数码相机的CCD前端系统方案

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作者：普立华科技有限公司(佛山)研发处电子设计部洪育江时间：2007-04-02来源：电子产品世界收藏

摘要：本文讲述数码相机的CCD的前端系统设计，对CCD、CDS、电路设计、时序调整作了较详细的阐述。

关键词： CCD；CDS；数码相机

CCD(电荷藕合组件)

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。