探究CCD控制电路设计

刘靖平 李刚

【摘要】    CCD（电荷耦合设备）图像传感器是光电探测器，主要组成部分是PN结，光入射到PN结的N极区，光子能量大于等于半导体禁带宽度hω≥Eg时，激发电子-空穴对。电子和空穴被PN结耗尽区中的电场分开，电子存储在势阱中，每个像素都有一个势阱存储光生电子，势阱是用3个电极形成的，通过改变3个电极的电压，将势阱中的电子串行移动至输出放大器。输出放大器的作用是提供输出电流，驱动负载。

【关键词】    CCD    电路    数据传输    波形

CCD控制电路由CCD电极驱动电路、CCD信号放大电路、模/数转换电路、数据采集电路、动态存储器SDRAM、数据传输电路组成。其中CCD231光电传感器包含3个register电极：，1个复位电极：，4个image电极：。

CCD231包含4096（H）x4112（V）個像素，image时钟将一行像素移入register，然后register时钟将4096个register中的像素依次转移到输出放大器OSE，OSF，OSG，OSH。每输出一行像素，image时钟将下一行像素移入register，直到所有像素全部输出完成。

CCD有6种电源：OD，RD，DD，image电源，register电源，复位电源。电极驱动器采用max4427，最大2A电流，可以满足image和register电极对电流的需求。

CCD驱动电流计算公式：

C：电极等效电容，V：电极电压，t：上升时间

模拟电路部分

CCD输出的信号是模拟信号，OS端连接5k电阻，共模信号动态范围：9V—24V，差模信号动态范围：参考电压-信号电压=0V---2.5V。前端高速运放的共模输入电压范围为-3.5V---3.5V，因此，不能将CCD的输出信号直接连接到前端运放的输入端，必须用RC高通滤波器隔离低频共模和直流分量，将高频差模信号输入到运放。共模分量的频率小于1hz，用的高通滤波器阻扼共模和直流分量进入前端运放。前端运放采用低噪声运放ADA4899。

前端运放的功能是将CCD OS端输出的信号功率放大，运放的输出连接模数转换器ADC。

CCD传感器是低噪声器件，用于微弱光信号的采集，为获得更高的信噪比，模拟电路需要将系统噪声降到最低限度。降低噪声的方法主要有：选用低噪声运放、按照EMC规则设计PCB、使用滤波器。

运放噪声的计算方法：

设运放的反相输入端的电阻为R56，R61，忽略噪声，因为有些这个噪声成份远小于白噪声。

-3dB信号带宽为Δf=GWB/放大倍数，噪声带宽：fn=Δf×1.57。

运放放大倍数：G=1+R56/R61=1+1/4.99=1.2

ADA4899的-3dB信号带宽：f=600Mhz/G=500Mhz，

噪声带宽：fn=1.57x500Mhz=785Mhz

反相输入端电阻：R56=1k，R61=4.99K，等效电阻Rn=R56||R61=1kx4.99k/（1k+4.99k）=0.833K

同相输入端电阻：R55=10K

反相等效电阻的热噪声：

同相电阻的热噪声：

电压噪声：

电流噪声：

噪声电流在反相输入等效电阻上产生的噪声电压：

=0.833K×72.8nA=60.7uV

噪声电流在同相输入电阻上产生的噪声电压：

运放的总输入电压噪声：

运放的总输出噪声电压：

运放输出的信号经过3阶低通滤波器，输入到ADC，3阶滤波器的-3dB截止频率为20Mhz，噪声经过滤波器后的幅度为：

PCB设计

PCB设计中，布局和布线对系统噪声有很大影响，模拟信号要避免靠近电源区域和数字信号，电源区电流变化大，电磁干扰强。敏感的模拟信号线要用保护层保护，信号线两边的保护线放置过孔阵列，可以有效衰减电磁干扰的强度。

一、电源部分

CCD的电极多，电压范围大，需要为每一类电极提供对应的电源。系统输入电源是直流12V，从12V产生所需的主要电源有：1.2V，1.8V，3.3V，5V，-5V，15V，32V。

