数码相机的CCD前端系统方案

2007-07-10 14:47:00来源: 普立华科技有限公司(佛山)研发处电子设计部
    因不同种类的工作需求,业界发展出不同的类型的CCD:Line(线型),Interline(扫描), Full-Frame(全景)和Frame-Transfer(全传)。线型CCD是以一维感光点构成,通过步进马达扫描图像,由于照片是一行行组成,所以速度较二维的数码相机来得慢,这种CCD大多用在平台式扫描仪上。扫描型的CCD曝光后所产生的电荷都被转移到附近的移位寄存器,通过垂直传送向下转移到底部,按一定排序输出,它的优点在于曝光后即可将电荷储存在寄存器,继续拍照速度较快, 缺点是寄存器占用了感光面的面积, 相应地牺牲了动态范围,这种CCD成本较低,多用在监视器、拍照手机、或低档数码相机上。全景CCD是一种架构更简单的感光设计,鉴于扫描型的缺点,全景型可以利用整个感光区域(没有寄存区的设计),有效增大感光面积,同时也适应长时间曝光,其曝光过程和线型相同, 不过感光和电荷输出过程是分开的。因此全景CCD的数码相机在传送电荷时必须使用机械快门(无法使用电子快门),同时,也限制了全景CCD的连续拍照的能力。全景型大多用在专业级相机上。全传CCD的架构介于扫描和全景之间, 有时也叫全扫描型,它分成上、下部分,上半部分是感光区,下半部是暂时存储区。整体来说全传CCD非常类似全景CCD,它的特点在于直接规划一个大型寄存区。一旦全传CCD工作,它可以迅速将电荷转移到下方的寄存区中,本身可以继续曝光拍照。这种设计,让全传同扫描一样可以使用电子快门, 同时也可以增加感光面积和速度, 兼顾动态和静态的拍摄能力。大多数数码相机采用此类CCD。

    图1  全扫描CCD的内部结构

    一般数码相机都带有预览(Preview)和录像(Rec)功能,在这里电子快门就起到了关键的作用。图2为电子快门控制像素的曝光过程。

    图2  电子快门控制像素的曝光

    图3为CCD内部示意图,当一幅图像曝光后,就需要将感光电荷从CCD输出,为了让感光的电荷输出,电荷先到垂直寄存器,通过垂直驱动脉冲(Φ1~Φ9)将每一行的电荷转移到水平寄存器,水平寄存器在水平驱动脉冲(ΦH1,ΦH2)驱动下,往CCD OUT方向移动,在末段有一放大器,ΦRS,ΦH1,ΦH2脉冲的作用下将电荷转换为电压,从CCD OUT 输出。

    图3 CCD内部等效电路图

CDS(相关两次取样)

    业界所称的CDS 是由时序发生器(Timing IC)、垂直驱动器(V-driver)、模拟信号处理器(AFE IC)集成的IC。它提供CCD的工作时序、电平并将CCD输出的模拟信号进行取样、放大、模数转换,将图像数据传给DSP进行图像处理。

    时序发生器有一个寄存器,通过3根串口线进行各种设定:模式设定(拍照、录像或预览),电子快门和速度,ΦRS,ΦFR,ΦFCDS,ΦFS,ΦADCK,ΦDCLK相位调整,等等。

    模拟信号处理器(AFE IC)有一个寄存器,通过3根串口线进行各种设定:CCD输出信号放大倍数(GAIN),默认“全黑”时电平,等等进行设定。

    相关两次取样:在ΦRS,ΦH1,ΦH2脉冲的作用下CCD信号输出,当复位(RS)完成, 由于CCD暗电流的存在,CCD OUT不是为“0”,FCDS脉冲取样Vprec。当H2为高电平时,图像信号输出,FS脉冲取样Vdata,两者的差值就是图像信号Vcds,这就是相关两次取样,如图4所示。

图4  CCD的相关两次取样

电路设计

    本文以某款7百万像素的数码相机设计作为说明,CCD采用SHARP公司的RJ23U3BA0FT,尺寸为1/2.5英寸,像素总数为水平3098

关键字:CCD

编辑:冀凯 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/homeelectronics/2007/0710/article_30.html
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