科學(xué)級(jí)ccd相機(jī)噪聲抑制與處理電路的設(shè)計(jì)

科學(xué)級(jí)ccd相機(jī)噪聲抑制與處理電路的設(shè)計(jì)

1cdd器件20世紀(jì)60年代末，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的w.s.伯勒和g.f.smith提出了電子耦合的概念后，電子交換器（cd）在數(shù)字存儲(chǔ)、模擬處理器和傳感器領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前,CCD器件以其自掃描、高分辨率、易與計(jì)算機(jī)連接等特點(diǎn),以及輸出噪聲低、動(dòng)態(tài)范圍大、量子效率高、電荷轉(zhuǎn)移效率高、光譜響應(yīng)范圍寬、幾何穩(wěn)定性好等突出優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是可見光成像、空間光學(xué)、微光夜視等領(lǐng)域最有前途的探測(cè)器件。隨著CCD技術(shù)的發(fā)展,頻率高、數(shù)字化的新型科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)不斷出現(xiàn)。在評(píng)價(jià)科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)優(yōu)劣的諸多性能參數(shù)中,噪聲特性是最重要的指標(biāo)之一。本文分析了選用DALSAIL-E2TDICCD圖像傳感器設(shè)計(jì)的相機(jī)在工作時(shí)存在的幾種主要噪聲源和硬件電路設(shè)計(jì)中采用的消噪技術(shù)以及具體的CCD相機(jī)實(shí)現(xiàn)電路。2tdi-巖石結(jié)構(gòu)CCD圖像傳感器是科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)的關(guān)鍵組成部件,其性能的優(yōu)劣直接影響著相機(jī)的功能和使用效果。該科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)選用了加拿大DALSA公司生產(chǎn)的IL-E2型TDI-CCD圖像傳感器,TDI-CCD具有可以不犧牲空間分辨率和工作速度的情況下獲得高靈敏度這個(gè)突出特點(diǎn),使其在高速、微光領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。該TDI-CCD的像素結(jié)構(gòu)為2048×96。它為單向、單端輸出、級(jí)數(shù)可選、具有藍(lán)光響應(yīng)增強(qiáng)功能的TDI-CCD。它的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,整個(gè)TDI-CCD可以分為3個(gè)功能區(qū),即光敏元探測(cè)區(qū)、電荷傳輸區(qū)、檢測(cè)輸出區(qū),下面分別進(jìn)行闡述。TDI-CCD光敏區(qū)中光敏元為N×M排列結(jié)構(gòu),N為水平方向像元數(shù)(2048個(gè)有效光敏元,兩側(cè)各有若干個(gè)隔離像素和行間暗參考像素),M為垂直方向的像元數(shù)(最大為96像素)。TDI-CCD不僅在線列方向而且在TDI級(jí)數(shù)方向存在移位時(shí)鐘驅(qū)動(dòng),這樣才能保證信號(hào)電荷包有序地傳輸?shù)綑z測(cè)單元。電荷沿TDI方向移動(dòng)由CI1、CI2、CI3、CI4移位驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘信號(hào)控制。另外TDI-CCD可以靈活控制級(jí)數(shù),使其工作于6、12、24、48、96級(jí)5種工作方式。輸出檢測(cè)結(jié)構(gòu)采用緩沖型視頻輸出放大器,為了減小1/f噪聲,采用掩埋溝道二級(jí)源射隨放大器;為了減小寬帶白噪聲,對(duì)MOSFET的溝道寬度進(jìn)行優(yōu)化。