CCD低噪声读出电路设计

狄腊梅 刘宏 张志勇

摘  要： 以红外增强型图像传感器TH7888A所得的微弱电压信号为输入，对图像传感器的模拟前端处理电路进行设计。采用巴特沃斯低通滤波器和全差分双相关采样的方法，提高整体电路的信噪比为67 dB，从而减少了后续电路的输入噪声。使用Proteus对所设计的低噪声、高增益放大电路的功能和噪声分析等特性进行全面的实验。实验结果表明，该设计能有效放大微弱电压信号，并可以对放大的电压信号进行准确的相关双采样去除KTC噪声、复位噪声。最后，在实际应用中，使用FPGA为硬件设计载体，以vivado作为软件开发环境，使用Verilog语言对时序发生器进行了硬件描述。FPGA生成的模拟信号分别作为读出电路的输入和采样的触发信号，并验证了其正确性和可行性。

关键词： CCD; 读出电路; FPGA; 模拟前端; 信号采样; 数据分析

中图分类号： TN722.3?34; TP301.6                   文献标识码： A                 文章编号： 1004?373X（2019）20?0001?04

Design of CCD low?noise readout circuit

DI Lamei1， 2， LIU Hong2， ZHANG Zhiyong1

（1. College of Information Science and Technology， Northwest University， Xian 710127， China;

2. CAS Key Laboratory of Spectral Imaging Technology， Xian Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS， Xian 710119， China）

Abstract： An analog front?end processing circuit of the image sensor is designed， which takes the weak voltage signal received by infrared enhanced image sensor TH7888A as its input signal. The signal?to?noise ratio of the overall circuit is increased to 67 dB by means of the Butterworth low?pass filter and fully differential double?correlation sampling method to reduce the input noise of subsequent circuits. The comprehensive experiment was performed on the function and noise analysis of the designed low?noise high?gain amplification circuit by means of Proteus. The experimental results show this design can effectively amplify the weak voltage signal， and achieve the accurately correlate double sampling of the amplified voltage signal to remove the KTC noise and reset noise. In practical applications， FPGA is used as the hardware design carrier， the Vivado is used as the software development environment， and the Verilog language is used to perform hardware description of the timing generator. The analog signal generated by the FPGA is used as the input signal of readout circuit and the trigger signal of sampling respectively. Its correctness and feasibility are verified.

Keywords： CCD; readout circuit; FPGA; analog front?end; signal sampling; data analysis

0  引  言

目前，近红外探测技术已被广泛应用于高光谱遥感成像和医学等方面的检测。为了满足实际需要，对近红外探测技术的性能要求也很高。作为探测系统的重要组成部分，读出电路的性能至关重要，其与系统成像的质量与噪声性能有很大关系。因此，设计低噪声读出电路具有非常重要的意义[1]。

在近红外检测系统中，最重要的硬件电路由红外增强图像传感器和读出电路组成。图像传感器的主要功能是将目标物体的红外辐射光信号转换为读出电路的输入信号，即转化为读出电路可以处理的电压信号。读出电路的功能是对图像传感器输出的电信号进行一系列处理优化和有序输出，使后级计算机可以进行图像处理。由于近红外图像传感器的输出信号非常弱，处理起来非常困难，所以对读出电路的性能要求非常高。可以说，近红外探测系统成像的质量在很大程度上取决于读出电路的性能[2]。

由于近红外探测技术的不断发展，其在探测成像方面反映出应用的重要性，因此引起了国内外的广泛关注。检测系统的成像质量在很大程度上取决于读出电路的输出信号的噪声水平，并且较低的噪声可以改善动态范围，同时减少图像噪声，因此设计低噪声读出电路具有非常重要的意义[3]。本文将针对图像传感器的噪声特性，通过降噪技术设计低噪声读出电路，最后通过分析TH7888A的性能，设计一款采用全差分CDS双相关采样技术的近红外读出电路[4?5]。

1 电路设计

本文对面阵图像传感器TH7888A的输出信号的性能进行了详细的分析研究，并设计相应的读出电路。TH7888A的量子效应高，输出噪声小，符合课题需求。除此之外，它的输出信号是非常弱的信号，一般只有几十毫伏，因此处理起来非常困难。

在本设计中分析了TH7888A的读出过程和输出信号特征。TH7888A的输出信号的波形如图1所示，可以看出輸出信号的波形符合三段阶梯式模拟信号的特征。 所以，本设计将CCD图像的输出信号作为读出电路的输入信号，通过高直流电路，对可调放大倍率放大电路、低通滤波电路和CDS相关双采样电路进行处理，从而使CCD输出信号从混合有噪声的弱光感应电压转换为标准数字电压信号，以便计算机可以对信号进行后续处理。本文所设计的低噪声、高信噪比读出电路的流程图如图2所示。

