近红外光谱仪CMOS图像传感器驱动电路设计

中图分类号:TP212 文献标识码:B 文章编号:1009-2552(2008)05-0013-03

近红外光谱仪CMOS图像传感器驱动电路设计

黄玉斌,温志渝

(重庆大学微系统研究中心,重庆400044)

摘　要:简单介绍了一种典型的C MOS图像传感器G9*******D,主要用于近红外光谱仪的设计。

介绍了此传感器的的驱动电路的设计过程,具体介绍了驱动电路中驱动电压和驱动时序的设计过程。驱动时序基于CP LD器件设计,采用VH D L语言编写程序简化了硬件逻辑设计过程,电路简洁,控制可靠。

关键词:C MOS图像传感器;驱动电路;CP LD;VH D L

Drive circuit’s design for CMOS im age sensor of

near infrared spectrograph

HUANG Y u2bin,WE N Zhi2yu

(Micro2system R esearch Center of Chongqing U niversity,Chongqing400044,China) Abstract:This article introduces a typical C MOS image sens or G9*******D,it main used for the design of near in frared spectrograph.It presents a method of the drive circuit’s design for this sens or,especially the design of drive v oltage and drive time sequence.The design of the drive time sequence is based on CP LD,and uses VH D L language to program,sim plifying the process of the hardware’s logic design,s o the circuit is to be sim ple and to be relying on control.

K ey w ords:C MOS image sens or;drive circuit;CP LD;VH D L

0　引言

对一款性能优良的近红外光谱仪来说,拥有一个良好的信号采集电路系统是十分必要的。而图像传感器作为光谱仪的核心器件图像传感器,它的驱动电路的设计好坏直接影响光谱仪的性能,所以对图像传感器驱动电路的设计就变得十分重要。本文提及的近红外光谱仪所用到的图像传感器是一种C MOS图像传感器。

近几年来各种图像传感器及其系统大量涌现,发展速度惊人,性能水平日益提高,应用领域不断扩大,随着超大规模集成技术的发展,C MOS图像传感器发展强劲,现在的一些参数性能指标已达到或超过CC D,与传统的CC D图像传感器比较而言,C OMS 传感器虽图像的噪声偏大,但有功耗低、成本低,体积小,集成度高的优点。本文中所采用的C M OS 图像传感器,是由某公司研制生产的一种型号为G9*******D铟镓砷(InG aAs)近红外光谱图像探测器(以下简称NIR)。本文主要探讨的是,针对此类典型的C M OS图像传感器,设计一种保证传感器正常工作的基于CP LD的驱动电路。

1　CMOS图像传感器G9*******D G9*******D是一种高精度高稳定性铟镓砷线阵图像探测器,适合应用于近红外光谱区域,其可探测光谱范围为900nm到1700nm。其有效像素数为256,像素间距50μm,像素尺寸50μm(H)×500μm(V)。

G9*******D内部的电荷放大器阵列由C MOS晶体管组成,移位寄存器、时序发生器以及相关二次采样器(C DS)与铟镓砷光电二极管阵列集成在一起,其内部信号处理电路部分的反馈电容C f,可以通过传感器外部电路进行选择(C f=10pf或者C f=0.5pf), G9*******D的实物和内部结构如图1所示。

收稿日期:2007-10-15

基金项目:科技部国际合作项目(2006DF13510);重庆市科技攻关计划项目(CSTC,2006AB2006)

作者简介:黄玉斌(1981-),男,2004年毕业于重庆大学通信学院,现为重庆大学光电学院仪器科学技术专业硕士研究生,

主要研究方向为信息获取与处理。

图1　G 92032256D 实物图以及其结构图

由结构图可以看到传感器驱动电路设计的关键是提供满足传感器正常工作的几个电源电压,以及时序脉冲。

2　驱动电路中电源部分的设计

驱动电路中电源部分设计的主要工作是给G 92032256D 的几个包括Vdd ,Vss ,Vref ,I NP 等在内的功能引脚提供相引的电源电压,其中每个引脚对电源电压的要求除了电压值大小上不同,对电压的稳定性和精确性上的要求也有所不同。

Vdd 是传感器的工作电压输入端,标准值为5V ,Vdd 对稳定要求并不高,所以本文直接采用US B 电源作为传感器工作电压,经过实际测试,US B 电源电压是在5V 上下跳动,但是有时会超过G 92032256D 说明书上指定的最大值5.1V ,为了保证传感器不被烧坏,在传感器工作电压引脚处并联上一个5.1V 的稳压二极管,这样引脚Vdd 上的电压始终不会超过5.1V 。

Vss 接地。Vref 是传感器的参考电压输入端,他的功能是对噪声偏移补偿电路进行复位,标准值为1.25V 。传感器对其电源电压的要求是必须十分稳定,不能有剧烈的跳动,所以一般的电源不管是由交流电经过整流(或交流适配器)后供电,还是由蓄电池组供电,工作过程中,电源电压都将在很大范围内变化。各种整流器的输出电压不仅受市电电压变化的影响,还受负载变化的影响。经过考虑与选择,最后决定采用低压差线性稳压器(LDO ),采用的芯片是美国MAXI M 公司的MAX1749。MAX1749作为一种LDO 芯片,他可以提供两种工作模式供用户选择,一种是固定输出电压模式,一种是可调输出电压模式。MAX1749在固定电压输出模式中,只要输入电压在2.5V 到6.5V 范围,输出端电压固定输出为1.25V ,输出电流最大不超过120mA ,而且输出电压非常稳定,而1.25V 的稳定电压输出正好满足Vref 引脚的要求,而且最大输出电流不超过120mA 也完全能保障传感器不被损坏。MAX1749的输入电压,为了简洁方便,直接采用US B 电源(5V 左右,在2.5V ～6.5V 的范围内)。

I NP 是传感器的偏置电压输入端,他的功能是对传感器的电荷放大器阵列进行工作复位,保证传感器的持续工作,标准值为4.5V 。I NP 输入端对电压稳定度有一定要求,于是采用上面所提到的MAX1749的第二种工作模式:可调输出电压模式。在这种工作模式下,MAX1749的输出电压在1.25V 到6.5V 的范围内可调,可以通过电位器将输出电压调置在4.5V ,输出电压相对稳定,可调模式下输出电压的稳定性,完全能达到I NP 引脚要求。

3　驱动电路中时序脉冲部分的设计

由于G 92032256D 工作所涉及的时序不只一个,几个时序要求同步,所以最理想的方法就是用一个晶振源通过CP LD 产生所需的时序脉冲。

传感器中涉及时序的引脚主要有两个,C LK 和RESET 。C LK 是传感器工作时钟,RESET 是复位脉冲,RESET 脉冲的宽度决定积分时间。图2是传感器的工作时序图。

在本驱动电路设计中,为了保证传感器工作的高效性,选择工作时钟频率C LK 为4MH z ,直接购买到频率为8MH z 的有源晶振,进行分频处理就可以具有较好的4MH z 时序周期脉冲,所以不需要对C LK 进行专门的设计,CP LD 将主要用于对RESET 复位脉冲时钟信号的设计。

RESET 脉冲宽度决定积分时间。产品说明书对G 92032256D 积分时间要求为不小于6000ns ,这样对RESET 信号高电平部分的设计,存在很大的余地,所以本文主要考虑其低电平部分的设计,传感器完成一次256个像素元视频信号读出的时间就是RESET 脉冲周期信号的低电平宽度的最小值。G 92032256D 一