數碼相機的CCD前端系統方案

摘要： 本文講述數碼相機的CCD的前端系統設計，對CCD、CDS、電路設計、時(shí)序調整作了較詳細的闡述。

關(guān)鍵詞： CCD；CDS；數碼相機

CCD(電荷藕合組件)

因不同種類(lèi)的工作需求，業(yè)界發(fā)展出不同的類(lèi)型的CCD：Line(線(xiàn)型)，Interline(掃描)， Full-Frame(全景)和Frame-Transfer(全傳)。線(xiàn)型CCD是以一維感光點(diǎn)構成，通過(guò)步進(jìn)馬達掃描圖像，由于照片是一行行組成，所以速度較二維的數碼相機來(lái)得慢，這種CCD大多用在平臺式掃描儀上。掃描型的CCD曝光后所產(chǎn)生的電荷都被轉移到附近的移位寄存器，通過(guò)垂直傳送向下轉移到底部，按一定排序輸出，它的優(yōu)點(diǎn)在于曝光后即可將電荷儲存在寄存器，繼續拍照速度較快， 缺點(diǎn)是寄存器占用了感光面的面積， 相應地犧牲了動(dòng)態(tài)范圍，這種CCD成本較低，多用在監視器、拍照手機、或低檔數碼相機上。全景CCD是一種架構更簡(jiǎn)單的感光設計，鑒于掃描型的缺點(diǎn)，全景型可以利用整個(gè)感光區域(沒(méi)有寄存區的設計)，有效增大感光面積，同時(shí)也適應長(cháng)時(shí)間曝光，其曝光過(guò)程和線(xiàn)型相同， 不過(guò)感光和電荷輸出過(guò)程是分開(kāi)的。因此全景CCD的數碼相機在傳送電荷時(shí)必須使用機械快門(mén)(無(wú)法使用電子快門(mén))，同時(shí)，也限制了全景CCD的連續拍照的能力。全景型大多用在專(zhuān)業(yè)級相機上。全傳CCD的架構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，下半部是暫時(shí)存儲區。整體來(lái)說(shuō)全傳CCD非常類(lèi)似全景CCD，它的特點(diǎn)在于直接規劃一個(gè)大型寄存區。一旦全傳CCD工作，它可以迅速將電荷轉移到下方的寄存區中，本身可以繼續曝光拍照。這種設計，讓全傳同掃描一樣可以使用電子快門(mén)， 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。大多數數碼相機采用此類(lèi)CCD。

圖1  全掃描CCD的內部結構

一般數碼相機都帶有預覽(Preview)和錄像(Rec)功能，在這里電子快門(mén)就起到了關(guān)鍵的作用。圖2為電子快門(mén)控制像素的曝光過(guò)程。

圖2  電子快門(mén)控制像素的曝光

圖3為CCD內部示意圖，當一幅圖像曝光后，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(guò)垂直驅動(dòng)脈沖(Φ1~Φ9)將每一行的電荷轉移到水平寄存器，水平寄存器在水平驅動(dòng)脈沖(ΦH1，ΦH2)驅動(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換為電壓，從CCD OUT 輸出。

圖3 CCD內部等效電路圖

CDS(相關(guān)兩次取樣)

業(yè)界所稱(chēng)的CDS 是由時(shí)序發(fā)生器(Timing IC)、垂直驅動(dòng)器(V-driver)、模擬信號處理器(AFE IC)集成的IC。它提供CCD的工作時(shí)序、電平并將CCD輸出的模擬信號進(jìn)行取樣、放大、模數轉換，將圖像數據傳給DSP進(jìn)行圖像處理。

時(shí)序發(fā)生器有一個(gè)寄存器，通過(guò)3根串口線(xiàn)進(jìn)行各種設定：模式設定(拍照、錄像或預覽)，電子快門(mén)和速度，ΦRS，ΦFR,ΦFCDS,ΦFS,ΦADCK,ΦDCLK相位調整，等等。

模擬信號處理器(AFE IC)有一個(gè)寄存器，通過(guò)3根串口線(xiàn)進(jìn)行各種設定：CCD輸出信號放大倍數(GAIN)，默認“全黑”時(shí)電平，等等進(jìn)行設定。

相關(guān)兩次取樣：在ΦRS，ΦH1，ΦH2脈沖的作用下CCD信號輸出，當復位(RS)完成， 由于CCD暗電流的存在，CCD OUT不是為“0”，FCDS脈沖取樣Vprec。當H2為高電平時(shí)，圖像信號輸出，FS脈沖取樣Vdata，兩者的差值就是圖像信號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

電路設計

本文以某款7百萬(wàn)像素的數碼相機設計作為說(shuō)明，CCD采用SHARP公司的RJ23U3BA0FT，尺寸為1/2.5英寸，像素總數為水平3098