3噪聲分析與處理3.1抗混疊噪聲主要考慮了蒸發(fā)和分散性的混光注入CCD光敏區(qū)產(chǎn)生信號(hào)電荷的過(guò)程可看作獨(dú)立、均勻、連續(xù)發(fā)生的隨機(jī)過(guò)程。單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的信號(hào)電荷數(shù)目并非絕對(duì)不變,而是在一個(gè)平均值上作微小的波動(dòng)。這一微小的起伏便形成散粒噪聲。散粒噪聲一個(gè)重要的特性是與頻率無(wú)關(guān),在很寬的頻率范圍內(nèi)都有均勻的功率分辨,通常又稱白噪聲。散粒噪聲功率等于信號(hào)幅度,故散粒噪聲不會(huì)限制CCD器件的動(dòng)態(tài)范圍,但是它決定了CCD的噪聲極限值,特別是當(dāng)CCD在低光照、低反差下應(yīng)用時(shí),由于采取了一切可能的措施降低各種噪聲,光子散粒噪聲便成為主要的噪聲源。它是CCD敏感器件所固有的噪聲,不能被后續(xù)電路所抑制或抵消。3.2對(duì)器件進(jìn)行致冷CCD成像器件在既無(wú)光注入又無(wú)電注入情況下的輸出信號(hào)稱暗信號(hào),即暗電流。暗電流的根本起因在于半導(dǎo)體的熱激發(fā)。暗電流有3個(gè)來(lái)源:其一,耗盡區(qū)里產(chǎn)生復(fù)合中心的熱激發(fā);其二,耗盡區(qū)邊緣的少數(shù)載流子(電子)熱擴(kuò)散;其三,界面上的產(chǎn)生中心的熱激發(fā)。其中,第一項(xiàng)的貢獻(xiàn)是主要的。由于暗電流信號(hào)的幾個(gè)主要成分都與溫度有關(guān),所以抑制暗電流噪聲最有效的措施便是對(duì)器件進(jìn)行致冷。暗電流受溫度的強(qiáng)烈影響,與光積分時(shí)間成正比,隨著溫度的升高或降低,暗電流數(shù)值將按指數(shù)增加或減小,溫度每降低7℃暗電流下降1倍,當(dāng)溫度降低到-30~-50℃時(shí),暗電流就小到無(wú)足輕重的程度。暗電流等效電荷數(shù)與CCD工作溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系見圖2,圖中實(shí)線為CCD的理論計(jì)算值,虛線為實(shí)際測(cè)試值。熱電制冷很容易作到0~-50℃,它可以使暗電流大大減小,隨之而來(lái),將使暗電流噪聲得到很好的抑制。致冷方法是降低CCD器件熱噪聲的主要手段,在科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)中都采用了致冷技術(shù)。引起暗電流噪聲的另外一個(gè)重要原因是CCD硅體內(nèi)的復(fù)合產(chǎn)生中心不均勻性引起的。其暗電流噪聲的具體數(shù)值與襯底材料質(zhì)量和工藝過(guò)程有密切關(guān)系。只要在CCD芯片生產(chǎn)制造中采用吸雜工藝以增加硅體內(nèi)的復(fù)合中心的均勻性,相應(yīng)的暗電流噪聲逐漸減小。3.3噪聲的復(fù)位3.3.1浮置擴(kuò)散放大器的選擇輸出電路的功能在于將信號(hào)電荷轉(zhuǎn)換為信號(hào)電壓,并進(jìn)行讀出。電荷包的輸出方式很多,該科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)所選用的DALSAIL-E2型圖像傳感器采用最常用的浮置擴(kuò)散放大器FDA(FloatingDiffusionAmplifier)結(jié)構(gòu)。對(duì)于浮置擴(kuò)散放大器結(jié)構(gòu),電荷檢測(cè)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生復(fù)位噪聲、寬帶白噪聲、低頻1/f噪聲。TDI-CCD浮置擴(kuò)散放大器結(jié)構(gòu)如圖3所示。3.3.2tdi-dc復(fù)位噪聲電壓復(fù)位噪聲通常產(chǎn)生于采用浮置擴(kuò)散放大器FDA結(jié)構(gòu)的CCD中。