二、SPI模块

ADC、数字电位器等芯片需要通过SPI总线设置芯片的工作模式，SPI模块作为主模式工作，对SPI从设备读写，将命令模块发出的并行数据转换成串行SPI格式写入从设备，或者将从设备的串行数据读出转换成并行数据发送到命令模块，再由命令模块通过usb总线将从设备的数据发送到PC机。

三、UART模块

UART通用异步串行收发器是低速数据传输模块，用于电路调试，数据速率9600bps，一个起始位，8个数据位，1个停止位，RS232标准。UART收发器与PC机的RS232端口连接，PC机的串口软件通过人机界面发出命令，UART模块收到命令和参数，然后根据命令和参数的定义，做出相应动作。UART模块是独立功能模块，不受命令模块控制。

四、复位电路

复位电路为FPGA和USB3.0芯片提供上电复位和手动复位功能。电源上电需要数十到数百毫秒，在这个过程中电压不稳定，导致上电结束时FPGA内部逻辑状态和USB3014状态不确定，复位电路在电源电压稳定后，发出复位信号，使FPGA电路和USB3014处于确定状态。手动复位按钮为调试FPGA提供快速复位工具。复位芯片IMP811具有去抖动功能，手动按键是机械元件，在按下和抬起的过程中有10ms左右的抖动过程，IMP811能滤除抖动产生的信号跳变。

五、动态RAM DDR2

DDR2的存储容量256M字节，工作频率250Mhz。CCD输出的图像信号经ADC转换后存储在DDR2中。当FPGA收到PC机的传输数据命令时，从DDR2中读取图像数据，通过usb3.1总线传输到PC机。

动态RAM的特点是存储容量大，节省PCB面积，访问速度快。缺点是电容作为存储单元，存储的电荷随着时间减少，造成数据丢失。

六、模拟信号的量化方法：逐次逼近

逐次逼近包括：电压比较器、数据寄存器、DAC、控制电路

控制电路使数字寄存器的最高位为1，其余位为0，输出0x8000，DAC

输出0x8000对应的电压u0，与输入模拟信号比较，当模拟信号高于0x8000时，数字寄存器的最高位不变，当模拟信号低于0x8000时，数字寄存器的最高位变为0，即0x0000，然后将数字寄存器的次高位置1，其余未确定位都置0;将最新数值送入DAC，与输入模拟信号进行第二轮比较，比较结果确定次高位的值;剩余未确定位重复上述过程，直至最低位比较完成，输出量化数值。

逐次逼近量化的优点是硬件少，转换速度比较快，可以多通道复用。

七、ADC工作分采样和保持两个阶段

在采样阶段，开关闭合，输入信号与保持电容连接，R是芯片内部信号通路的等效电阻，电容的作用是存储电荷，保持模拟信号的幅度。

在保持阶段，开关断开，保持电容与输入信号隔离，输入端呈高阻状态。

八、FPGA电路

FPGA是控制电路的核心器件，主要功能是产生CCD的register和image时序、读写ddr2、读写usb3014、与PC机通信、采集CCD数据。

九、设计语言是VHDL，设计方法采用模块化设计，根据实现的功能划分模块。主要有命令模块、ADC时序模块、CCD时序模块、usb模块、DDR2模块、UART模块、SPI模块。

设计总结

CCD控制系统体积小，功率大，設计时要考虑电源散热。CCD时序的上升/下降时间以及三个register驱动时序间的相位关系必须符合CCD的技术要求。FPGA功能多，模块之间协调复杂，需要采用自上向下的方法设计SOC系统。USB3总线通信协议需要考虑故障冗余。

CCD传感器器具有光子效率高等优点，在民用、工业、天文、遥感领域获得广泛应用。CCD模拟低噪声技术是微弱信号处理的主要技术，在医疗电子、化工、光学、科学研究等领域都有广泛应用。