CCD图像传感器及其视频信号处理电路的应用

郑渝

摘要 文章对CCD（电荷耦合器件）的工作原理及视频信号处理芯片进行描述，并介绍了专用CCD信号处理芯片的VSP2212结构特点。

[关键词]电荷耦合器件（CCD） 视频信号处理VSP2212 CDS

CCD（电荷耦合器件），是一种用电荷量表示信号大小、用耦合方式传输信号的探测元件，它具有自行扫描、感受波谱范围、体积小、功耗小、寿命长等特点。CCD相机通常应用在信号处理、影像传感和非接触性测量技术等领域中，尤其是在遥感领域中，几乎所有传输类型的遥感卫星，都使用电荷耦合器件作探测器。随着科技的进步，CCD视频处理专用芯片的出现，推动了摄像技术的发展，它解决了了传统相机的调试复杂和操作不便的问题，对CCD相机系统进行了技术上的变革。

1 电荷耦合器件的工作原理

与其他使用电流与电压为信号的电器不同，CCD在它工作的过程中以电荷为信号，从而进行对电荷的产生、储存与传输。

1.1 信号电荷的产生

光注入和电注入是CCD电荷产生的两类方式。CCD应用在摄影摄像方面时，形成信号电荷的主要方式是以光注入的形式进入光敏单元。栅极旁的半导体在CCD光敏区受到光照时，会产生出自由电子和空穴对，在多数的电流载体被电压排斥的情况下，仍有少数电流载体会被吸引到势阱中作为信号电荷的生成。

1.2 信号电荷的储存

半导体（MOS）是构成CCD的基本单元，它一种简单的金属一氧化物一半导体结构。在半导体内多数载流子分布均匀时，表示着栅极并未对正偏压进行施加，但当半导体内空穴开始遭到排斥时，就意味着栅极开始进行对正偏压的施加，这是由于正偏压小于阈值电压，从而产生多数载流子浓度的下降的界面区（耗尽区），随着偏压的不断增加，致使P型半导体内的耗尽区不断扩大。当正偏压大于阈值电压时，绝缘体界面会吸引半导体内的少数载流子，浮现在绝缘体表面，出现空穴浓度小于绝缘体表面的电子浓度的情况，因此会有反型层出现的情况。

2 CCD视频信号处理芯片

CCD视频的输出信号，需要经过视频处理的过程后，才能被后续电路进行使用。进行视频处理的主要目的，是为了在保证图像细节的同时，最大限度的对各种噪音和干扰进行清除。而通过使用数字化方式对CCD输出信号处理，在方便电脑处理和扩大储存空间的同时，保证CCD的图像信号跟随目标亮度呈现出线性变化。如果使用分立电路来实现上述功能，不仅会产生价格高昂、电路繁琐、功耗大、调试难等缺点，还会与CCD相机的发展未来形成强烈的鲜明对比。本文以视频信号处理器VSP2212为例，来进行CCD视频信号处理芯片的研究。

2.1 VSP2212的特点

VSP2212是Burr-Brown公司CCD根据机器视觉系统的应用产品，而推出的视频信号处理器。CCD（电荷耦合器件）的模拟图像信号以阵列输出的方式，通过对视频信号处理器的处理，在加强信号质量的同时，对其进行在转换率20 MHz的情况下，保证代码依然完整的12位二进制数字信号。

2.2 VSP2212的结构分析

2.2.1 相关双取样电路

电荷耦合器件的噪声，主要由读出噪声、暗电流噪声、光子散粒噪声、以及时钟感应噪声等复位噪声构成，而信号处理电路的主要作用，就是抑制KTC噪声（复位噪声）。相关采样法，指的是复位噪声在不同像素周期内，根据不同的像素单元进行随机变化，因此可以在同一像素周期中，进行两次对的暗电平参考区间和信号电平区间的数据采样，将两次数据进行相减，就会在输出信号中进行对复位噪声的抑制，从而取得真实的视频信号。

2.2.2 暗像元鉗位电路

输出信号的暗参考电平，受到温度、电压、光强的变化都会产生波动，为了更好解决这种问题，就需要加强对暗电平参考的完善。VSP2212的自动校正功能，可以利用电荷耦合器件中的暗像元输出信号，来进行对参考暗电平的更好建立。

2.2.3 高速12位数模转换器电路

VSP2212信号处理器中，包含着拥有20MHz转换速率的12位数模转换器（ADC）。这种电路非常适合电压及功耗低，且速率运行非常高的应用，在保证12位高精度数据无错误输出的同时，将由ADC进行对采样与输出脉冲的控制。

2.3 VSP2212的注意事项

在VSP2212的多个电源引脚中，引脚13成为专为数字输出驱动器提供电源的引脚。驱动级别的数字供电线在工作的过程中，经常会伴随着与低电平相对的高电压所产生的宽带噪声，若发生耦合到达前级的情况，就会对VSP2212的性能产生很大的影响。为了避免这种不良耦合情况的发生，需要将引脚13和其他电源线相分离，由于其他电源线的芯片内部都有所关联，就可以使用模拟电路的方法来进行供电。

3 结束语

本文介绍了电荷耦合器件的工作原理，以及视频信号处理芯片VSP2212的不同电路进行功能性分析，将芯片应用在电荷耦合器件的视频信号处理电路的开发中，将电荷耦合器件的输出速率提高到12M，并依据信号的强弱，对视频图像的对比度和亮度进行调整，从而完善了设计指标的要求。

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