CCD图像传感器读出电路研究与设计
基于CCD图像传感器驱动电路的设计
摘要：本文以tcd1501c型ccd图像传感器为例。
介绍了其性能参数及外围驱动电路的设计，驱动时序参数可以通过vhdl程序灵活设置。
该电路已成功开发并应用于某型非接触式位置测量产品中。
关键词：ccd 驱动时序放大器1引言电荷耦合器件(ccd)是20世纪60年代末期出现的新型半导体器件。
目前随着ccd器件性能不断提高。
ccd驱动器有两种：一种是在脉冲作用下ccd器件输出模拟信号，经后端增益调整电路进行电压或功率放大再送给用户：另一种是在此基础上还包含将其模拟量按一定的输出格式进行数字化的部分，然后将数字信息传输给用户，通常的线阵ccd摄像机就指后者，外加机械扫描装置即可成像[1]。
所以根据不同应用领域和技术指标要求。
选择不同型号的线阵ccd器件，设计方便灵活的驱动电路与之匹配是ccd应用中的关键技术之一。
2ccd工作原理ccd是以电荷作为信号，而不同于其他大多数器件是以电流或者电压为信号，其基本功能是信号电荷的产生、存储、传输和检测。
当光入射到ccd的光敏面时，ccd首先完成光电转换，即产生与入射光辐射量成线性关系的光电荷。
ccd的工作原理是被摄物体反射光线到ccd器件上，ccd根据光的强弱积聚相应的电荷，产生与光电荷量成正比的弱电压信号，经过滤波、放大处理，通过驱动电路输出一个能表示敏感物体光强弱的电信号或标准的视频信号。
基于上述将一维光学信息转变为电信息输出的原理，线阵ccd可以实现图像传感和尺寸测量的功能。
3驱动电路的实现图像传感器tcd1501c的主要技术指标如下：像敏单元数为5 000；像元尺寸为7μm×7μm；像元中心距为7μm；像元总长为35mm；光谱响应范围为400nm-1000nm．光谱响应峰值波长为550nm，灵敏度为10.4v／lx.s～15.6v／lx.s。
使ccd芯片正常工作的驱动电路主要有两大功能：一是产生ccd工作所需的多路时序脉冲；二是对ccd输出的原始模拟信号进行处理，包括增益放大、差分信号到单端信号的转换[2]。
CCD与CMOS的图像传感器的研究(黄成华)
文献综述CCD 与CMOS 的图像传感的研究（黄成华）班级：电子信息工程1103 姓名：黄成华指导老师：徐老师一．前言70 年代初，随着MOS 技术的成熟，三种典型的固体图像传感—电荷耦合器件（CCD）、电荷注入器件（CID）、光敏二极管阵列（PDA）得到了发展。
在这三种固体图像传感器中，CCD 发展最为迅速。
CCD 器件及其应用技术的研究取得了惊人的进展。
到90 年代初，CCD 技术已比较成熟。
作为一种新型光电转换器被广泛应用，特别是在图像传感和非接触式测量领域的发展则更为迅猛。
随着CCD 应用范围的扩大，其缺点逐渐暴露出来。
为此，人们又开发了另外几种固体图像传感器技术。
其中，最引人注目、最有发展潜力的是CMOS 图像传感器，它能获得和CCD 产品相似的图像质量，且在功耗、集成度上都取得了很大突破。
CMOS 图像传感器具有许多优点，如芯片内部集成了A ／D 转换器、输出为数字信号、外围线路简单、工作时不需要相位驱动脉冲、价格便宜等，这些优点使其很适合于桌面多媒体、视频会议、图像监控等场合。
目前用于图像传感的器件主要有CCD 和CMOS 两大类。
就目前的应用情况来看，CMOS 器件的成像质量还不如CCD 器件的成像质量好。
但由于CMOS 的很多优点，使得其一出现便受到广泛关注，其应用领域也逐渐扩大。
CMOS 器件在工艺等方面的改进，成像质量的改善，系统集成技术的应用。
二．主题本文介绍了CCD与CMOS图像传感器的原理、特点及发展趋势。
分别对CCD与CMOS 图像传感器的结构和工作原理进行对比研究，尤其是CMOS与CCD 两类图像传感之间的不同进行综述。
重点介绍了CMOS 图像传感器的应用技术和发展趋势。
三. 研究的背景和意义随着数码相机、手机相机的兴起，图像传感器正逐渐成为半导体产品中最耀眼的明星之一，而在图像传感器中，CCD与CMOS传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感光二极管(photodiode)进行光电转换，将图像转换为数字数据，而其主要差异是数字数据传送的方式不同。