圖3表示TDI-CCD浮置擴(kuò)散放大器輸出方式。T1為復(fù)位MOS晶體管,C0為浮置擴(kuò)散對(duì)地電容;T2是輸出MOS晶體管。當(dāng)復(fù)位噪聲對(duì)C0充電時(shí),A點(diǎn)處的復(fù)位噪聲電壓均方值為:V2(t)ˉˉˉˉˉˉˉˉ=kTC0[1?exp(?2tRC0)].V2(t)ˉ=kΤC0[1-exp(-2tRC0)].式中R為A點(diǎn)處的交流對(duì)地電阻。由于T2的輸入阻抗極高,浮置擴(kuò)散區(qū)與襯底又處于反偏,故可認(rèn)為R就是復(fù)位管T1(RON為T1導(dǎo)通溝道電阻,ROFF為T1截止溝道電阻)的溝道電阻。進(jìn)行“復(fù)位”時(shí),也就是ΦR加上正脈沖使T1導(dǎo)通,此時(shí)VA≈VDR,R=RON=104Ω,一般C0為0.1pF數(shù)量級(jí),則時(shí)間常數(shù)為:RONC0=1ns,為ns級(jí)。而一般復(fù)位脈沖頻率在幾個(gè)MHz以下,相應(yīng)的脈沖周期為μs級(jí)?？梢?t?RONC0,故:V2(t)ˉˉˉˉˉˉˉˉ=kTC0[1?exp(?2tRONC0)]=kTC0.V2(t)ˉ=kΤC0[1-exp(-2tRΟΝC0)]=kΤC0.也就是說(shuō),在“復(fù)位”時(shí)間間隔內(nèi),復(fù)位噪聲電荷將迅速在C0中充滿,系統(tǒng)將處于穩(wěn)態(tài)。當(dāng)ΦR為零電位時(shí),復(fù)位管T1關(guān)斷。此時(shí)A點(diǎn)處于高電阻狀態(tài),ROFF>104Ω,達(dá)到1010Ω以上。此時(shí),時(shí)間常數(shù)ROFFC0=1ms,為ms級(jí)。而一般復(fù)位脈沖頻率在幾個(gè)MHz以下,相應(yīng)的脈沖周期為μs級(jí)?？梢?t?ROFFC0。如T1未導(dǎo)通過(guò)(即C0中尚未充有復(fù)位噪聲電荷),則此時(shí)A點(diǎn)處的復(fù)位噪聲電壓將為:V2(t)ˉˉˉˉˉˉˉˉ=kTC0[1?exp(?2tROFFC0)]=0.V2(t)ˉ=kΤC0[1-exp(-2tRΟFFC0)]=0.如果T1已經(jīng)導(dǎo)通過(guò),此時(shí)既要考慮復(fù)位噪聲按ROFFC0時(shí)間常數(shù)在C0上充電,又要考慮緩慢放電。充電作用已如上所述,近似為零;于是可以認(rèn)為此時(shí)A點(diǎn)處的復(fù)位噪聲電壓均方值為:V2(t)ˉˉˉˉˉˉˉˉ=kTC0exp(?2tROFFC0)=kTC0.V2(t)ˉ=kΤC0exp(-2tRΟFFC0)=kΤC0.也就是說(shuō),因?yàn)榉烹娀芈稲C時(shí)間常數(shù)很大,在T1關(guān)閉的時(shí)間間隔中,可以認(rèn)為C0中仍保持“復(fù)位”時(shí)引入的復(fù)位噪聲。圖4表示了TDI-CCD復(fù)位MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管輸出的電壓波形。如果信號(hào)此時(shí)由放大器輸出,則復(fù)位噪聲將不可避免地與信號(hào)混在一起。無(wú)論在參考點(diǎn)SH1或SH2采樣輸出,則其復(fù)位噪聲電壓均為kT/C0??????√kΤ/C0,因?yàn)榍懊嬉呀?jīng)分析了在復(fù)位區(qū)間RON,由于RC時(shí)間常數(shù)小,也就是說(shuō),在“復(fù)位”時(shí)間間隔內(nèi),復(fù)位噪聲電荷將迅速在C0中充滿,系統(tǒng)將處于穩(wěn)態(tài)。復(fù)位區(qū)間過(guò)去后,進(jìn)入ROFF,圖3中的復(fù)位管T1關(guān)斷,此時(shí)A點(diǎn)處于高電阻狀態(tài),放電時(shí)間RC常數(shù)很大,遠(yuǎn)大于復(fù)位區(qū)間時(shí)間間隔,因而此時(shí)引入的殘余噪聲與復(fù)位區(qū)間引入的噪聲值差不多。