【正文】 干擾幅度增加。因?yàn)镃CD器件本身抑制由VNS、SFD和VRD等管腳引入的噪聲能力差，即總有感應(yīng)噪聲幅度的50%會(huì)殘留在輸出端，所以供給器件的各直流輸入電壓必須相當(dāng)穩(wěn)定且要全部去耦到地。十三個(gè)輸出信號(hào)分別在各自的進(jìn)程中通過(guò)調(diào)用前幾個(gè)進(jìn)程所得到的結(jié)果來(lái)實(shí)現(xiàn)CCD器件所要求的時(shí)序關(guān)系。本系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)時(shí)序是在可編程邏輯集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下，采用文本方式建立設(shè)計(jì)輸入，使用VHDL作為硬件描述語(yǔ)言，對(duì)各路驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形進(jìn)行描述的[5]。只有在合適的時(shí)序驅(qū)動(dòng)下，CCD芯片的轉(zhuǎn)換效率、信噪比等光電轉(zhuǎn)換特性，才能達(dá)到器件工藝設(shè)計(jì)所規(guī)定的最佳值，輸出穩(wěn)定可靠的視頻信號(hào)。行像素在A、B驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘的控制下完成從成像區(qū)到存儲(chǔ)區(qū)的轉(zhuǎn)移。轉(zhuǎn)移階段主要完成感光陣列所積累的電荷向幀存儲(chǔ)區(qū)的轉(zhuǎn)移。CR(Charge Reset)：電荷復(fù)位脈沖，用于控制勢(shì)阱內(nèi)感光電荷的積累，進(jìn)而控制光積分的時(shí)間，也被稱(chēng)為電子快門(mén)。其主要作用是將輸出放大器連接到水平輸出移位寄存器上，因?yàn)樗捷敵鍪且暂敵鲞@些額外的啞像素開(kāi)始的，這樣就可以在有效像素被信號(hào)預(yù)處理電路采樣前給輸出放大器充足的時(shí)間來(lái)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。由于排列方式不同，面陣CCD常有幀轉(zhuǎn)移方式、隔列轉(zhuǎn)移方式、線轉(zhuǎn)移方式和全幀轉(zhuǎn)移方式。像敏面將入射到每個(gè)像敏單元的光照度分布信號(hào)Ex,y轉(zhuǎn)變成少數(shù)載流子密度分布信號(hào)Nx,y，存儲(chǔ)到像敏單元（MOS電容）中。另一種是使用三棱鏡，它將從鏡頭射入的光分成三束，每束光都由不同的內(nèi)置光柵來(lái)過(guò)濾出三原色的某一種，然后使用三塊CCD分別感光。通常矩陣式CCD用來(lái)處理色彩的方法有兩種。這種三相驅(qū)動(dòng)的方式最為簡(jiǎn)單。當(dāng)波長(zhǎng)小于1000nm的光通過(guò)透明電極照射在P型硅上時(shí)，可以激發(fā)出電子空穴對(duì)，在耗盡區(qū)電場(chǎng)作用下，電子被收入勢(shì)阱中形成電荷包，光照越強(qiáng)，激發(fā)的電子空穴對(duì)就越多，勢(shì)阱中所收集的電子數(shù)就越多[3]。在非平衡態(tài)下，如果柵極電壓UG保持10V(或有外界光信號(hào)的激勵(lì))，耗盡層及表面的產(chǎn)生一復(fù)合中心提供的電子及從周?chē)⑷氲碾娮樱瑢⒅饾u填充勢(shì)阱。表面勢(shì)可作為勢(shì)阱深度的量度，而表面勢(shì)又與柵極電壓UG、氧化層的厚度dox有關(guān)，即與MOS電容容量Cox與UG的乘積有關(guān)。(a)是對(duì)柵極加負(fù)偏壓的情況，電場(chǎng)排斥界面處電子而吸引空穴，電子在界面處能量增大，能帶上彎，空穴濃度增加，形成多數(shù)載流子堆積層，稱(chēng)這種情況為“積累”。因電子在界面處的靜電勢(shì)能很低，當(dāng)金屬電極上所加正偏壓超過(guò)某一個(gè)值(閾值電壓Uth)后，界面處就可存儲(chǔ)電子，形象地說(shuō)，SiSiO2界面處形成了電子的勢(shì)阱，(b)。面陣器件已達(dá)到10K5K像元；，用于位置敏感探測(cè)時(shí)的定位精度和測(cè)量精度較高；，動(dòng)態(tài)范圍寬。第三章介紹了圖像傳感器FTT1010M的性能、結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)時(shí)序分析及其時(shí)序發(fā)生器的設(shè)計(jì)。(b)增大驅(qū)動(dòng)功率。本論文選用了可編程邏輯器件驅(qū)動(dòng)法，采用復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD來(lái)設(shè)計(jì)時(shí)序電路。 