CCD图像传感模拟前端与ADC

模数转换器这类电子元件的用途之多分类之广大家早就有所耳闻了，从本质上说，它实现的功能既直接又重要，将一个模拟信号转变为数字信号，图像传感器中同样少不了模数转换器的身影。
 
图像传感器不同的调制方案各有优劣，CCD的全局曝光在室外远距离场景下，具有非常良好的性能，而且因为其是窄快门曝光，对于外界抗干扰性能非常强。其中，CCD图像传感器模拟前端的性能高低很大程度上决定了传感器成像功能的优劣。
 
CCD动态范围与模数转换的关联
 
CCD图像传感器的动态范围可帮助相机捕捉高对比度场景，传感器本身的满阱容量和噪声是决定动态范围的两个重要指标。但是，在这两个指标之外，CCD本身的动态范围也受限于模数转换器的动态范围。
 
对CCD数据进行数字化处理后，CCD信号是需要通过模数转换器达到系统其他部分，模数转换器本身如果动态范围不够，即使满阱容量和噪声性能都很优秀，器件的动态范围也不可能超过模数转换器的分辨率。高集成度CCD模拟前端中的模数转换器一般都支持12位以上的分辨率，确保在模数转换器这个环节上不会亏损动态范围。目前这种级别的模数转换器并不难获取，以现在普遍的CCD传感器在70dB左右的动态范围来看，12位模数转换器的分辨率也足够保持传感器的动态范围。有些模拟前端会集成16位模数转换器以确保更高的动态范围。
 

 
（高性能CCD传感器件，TOSHIBA）

 
来自传感器的像素数据由采样/保持（SH）或相关双采样器（CDS）电路采样，然后由ADC转换为数字数据。在整个模拟前端的信号通路中，模数转换器关联的也不仅仅是器件的动态范围。
 
流水线结构ADC给CCD带来了什么？
 
可以说在CCD整个信号通路中，模数转换器是性能最为严苛的元件。分辨率自不用多说，该模数转换器还需要具备优异的线性、低噪声和低失调。这些特性都是保证图像质量和时间稳定性的必要条件。流水线结构的模数转换器牺牲了模数转换器的部分速度来换取精度，常见于CCD这种较高精度的高速模数转换器应用场合。
 

 
（带16位ADC的CCD模拟前端，TI）

 
这一类校正的架构对于实现较小信号电平的高线性低失调是非常有利的，其每一级的冗余位优化了重叠误差的纠正，多级转换也确保了模数转换器可在整个满量程范围内确保有效的高分辨率。通常12位或更高精度的模数转换器都需要阻容修正和数字校正，特别是在第一级上。在实际使用中，模数转换器的失调误差和增益误差很少会接近最大值。如果担心模数转换器的精度，电路的前端放大/信号调理部分通常会产生比模数转换器本身更大的误差。
 
CCD模拟前端发展趋势
 
CCD模拟前端的集成度可以说是越来越高，集成可编程增益以支持亮度引起的像素级反射，集成发光二极管（LED）驱动器以调整亮度，还会集成数模转换器用于调整模拟输入信号的偏移水平。此外，定时发生器（TG）集成在这些设备中，用于控制传感器操作。
 

 
（模拟前端，ADI）

 
有些高性能CCD图像传感器模拟前端会集成深度处理器将来自CCD的原始模拟图像信号处理成深度/像素数据，以及集成高精度时钟发生器为CCD和激光器生成驱动时序，这都是在高精高速模数转换器之外体现出的集成性。
 
小结
 
CCD模拟前端的模拟信号链朝着完全集成式在不断发展，这些完全集成式器件CCD图像传感器提供了高性能高速 ADC、单通道和多通道输入、采样/保持、失调电压校正、相关双采样、时序发生器等等一系列功能。从集成器件不断升级的角度来说，完全集成式的模拟前端也推动了CCD成像的高性能发展。