微光CMOS图像传感器读出电路设计
微光CMOS图像传感器读出电路设计当前固体微光器件以EBCCD 及EMCCD 器件为主，随着CMOS 工艺及电路设计技术的发展，微光CMOS 图像传感器的性能在不断提高，通过采用专项技术，微光CMOS 图像传感器的性能已接近EMCCD 的性能，揭开了CMOS 图像传感器在微光领域应用的序幕。
随着对微光CMOS 图像传感器研究的进一步深入，在不远的未来，微光CMOS图像传感器的性能将达到夜视应用要求，在微光器件领域占据重要地位。
读出电路是微光CMOS 图像传感器的重要组成部分，它的基本功能是将探测器微弱的电流、电压或电阻变化转换成后续信号处理电路可以处理的电信号，它的噪声水平限制着CMOS 图像传感器在微光下的应用。
微光条件下像素的输出信号十分微弱，任何过大的电路噪声、偏移都可以将信号湮没，因此提高读出电路输出信号的SNR 是微光设计的关键之一。
本文采用的新型电容反馈跨阻放大型读出电路CTIA电路，可以提供很低的探测器输入阻抗和恒定的探测器偏置电压，在从很低到很高的背景范围内，都具有非常低的噪声，其输出信号的线性度和均匀性也很好，适合微弱信号的读出。
1 电路设计为完成探测器输出电流向电压的精确转化，所设计的电路由CTIA 和相关双采样（CDS）组成，CTIA 由反向放大器和反馈积分电容构成的一种复位积分器。
其增益大小由积分电容确定。
图1 为典型CTIA 电路结构。
图1 典型CTIA 结构当Reset 信号为高时，MOS 开关开通，由运算放大器的虚短特性可知，输入端的电压与Vref相等，此时积分电容两端电压相等，都为Vref。
当Reset 信号变为低电平时，MOS 开关关断，由于输入端的电压由Vref控制，因此在积分电容Cf右极板上产生感应电荷并慢慢积累，右极板电压逐渐增大，积分过程开始。
最后电压通过相关双采样电路读出。
2 关键单元电路设计2.1 高增益低噪声CTIA电路为了提高读出电路的增益，使电路能在比较短的积分时间内，读出PA 级的电流，电路中的积分电容要非常小。
CCD的嵌入式驱动电路设计及显微图像测量的研究与实现的开题报告
CCD的嵌入式驱动电路设计及显微图像测量的研究与实现的开题报告一、研究背景和意义数字图像处理和测量技术在许多领域得到了广泛的应用，如工业、医学、科学研究等。
其中，CCD显微图像测量技术作为数字图像处理技术的一个重要分支，已经成为现代测量领域的重要手段。
CCD显微图像测量技术具有快速、高精度、非接触等优点，可以适用于各种形状和材料的精密测量。
在CCD显微图像测量技术中，CCD作为一种常见的光学传感器，在图像采集中起到了重要的作用。
CCD的嵌入式驱动电路设计可以实现CCD芯片的控制和参数设置，提高CCD图像采集的稳定性和可靠性。
基于此，本论文将研究CCD的嵌入式驱动电路设计和显微图像测量技术，并对其在工业和科学研究等领域的应用进行深入探究和研究。
二、研究内容和方法本论文的主要研究内容包括：1. 设计CCD的嵌入式驱动电路：首先介绍CCD芯片的结构和工作原理，了解CCD芯片的基本特性和参数。
然后设计CCD的嵌入式驱动电路，包括CCD的时序控制电路、数据传输电路、电源电路等，实现CCD芯片的控制、数据采集和处理等功能。
2. 显微图像测量技术的研究和实现：介绍CCD显微图像测量技术的基本原理和流程，包括图像数据采集、预处理、特征提取和测量等步骤。
选择合适的图像处理算法和测量方法，实现显微图像的高精度测量和分析。
3. 实验验证和分析：通过实验对CCD嵌入式驱动电路和显微图像测量技术进行验证和分析。
在实验中，首先测试CCD嵌入式驱动电路的稳定性和控制效果，然后利用显微镜拍摄样品图像，利用设计的显微图像测量技术进行图像处理和测量，并比较不同测量方法的精度和效率，验证显微图像测量技术的可行性和准确性。
本论文采用文献研究和实验研究相结合的方法，通过文献综述和理论分析，了解CCD和显微图像测量技术的研究进展和应用现状，进而设计和实现CCD的嵌入式驱动电路和显微图像测量系统，并对其性能和效果进行测试和验证。
三、预期成果和意义本论文的预期成果包括：1. CCD的嵌入式驱动电路设计：设计出嵌入式驱动电路，实现CCD芯片的控制和数据采集，并保证系统的稳定性和可靠性。