CCD驅(qū)動(dòng)電路技術(shù)CCD圖像傳感器的基本功能是完成光信號(hào)電荷包的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移和輸出，要想完成這一系列工作，必須要在外圍驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)下才能實(shí)現(xiàn)。最后，設(shè)計(jì)了CCD視頻信號(hào)處理電路，采用PHILIPS公司推出的視頻信號(hào)處理器TDA8783，它將相關(guān)雙采樣、自動(dòng)增益控制、ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換等功能集成在一片芯片上，功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越，價(jià)格便宜，實(shí)現(xiàn)了高信噪比、高可靠性的CCD視頻信號(hào)處理。在CCD圖像檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，CCD的驅(qū)動(dòng)和視頻處理電路是整個(gè)系統(tǒng)重要組成部分，其主要功能是使CCD器件正常工作，并將其探測(cè)到的圖像信號(hào)進(jìn)行采集、處理和輸出。CCD的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)精細(xì)，體積小，堅(jiān)實(shí)可靠并且在低電壓下工作。CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序是一組周期性的，關(guān)系比較復(fù)雜的時(shí)序脈沖信號(hào)，而且具有特定的電壓電平，它是直接影響CCD轉(zhuǎn)換效率，信噪比等光電轉(zhuǎn)換特性的一個(gè)重要因素。同時(shí)提供相關(guān)雙采樣需要的控制脈沖、模數(shù)轉(zhuǎn)換所需的采樣時(shí)鐘。 論文各章節(jié)的安排論文共分為五章，第一章為引言，論述了選題的目的和意義，并對(duì)本論文的主要工作即CCD的時(shí)序設(shè)計(jì)，CCD的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)及視頻信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)作了簡(jiǎn)要介紹。CCD器件有以下優(yōu)點(diǎn)：、重量輕、耗電少、啟動(dòng)快、壽命長(zhǎng)和可靠性高。它是在P型(或N型)Si襯底的表面上用氧化的辦法生成一層厚度約1000埃~1500埃的SiO2，再在SiO2表面蒸鍍一層金屬層（或能夠透過(guò)一定波長(zhǎng)范圍光的多晶硅薄膜），并在上面加上一個(gè)電極，稱(chēng)為“柵極”，在襯底和金屬電極間加上一個(gè)偏置電壓，就構(gòu)成了一個(gè)MOS電容器，(a)所示。這種情況，對(duì)探測(cè)光信號(hào)是沒(méi)有用的。起初表面耗盡層寬度亦隨電壓增加，但當(dāng)能帶彎曲到禁帶中線ET與費(fèi)米能級(jí)EF相交且低于EF時(shí)，耗盡區(qū)內(nèi)及表面的復(fù)合一產(chǎn)生中心熱激發(fā)提供的電子，使界面處電子濃度急劇增加，并超過(guò)空穴濃度，形成一極薄的N型反型層，(c)。因此有N個(gè)多子(空穴)，從表面處流向體內(nèi)，而在表面處留下相同數(shù)目的NA離子，形成“空間電荷區(qū)”，外加電壓大部分降落在“空間電荷區(qū)”內(nèi)，只有小部分降落在絕緣層上。 CCD電荷耦合器件的光電轉(zhuǎn)換過(guò)程面陣CCD電荷耦合器件是由一系列MOS電容器按一定規(guī)律排列而成的，每個(gè)MOS電容器相當(dāng)于一個(gè)光電傳感器，一組MOS電容器對(duì)應(yīng)一個(gè)像素，一組組MOS電容器完成各個(gè)像素的光電轉(zhuǎn)換過(guò)程。勢(shì)阱中所捕獲的電荷數(shù)目多少，與該處投射光的強(qiáng)弱成正比。這種CCD精度高，速度慢，無(wú)法用來(lái)拍攝移動(dòng)的物體，也無(wú)法使用閃光燈。該方法允許瞬間曝光，微處理器能運(yùn)算地非?？臁Ｔ谀阏障乱粡堈掌?，必須先將存儲(chǔ)在相機(jī)的緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)清除，然后再存盤(pán)。而面陣CCD是二維的圖像傳感器，它可以直接將二維圖像轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l信號(hào)輸出。在存儲(chǔ)區(qū)中，每個(gè)像素單元在垂直方向上可以看作是被四相柵極時(shí)鐘Bl、BBB4覆蓋的相互連接的四個(gè)MOS電容器共同組成。