图1  TH7888A的输出信号

图2  读出电路（模拟前端模块）

1.1  去高直流电路

CCD的输出信号中会包含一个高的直流电压信号（7～8 V），其一般是由图像传感器的复位电压和环境温度所决定的。然而有效的数据信号一般只有几十到几百微伏，为了防止有效的数据信号淹没在高的直流电压下，必须对CCD的输出信号进行去高直流处理。本电路采用低噪声运放AD817对CCD信号进行去高直流的减法运算，以便去除添加在信号中的复位电平。

1.2  放大倍数可调放大电路

本文设计的放大倍数可调放大电路采用由OP?07组成的成熟差分电压放大电路，此电路设计可以对CCD图像传感器的输出信号进行缓冲。 该方法不仅提高了电路的信噪比，同时还保持了光信号的灵敏度。此外，这种平衡对称的结构还可以提高放大器的共模抑制比，减少由于偏移和温度漂移等引起的误差[6]。

电路的放大倍数可以根据调整滑动变阻器的阻值进行调整，使用方便。

1.3  低通滤波电路

由于后续的相关双采样电路不具备低通滤波器的功能，为了抑制带宽白噪声和限制系统带宽，需要在CDS电路之前增加一个低通滤波器。在设计低通滤波器时，通常根据转换间隔的变化来确定滤波器特性。巴特沃斯滤波器的特点是通带的平滑频率响应曲线，所以低通滤波器的设计使用巴特沃斯滤波器。

巴特沃斯滤波器的阶数越高，其幅度特性越接近理想的低通滤波器。随着阶数n增加，通带中的振幅接近1，过渡带变窄，并且阻带中的振幅趋于0。 同时，n增加时，电路元件的数量也会增加。因此，滤波器设计的基本问题是在滤波器满足的条件下尽可能地降低阶数n，阶数n的计算公式为：

式中：[AS]为过渡带的放大系数;[WS]为阻带的截止频率;[WP]为滤波器的截止频率。本文设计的低通滤波器的截止频率为5 kHz，过渡带截止频率50 kHz频率处的放大倍数小于等于-80 dB，由阶数计算公式可以得出n=4。于是设计一个四阶巴特沃斯低通滤波器。四阶巴特沃斯滤波器与四阶相同单元级联滤波器的四阶低通滤波器比较。两个滤波器具有相同的通带放大率和截止频率，而巴特沃斯滤波器更接近理想的低通滤波器。因为它在通带内比较平坦，在截止频率处下降的较快，因此，巴特沃斯设计法要比相同单元级联的设计方法更好。

1.4  全差分双相关采样电路

CDS相关双采样技术是一种信号处理技术，它是在CCD输出信号中对复位噪声电平和像元信号电平分别进行采样，可以有效抑制各种噪声干扰。其在CCD成像技术中被广泛使用，是信号由模拟信号变成数字信号的过程中非常重要的一部分。它利用电路的噪声电压中的时间相关性来消除噪声，如通过低通滤波电路的电路中的热噪声会变成有色噪声，便在时间上具有了相关性;在完成开关操作后，KTC噪声在理想条件下不变;固定芯片的FPN噪声在相同的工作状态下是独立的恒定时间量[7?8]。根据这些噪声特性，在像素单元中的信号积分期间在短时间内执行两点采样。然后使用减法电路减去两个采样值，以便基本消除KTC噪声和FPN噪声，并在一定程度上削弱 MOS管的噪声。

目前有三种典型的CDS电路：双相关采样法、双斜积分法、钳位采样法。其中，对于双相关采样电路，RC值较小，可以迅速对信号进行采样，这种方式比较适合于图像高速采样的场景，更符合设计需求。所以CDS电路设计采用了全差分式双相关采样方式实现，将低通滤波器的输出信号转换为两路差分信号A和B。同时，A和B分别在同一采样点1和采样点2进行两次采样。有效信号是通过将采样点1处的A的信号值与采样点2处的B的信号值相加而获得。

类似地，也可以将采样点1处的B的信号值和采样点2处的A的采样值相加以获得有效信号值。这样的全差分结构，可以达到更好的采样效果，而且能更好地消除共模噪声，提高动态范围，实现高质量的图像信号的输出[9]。

2  实验结果

2.1  去高直流电路

注：通讯作者为张志勇。

参考文献

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LIU Rongli， LU Jianrong， DING Jinli， et al. CCD signal processing based on correlated double sampling technique [J]. Beijing biomedical engineering， 2011， 30（5）： 480?483.

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CHEN Yuying， HU Xiaoyu， HEI Yong. A low noise CCD readout circuit for astronomical telescopes [J]. Microelectronics & computer， 2015（2）： 33?36.

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ZHANG Jinli， JING Zhanrong， LIANG Liang， et al. Conditioning circuit design and noise analysis of weak signals [J]. Electronic measurement technology， 2007， 30（11）： 40?42.