CCD低噪声读出电路设计
CCD低噪声读出电路设计狄腊梅; 刘宏; 张志勇【期刊名称】《《现代电子技术》》【年(卷),期】2019(042)020【总页数】5页(P1-4,8)【关键词】CCD; 读出电路; FPGA; 模拟前端; 信号采样; 数据分析【作者】狄腊梅; 刘宏; 张志勇【作者单位】西北大学信息科学与技术学院陕西西安 710127; 中国科学院西安光学精密机械研究所光谱成像技术中科院重点实验室陕西西安 710119【正文语种】中文【中图分类】TN722.3-34; TP301.60 引言目前，近红外探测技术已被广泛应用于高光谱遥感成像和医学等方面的检测。
为了满足实际需要，对近红外探测技术的性能要求也很高。
作为探测系统的重要组成部分，读出电路的性能至关重要，其与系统成像的质量与噪声性能有很大关系。
因此，设计低噪声读出电路具有非常重要的意义[1]。
在近红外检测系统中，最重要的硬件电路由红外增强图像传感器和读出电路组成。
图像传感器的主要功能是将目标物体的红外辐射光信号转换为读出电路的输入信号，即转化为读出电路可以处理的电压信号。
读出电路的功能是对图像传感器输出的电信号进行一系列处理优化和有序输出，使后级计算机可以进行图像处理。
由于近红外图像传感器的输出信号非常弱，处理起来非常困难，所以对读出电路的性能要求非常高。
可以说，近红外探测系统成像的质量在很大程度上取决于读出电路的性能[2]。
由于近红外探测技术的不断发展，其在探测成像方面反映出应用的重要性，因此引起了国内外的广泛关注。
检测系统的成像质量在很大程度上取决于读出电路的输出信号的噪声水平，并且较低的噪声可以改善动态范围，同时减少图像噪声，因此设计低噪声读出电路具有非常重要的意义[3]。
本文将针对图像传感器的噪声特性，通过降噪技术设计低噪声读出电路，最后通过分析TH7888A 的性能，设计一款采用全差分CDS 双相关采样技术的近红外读出电路[4-5]。
1 电路设计本文对面阵图像传感器TH7888A 的输出信号的性能进行了详细的分析研究，并设计相应的读出电路。
一文了解CCD图像传感器-设计应用
一文了解CCD图像传感器-设计应用CCD(Charge Coupled Device)图像传感器由CCD电荷耦合器件制成，是固态图像传感器的一种，是贝尔实验室的W.S.Boyle和G.E.Smith于1969年发明的新型半导体传感器。
它是在MOS集成电路的基础上发展起来的，能进行图像信息的光电转换、存储、延时和按顺序传送。
它的集成度高、功耗小、结构简单、耐冲击、寿命长、性能稳定，因面应用广泛。
D电荷耦合器件CCD电荷耦合器件是按一定规律排列的MOS（金属—氧化物—半导体）电容器组成的阵列，其构造如图7—14所示。
在P型或N型硅衬底上生长一层很薄（约1200A）的二氧化硅，再在二氧化硅薄层上依次沉积金属或掺杂多晶硅形成电极，称为栅极。
该栅极和P型（或N型）硅衬底形成了规则的MOS电容器阵列，再加上两端的输入及输出二极管构成了CCD电荷耦合器件芯片。
每一个MOS电容器实际上就是一个光敏元件，如图7—15所示。
当光照射到MOS电容器的P型硅衬底上时，会产生电子空穴对（光生电荷），电子被栅极吸引并存储在势阱中。
入射光越强，产生的光生电子—空穴对越多，势阱中收集到的电子就在CCD芯片上同时集成了扫描电路，它们能在外加时钟脉冲的控制下，产生三相时序脉冲信号，由左到右，由上到下，将存储在整个面阵的光电元件下面的电荷逐位、逐行、快速地以串行模拟脉冲信号输出。
输出的模拟脉冲信号可以转换为数字信号存储，也可以输入视频显示器显示出原始图像。
2.应用范围CCD图像传感器单位面积光电元件的位数很多，一个光电元件形成一个像素，成像分辨率高、信噪比大、动态范围大，可以在微光下工作。
彩色图像传感器采用三个光电二极管组成一个像素的方法。
被测景物图像的每一个光点由彩色矩阵滤光片分解为红、绿、蓝三个光点，分别照射到每一个像素的三个光电二极管上，各自产生的光生电荷分别代表该像素的红、绿、蓝三个光点的亮度。
经输出和传输后，可在显示器上重新组合，显示出每一个像素的原始色彩，这就构成了彩色图像传感器。
数字相机像传感器CCD读取电路的工作原理