VRD(Voltage Reset Drain)：加到FTT1010M輸出放大器內(nèi)復(fù)位管(Reset fet)漏極上的直流復(fù)位電壓，其值等于CCD輸出信號(hào)的復(fù)位電壓水平，電壓范圍為+13V~+18V。幀轉(zhuǎn)移時(shí)序指CCD將一幀圖像轉(zhuǎn)移輸出的時(shí)序，行轉(zhuǎn)移時(shí)序指一行像素在時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下完成從存儲(chǔ)區(qū)到水平移位寄存器轉(zhuǎn)移和逐位從水平移位寄存器讀出的時(shí)序，像素轉(zhuǎn)移時(shí)序指在一行像素在C時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下從水平移位寄存器中逐位水平讀出的時(shí)序。在行逆程階段，幀存儲(chǔ)區(qū)各單元所存的信號(hào)電荷在行轉(zhuǎn)移信號(hào)BBBB4控制下向水平移位寄存器方向平移一行，像元控制信號(hào)Cl、CC3不變，無(wú)像元信號(hào)輸出；在行正程階段，水平移位寄存器中的像元電荷在像元控制信號(hào)Cl、CC3的控制下逐次經(jīng)過(guò)輸出放大器輸出，每讀出一行信號(hào)，進(jìn)行一次行轉(zhuǎn)移，對(duì)于10241024陣列的CCD芯片來(lái)說(shuō)，至少需要1024個(gè)SSC時(shí)鐘脈沖完成一幀圖像的轉(zhuǎn)移，而每一個(gè)SSC低電平至少需要1072個(gè)Cl、CC3互補(bǔ)讀出時(shí)鐘脈沖完成一行圖像的讀取，同時(shí)為保證信號(hào)電荷完整轉(zhuǎn)移，各相時(shí)序間必須保證一定的電平交疊。整體的循環(huán)過(guò)程構(gòu)成了系統(tǒng)的工作流程。通過(guò)前、后仿真，檢查錯(cuò)誤，進(jìn)行邏輯綜合并選擇器件適配。整個(gè)程序是一個(gè)多進(jìn)程結(jié)構(gòu)，分別是主計(jì)數(shù)器進(jìn)程；行轉(zhuǎn)移計(jì)數(shù)器進(jìn)程；感光階段判斷信號(hào)進(jìn)程；轉(zhuǎn)移階段判斷信號(hào)進(jìn)程；行正程判斷信號(hào)進(jìn)程；行逆程判斷信號(hào)進(jìn)程；十三個(gè)輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)時(shí)序產(chǎn)生進(jìn)程。c)Parallel transfer。數(shù)字驅(qū)動(dòng)是根據(jù)手冊(cè)要求對(duì)CCD的管腳提供不同頻率、不同幅度的多種時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以控制CCD器件的積分時(shí)間、電荷轉(zhuǎn)移速率及輸出放大器的復(fù)位。 EL7155C芯片介紹在本設(shè)計(jì)方案中，對(duì)水平寄存器讀出時(shí)鐘CCC求和時(shí)鐘SG和復(fù)位時(shí)鐘RG而言，上升時(shí)間和下降時(shí)間最好能控制在30ns左右。EL7155C的引腳排列及主要技術(shù)指標(biāo)如下： EL7155C引腳介紹PinNameFunction1VS+Positive Supply Voltage2OEOutput Enable3INInput4GNDGround5VLNegative Supply Voltage6OUTLLower Switch Output7OUTHUpper Switch Output8VHUpper Output Voltage(a) 輸入電平：與TTL兼容(b) 導(dǎo)通電阻：(c) 峰值輸出電流：(d) 升降時(shí)間：15ns2000pF(e) 電源電壓：~(f) 最高頻率：40M(g) 電源輸出電流：~ EL7155C驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘電路 EL7155C驅(qū)動(dòng)C時(shí)鐘電路，水平讀出時(shí)鐘C的低電平不是零，而是一個(gè)大于+2V的電平，在本設(shè)計(jì)方案中選取了+3V作為C時(shí)鐘的低電平值，即水平讀出時(shí)鐘C是一個(gè)低電平為+3V，高電平為8V的脈沖，而CPLD輸出的時(shí)鐘脈沖是低電平為零，高電平為+5V的脈沖[9]。FTT1010M所需的偏置電壓有VSFD、VNS、VPS、VRD、VOG。適合應(yīng)用在小型化嵌入式CCD數(shù)字相機(jī)系統(tǒng)中。CCD輸出視頻信號(hào)、SHP/。CCD輸出視頻信號(hào)、SHP/，SHP和SHD分別作為第一次采樣和第二次采樣的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。TDA8783有自動(dòng)校正回路，利用CCD暗像元輸出的信號(hào)來(lái)建立參考暗電平。