若認(rèn)為C0=0.25pF,玻爾茲曼常量k=1.3805×10-23J/K,絕對(duì)溫度T=298K,電子電荷量qe=1.6021×10-19C,噪聲電荷Qn(電子數(shù))將為:Qn=Q2n???√=1qekTC0?????√=200.Qn=Qn2=1qekΤC0=200.對(duì)科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)TDI-CCD焦平面組件FPA應(yīng)用來(lái)說(shuō),這已經(jīng)是相當(dāng)可觀的數(shù)值了,必須予以抑制。通常抑制辦法是在TDI-CCD器件片外用電路方法解決,也就是應(yīng)用相關(guān)雙采樣技術(shù)。3.3.3cds-pcr的工作過(guò)程該科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)利用相關(guān)雙采樣(CorrelatedDoubleSampling,CDS)方法來(lái)消除復(fù)位噪聲。相關(guān)雙采樣,是在CCD的像元輸出信號(hào)中,分別對(duì)復(fù)位噪聲電平(即在復(fù)位脈沖過(guò)去之后,信號(hào)電荷包到來(lái)之前的某一時(shí)刻的電平)和像元信號(hào)電平(即信號(hào)電荷包到來(lái)時(shí)的電平)采樣,再將2次采樣的信號(hào)相減作為輸出信號(hào)。由于2次采樣的噪聲是相關(guān)的,因此噪聲被消除。相關(guān)雙采樣CDS方法不僅都能有效地消除KTC噪聲、低頻噪聲和共模噪聲,且電路簡(jiǎn)單、適合于高速應(yīng)用等特點(diǎn),專用的視頻信號(hào)處理芯片中基本上采用這種方法。本文選用EXAR公司的XRD4460專用處理芯片。XRD4460的CDS的原理框圖如圖5所示。CDS輸入信號(hào)為差分輸入方式,這種差分方式不僅有效地抑制開關(guān)干擾,而且采用較小的內(nèi)部電容可以獲得比較長(zhǎng)的保持時(shí)間。CCD2(In-pos)是公共電壓端,即CCD的視頻信號(hào)地,CCD1(In-neg)為實(shí)際的CCD視頻輸出端。為了便于分析相關(guān)雙采樣的工作過(guò)程,我們將結(jié)合控制信號(hào)和內(nèi)部結(jié)點(diǎn)的波形圖進(jìn)行分析,如圖6所示。CCD視頻信號(hào)為周期信號(hào),每周期起始于復(fù)位脈沖的上升沿。首先SDRK為高電平,將PGA(可編程增益放大器)的輸入信號(hào)箝位于VDD電平,內(nèi)部電容對(duì)暗參考電平采樣。為了消除復(fù)位脈沖串?dāng)_的影響,應(yīng)使RSTCCD脈沖的高電平與CCD視頻信號(hào)的復(fù)位脈沖串?dāng)_電平的相位匹配,當(dāng)RSTCCD為高電平時(shí),將CCD輸入信號(hào)與CDS隔離。當(dāng)RSTCCD為低電平時(shí),內(nèi)部電容對(duì)暗參考電平進(jìn)行采樣。當(dāng)SDRK為低電平時(shí),信號(hào)電平通過(guò)內(nèi)部電容耦合到差分放大器PGA1的輸入端。PGA1的輸入電壓為信號(hào)電平與暗參考電平的差,PGA1輸出的全差分信號(hào)如圖5中的va。當(dāng)SPIX為高電平時(shí),PGA2輸入端的內(nèi)部電容對(duì)PGA1的輸出信號(hào)va的信號(hào)電平進(jìn)行采樣保持。這樣PGA2的輸出信號(hào)vb(vb與vc的波形相似,僅僅幅度和直流電平可能不同)便是噪聲和干擾被抑制的視頻真實(shí)信號(hào)。由于暗參考電平和信號(hào)電平的采樣點(diǎn)由SHP和SHD的下降沿控制,為了消除復(fù)位脈沖和水平移位時(shí)鐘的串?dāng)_影響,需要對(duì)SHP的下降沿進(jìn)行精確定位,考慮電荷轉(zhuǎn)移時(shí)間和耦合電容的影響需要對(duì)SHD的下降沿進(jìn)行精確定位。由于2次電平采集在時(shí)間上是相關(guān)的