数字相机像传感器CCD读取电路的工作原理数字相机的发展已经成为人们记录生活、捕捉美好瞬间的重要工具。
而数字相机中的一项核心技术就是CCD（电荷耦合器件）传感器的读取电路。
本文将详细介绍数字相机中CCD读取电路的工作原理。
一、CCD传感器简介CCD传感器是数字相机中最常用的图像传感器类型之一。
它由大量光敏元件组成，能够将光信号转化为电信号，并通过读取电路进行处理和输出。
CCD传感器具有高灵敏度、低噪声等优点，能够提供清晰、细腻的图像。
二、CCD传感器的工作原理1. 光的转换过程当光线通过相机镜头进入CCD传感器时，首先经过光电转换器件，如光电二极管或光电晶体管，将光信号转化为电荷信号。
光电转换器件的灵敏度决定了CCD传感器对光线的捕捉能力。
2. 电荷耦合过程光电转换后的电荷信号被送入CCD的感光单元。
感光单元是由一系列光电二极管或光电晶体管组成的，它们按矩阵排列在CCD芯片上。
在感光单元中，电荷信号经过电荷耦合器件传递，形成一行或一列的电荷。
3. 电荷传输过程经过电荷耦合的信号被传输至CCD芯片的垂直传输器件，再由水平传输器件进行左移或右移操作。
这样，电荷信号就能够逐行或逐列地传输至CCD芯片的输出端。
4. 电荷读取过程CCD芯片的输出端接入倒置放大器，倒置放大器能将电荷信号转换为电压信号，并进行放大。
电压信号经过模数转换器（ADC），最终转化为数字信号，供数码相机的处理单元进行图像处理和存储。
三、CCD的读取电路设计要点为了实现高质量的图像捕捉，CCD读取电路的设计需要考虑以下几个要点：1. 噪声控制：由于CCD传感器的读取过程中存在各种噪声源，如暗电流、读出电路噪声等，因此需要对噪声进行合适的抑制和屏蔽，以提高图像质量。
2. 动态范围：CCD传感器需要有足够的动态范围，以确保在高光和低光条件下都能准确记录图像。
动态范围的设计需要兼顾亮部和暗部的细节显示。
3. 速度和帧率：数字相机的实时影像捕捉需要高帧率和快速传输速度。
采用新型读出电路的CMOS图像传感器研究
（ ． ｅ ａ ｏａｏｙｏ Ｏ ｔｅｅｔ ｎｃＴｃｎ ｌｇ ｄＳｓ ｍ ｔｅ ｄ ｃ ｔ ｎＭｉ￣ｒ Ｃ ｉａ Ｃ ｏ ｇ ｉｇＵ ｉ ｒｉ ， １Ｋ ｙＬ ｂ ｒｔｒ ｐｏｌｃ ｏ ｉ ｅｈ ｏｏｙａ ｙ ｔ ｓ ｈ ｕａｉ ｎ ｔ ｏ ｈｎ ， ｈ ｎｑｎ ｎｖ ｓｔ ｆ ｒ ｎ ｅ ｏ ｆ Ｅ ｏ ｙｆ ｅ ｙ
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成：驱动信号源少，只 需两个相 配合 的脉 冲；功耗 小于 ０７ ｗ；单端输 出方便模数 转换的视频信号：可以实现 片 ．ｍ 内差分 。给 出了理论分析和 电路模拟仿真 的结 果数据及波形 ．采用标准 １ １ 阱 ＤＰ Ｍ ＭＯ ．ｘ Ｎ ２ｍ Ｄ Ｃ Ｓ工艺设计 了一
个 ２６ 的实验器件 ， ５元 像元 中心距 为 ２￣ ５ｍ，器件尺寸 大小为 ｌ ｍ×ｌ ｍ， ｔ ｍ １ ｍ 并对 器件进行 了主要 参数 的测试和数
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日期： 年 月 日
摘要
摘要
CCD 图像传感器读出电路是 CCD 器件与后续数字信号处理电路之间的接口， 其作用是放大 CCD 器件输出的微弱信号，并滤除各种噪声。读出电路的性能决 定了整个 CCD 系统的精度。随着 CCD 器件速度和象元数的不断提高，要求读出 电路具有更高的速度、更低的噪声、更大的动态范围以及更多功能的单片集成。
1.2 国内外研究现状 ..................................................................................................... 2
1.3 论文内容与架构 ..................................................................................................... 5