整個(gè)片子在此工作模式下僅需4mA的電流。通過(guò)串行接口對(duì)這些寄存器進(jìn)行配置可以完成CDS與AGC頻率的設(shè)置，AGC增益倍數(shù)的設(shè)置和ADC輸入鉗位電平的設(shè)置等功能。并行鎖存寄存器中的數(shù)據(jù)寫(xiě)入專(zhuān)用寄存器需要5~6個(gè)SCLK時(shí)鐘周期。在視頻信號(hào)處理部分采用專(zhuān)用視頻信號(hào)處理芯片TDA8783，它取代了傳統(tǒng)的由分離器件才能完成的相關(guān)雙采樣、可編程增益控制、ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換等功能，提高了視頻處理電路的可靠性，并使視頻處理電路朝著小型化、輕量化的方向發(fā)展。該芯片可以完成相關(guān)雙采樣、可編程增益控制、暗電平補(bǔ)償、ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換等功能，性能優(yōu)越，價(jià)格便宜，適合應(yīng)用在小型化嵌入式CCD數(shù)字相機(jī)系統(tǒng)中。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，基于EDA技術(shù)的芯片設(shè)計(jì)已經(jīng)代替了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法成為電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主流。 串行接口功能模塊框圖每一次當(dāng)使能信號(hào)SEN為低時(shí)，SDATA在SCLK的驅(qū)動(dòng)下，向DA8783中的移位寄存器寫(xiě)入13個(gè)數(shù)來(lái)完成TDA8783的初始化配置。SDATA是串行數(shù)據(jù)輸入信號(hào)，SCLK是串行移位時(shí)鐘。TDA8783包含一個(gè)高速10位ADC，可達(dá)40MHz的轉(zhuǎn)換速率?；芈返臅r(shí)間常數(shù)由片外COB管腳上的電容決定。CCD輸出的視頻信號(hào)是通過(guò)交流耦合進(jìn)入TDA8783的，即進(jìn)入CDS的信號(hào)是電容耦合過(guò)來(lái)的，去掉了直流分量。該芯片有3個(gè)+5V的模擬輸入電壓，2個(gè)+5V的數(shù)字輸入電壓，一個(gè)+[11]。采用全微分、流水線結(jié)構(gòu)，特別適合于低電壓、低功耗、高速應(yīng)用。LM117的電平轉(zhuǎn)換范圍為++37V，滿足本論文中CCD對(duì)偏置電壓的要求。本設(shè)計(jì)方案采用嵌位電路的耦合作用來(lái)提高脈沖電平，通過(guò)快速二極管1N4148與100K的電阻并聯(lián)的電路來(lái)進(jìn)行耦合，其中100K的電阻還可以起到消噪的作用。因此，這幾個(gè)驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘對(duì)驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)速率和驅(qū)動(dòng)能力有相當(dāng)高的要求，我們選用了ELANTEC公司生產(chǎn)的專(zhuān)用CCD時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)芯片EL7155C作為水平寄存器讀出時(shí)鐘CCC求和時(shí)鐘SG和復(fù)位時(shí)鐘RG的驅(qū)動(dòng)器件。CCD器件各時(shí)鐘輸入腳呈容性且電容量差異很大(最小的只有200pF，最大的為3nF內(nèi)，因此，時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)要有驅(qū)動(dòng)寬范圍200pF~3nF容性負(fù)載的能力。模擬驅(qū)動(dòng)是根據(jù)器件手冊(cè)要求，對(duì)CCD相應(yīng)的管腳提供直流偏壓并為CCD輸出放大器提供電源。當(dāng)給定某個(gè)幀頻和積分時(shí)間時(shí)，在外循環(huán)中，用主計(jì)數(shù)器計(jì)一幀圖像從曝光開(kāi)始到轉(zhuǎn)移結(jié)束所需要的時(shí)間，并通過(guò)主計(jì)數(shù)器得到感光階段判斷信號(hào)和轉(zhuǎn)移階段判斷信號(hào)；在內(nèi)循環(huán)中，用行轉(zhuǎn)移計(jì)數(shù)器計(jì)一行像元信號(hào)輸出所需要的時(shí)間，并通過(guò)感光階段判斷信號(hào)與行轉(zhuǎn)移計(jì)數(shù)器得到行正程判斷信號(hào)和行逆程判斷信號(hào)。該方法在原理圖設(shè)計(jì)階段就