、最富有成果的應用器件之一。
圖1
2 主要特點(diǎn)和引腳功能
2．1 主要特點(diǎn)
本文描述的高速線(xiàn)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(xiàn)陣長(cháng)度為41mm、相鄰像素間距也是10μm。線(xiàn)陣列的像素共有4096個(gè)，分兩路輸出。IL-P1-4096的主要性能參數如下：
雙相輸出，每相輸出數據頻率為25MHz；
線(xiàn)掃描速率為87kHz；
可使用低壓時(shí)序信號，時(shí)序信號電壓小于5V；
像素尺寸為10μm10μm；
每行4096個(gè)像素點(diǎn)；
動(dòng)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(gè)；
每行屏蔽像素為32個(gè)。
2．2 引腳功能
IL-P1-4096采用32引腳封裝。各引腳的定義及說(shuō)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，連接到數據處理芯片時(shí)要接隔直電容。
腳4（VSET）：輸出節點(diǎn)門(mén)電壓設置。通常箝位于地。
腳5（CRLAST）：讀出時(shí)鐘，該時(shí)鐘信號應和CR1S的頻率、相位一致。
腳6，22（RS1S）：時(shí)鐘1讀出（相位1，存儲相位），與CR2S反相。
腳7，23（CR2S）：時(shí)鐘2讀出（相位2，存儲相位），與CR1S同頻、反相。
腳8（TCK）：傳輸時(shí)鐘。
腳9（PR）：像素復位時(shí)鐘，用于控制CCD曝光和光積分時(shí)間。
腳10（VPR）：像素復位漏極電壓，接工作電源。
腳11，28（CR1B）：讀出時(shí)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(shí)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，連接到數據處理芯片時(shí)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(shí)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(gè)數是由感光強度和CCD器件的光積分時(shí)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(shí)鐘來(lái)控制CCD器件的積分和曝光時(shí)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(lái)生成信號電荷包，輸出放大器用來(lái)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(xiàn)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(diǎn)是具有較高的封裝密度，轉移次數減少一半，因而可提高轉移效率，改善圖像傳感器的信號質(zhì)量。
該傳感器中的光敏單元與CCD移位寄存器分開(kāi)，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(shí)間一般遠小于攝像時(shí)間（光積分的時(shí)間）。當轉移柵關(guān)閉時(shí)，光敏單元勢阱將收集光信號電荷，并經(jīng)過(guò)一定的積分時(shí)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(kāi)，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(guān)閉后，光敏單元開(kāi)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(guò)移位寄存器串行輸出，如此重復上述過(guò)程。
這里的CR1S、CR1B、CR2S、CR2B是CCD輸出像素的相位操作時(shí)鐘。CRLAST是該CCD的信號輸出時(shí)鐘。RST是像素復位時(shí)鐘。TCR是行轉移同步信號，可用來(lái)控制轉移柵。PR是曝光控制和積分時(shí)間控制信號，其電平上升沿要平滑，不能陡峭。在TCK的兩個(gè)高電平之間，可由PR來(lái)控制CCD的曝光和積分時(shí)間。整個(gè)芯片的工作過(guò)程如下：當TCK的高電平到來(lái)時(shí)，CCD傳感器曝光的光敏單元會(huì )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(kāi)始感光積分，而進(jìn)入移位單元中的信號將在兩相操作時(shí)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(guān)信號，可在當前像素信號輸出后到下一個(gè)像素信號到來(lái)前，對殘余信號進(jìn)行清除。
IL-P1-4096的工作驅動(dòng)時(shí)序電路如圖2和圖3所示。由圖可見(jiàn)，CR1X（CR1S、CR1B）和CR2X（CR2X，CR2B）的相位必須相反，頻率大小為25MHz（該頻率可以根據實(shí)際使用情況和條件設定相應縮小，但所有的時(shí)序都要因此做相應改變以符合CCD的整個(gè)時(shí)序要求）。CR1X和CR2X上升沿和下降沿的時(shí)差最大不能超過(guò)5ns，CR1S和TCK時(shí)鐘下降沿的時(shí)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的脈寬應該根據實(shí)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(shí)差在相距23ns的基礎上根據實(shí)際情況調節）。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(guān)系復雜，因此，筆者推薦使用高速CPLD作為CCD的基本時(shí)序發(fā)生器。設計時(shí)可使用Lattic公司的ispMACH4000C/B/V系列芯片，該芯片的工作時(shí)鐘可以達到400MHz，完全可以滿(mǎn)足此CCD的工作時(shí)序要求。
圖4所示是IL-P1-4096的具體應用電路。從CPLD發(fā)送過(guò)來(lái)的基本時(shí)鐘信號可通過(guò)簡(jiǎn)單電路進(jìn)行相位校正并提供驅動(dòng)電流，然后再送入CCD芯片。在Osn的輸出端。電路可通過(guò)幾個(gè)三極管組成的恒流源來(lái)提供CCD所需要的8mA驅動(dòng)電流。
圖4
在調式電路的時(shí)候，應當選用比較低的頻率來(lái)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(yǔ)
IL-P1-4096的精度高、感光響應快，在工業(yè)控制和測量領(lǐng)域（如流水線(xiàn)產(chǎn)品檢測、分類(lèi)，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(shí)用性。
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