本文研究了单片集成的 CCD 读出电路，设计了前置放大器、低通滤波器和 相关双采样三个子模块电路。设计过程中主要从精度、速度和噪声三方面探讨了 各个子模块的理论模型和相应的电路实现途径，同时基于 UMC 0.18μm CMOS 工 艺设计了读出频率为 2MHz，精度在 10 位以上的 CCD 图像传感器读出电路。主 要内容包括以下几方面：
1) 系统阐述和分析了 CCD 器件结构及其产生的噪声，侧重对于在噪声中占 主要成分的输出复位噪声进行了研究，推导了复位噪声随时间变化的表 达式，分析了复位噪声的相关性并计算了相关系数。基于复位噪声的相 关性，采用相关双采样电路降低复位噪声。
2) 基于前置放大器结构，分析了影响前置放大器精度和速度的因素，如运 放有限增益，有限带宽，噪声和失调电压等。通过分析，推导了用于读 出电路的运算放大器的指标。同时基于 2MHz 读出频率和相关双采样抑 制噪声的要求，确定了低通滤波器的-3dB 带宽。
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5) 基于 UMC 0.18μm CMOS 工艺，设计仿真了用于 CCD 图像传感器的读出 电路，电源电压 3.3V，读出频率为 2MHz，最大输出信号为 1V。仿真结
I
摘要
果表明，读出电路信号放大倍数为 5 倍。精度在 0.4mV 之内，对于 1V 的满幅信号，精度满足 10 位以上。 关键词：CCD 读出电路，复位噪声，运算放大器，相关双采样
III
ABSTRACT
simulation result shows that the gain of the Op-amp is 78dB, the UBW is 30MHz, and the phase margin is 58˚, which satisfies the demand of system. 4) The system transfer function of CDS is deduced. Two CDS circuits are designed, the charge injection error is investigated for them. The analysis and simulation results indicate that the latter one can make the error much less, which meets 10 bit accuracy. 5) Based on UMC 0.18μm CMOS process, a CCD prototype readout circuit is designed with power supply 3.3V and readout frequency 2MHz. The simulation results show that gain is 5 with the largest swing 1V, the precision is within 0.4mV, which means more than 10 bit. Keywords: CCD Readout Circuit, Reset noise, Operational Amplifier, Correlated
3) 设计了用于 CCD 读出电路各个模块的运算放大器，包括可驱动低阻抗的 带输出级的运放和用于缓冲隔离的普通运放。运放设计过程中还分析和 推导了噪声和失调电压，通过优化参数将噪声和失调电压降至最低。仿 真结果，运放增益 78dB，单位增益带宽 30MHz，相位裕度 58˚，满足系 统设计的要求。
4) 推导了相关双采样的系统函数。设计了两种相关双采样电路，分析了相 关双采样电路中的电荷注入等误差，通过分析和仿真结果表明，第二种 相关双采样电路能够将误差降至最低，满足系统 10 位精度要求。
II
ABSTRACT
ABSTRACT
The readout circuit of CCD image sensor is the interface of CCD device and the following DSP circuits. The function of readout circuit is to amplify the low signal and reject the noise. And the accuracy of the all CCD system is determined by the performance of the readout circuit. With the speed becoming faster and the spots becoming more, the circuit need to operate faster, less noisy, and have more dynamic range and more functions integrated.
Double Sampling
IV
目录
目录
第一章 引言 .................................................................................................................. 1
1.1 研究意义 ................................................................................................................. 1
1) The structrure and noise of CCD device circuits are discussed, and it emphasizes the reset noise which may be main noise source. The expression of the reset noise is caculated, and the relativity of reset noise is analysed, with the relativity coefficient deduced. Correlated double sampling circuit(CDS) is adoped to reduce the reset noise due to the relativity.
3) The operational amplifiers for each module of the readout circuit are designed, which cover the common Op-amp for isolation and Op-amp with output stage for driving low resistance. The noise and offset voltage are also computed, by optimization of the parameter, noise and offset can be heavily reduced. The
2) Based on the configuration of pre-amplifer, the paper reseach all the factors which influence accuracy and speed, such as the limited gain and gain bandwidth of Op-amp, the noise and the offset voltage, from which, the guideline of the Op-amp are caculated. The -3dB bandwidth is also determined, which lies on the 2MHz readout frequency and the requirement of noise rejection for CDS circuit.
分类号 UDC 注1
密级
学位论文
CCD 图像传感器读出电路研究与设计
（题名和副题名）
罗彦
（作者姓名）
指导教师姓名
李竞春
副教授
电子科技大学
成都
（职务、职称、学位、单位名称及地址）
申请专业学位级别 硕士 专业名称 微电子学与固体电子学
Байду номын сангаас论文提交日期 2009.4
学位授予单位和日期
论文答辩日期 2009.5 电子科技大学