摘 要： 以紅外增強型圖像傳感器TH7888A所得的微弱電壓信號為輸入，對圖像傳感器的模擬前端處理電路進行設計。采用巴特沃斯低通濾波器和全差分雙相關(guān)采樣的方法，提高整體電路的信噪比為67 dB，從而減少了后續(xù)電路的輸入噪聲。使用Proteus對所設計的低噪聲、高增益放大電路的功能和噪聲分析等特性進行全面的實驗。實驗結(jié)果表明，該設計能有效放大微弱電壓信號，并可以對放大的電壓信號進行準確的相關(guān)雙采樣去除KTC噪聲、復位噪聲。最后，在實際應用中，使用FPGA為硬件設計載體，以vivado作為軟件開發(fā)環(huán)境，使用Verilog語言對時序發(fā)生器進行了硬件描述。FPGA生成的模擬信號分別作為讀出電路的輸入和采樣的觸發(fā)信號，并驗證了其正確性和可行性。

　　關(guān)鍵詞： CCD; 讀出電路; FPGA; 模擬前端; 信號采樣; 數(shù)據(jù)分析

　　0 引 言

　　目前，近紅外探測技術(shù)已被廣泛應用于高光譜遙感成像和醫(yī)學等方面的檢測。為了滿足實際需要，對近紅外探測技術(shù)的性能要求也很高。作為探測系統(tǒng)的重要組成部分，讀出電路的性能至關(guān)重要，其與系統(tǒng)成像的質(zhì)量與噪聲性能有很大關(guān)系。因此，設計低噪聲讀出電路具有非常重要的意義[1]。

　　在近紅外檢測系統(tǒng)中，最重要的硬件電路由紅外增強圖像傳感器和讀出電路組成。圖像傳感器的主要功能是將目標物體的紅外輻射光信號轉(zhuǎn)換為讀出電路的輸入信號，即轉(zhuǎn)化為讀出電路可以處理的電壓信號。讀出電路的功能是對圖像傳感器輸出的電信號進行一系列處理優(yōu)化和有序輸出，使后級計算機可以進行圖像處理。由于近紅外圖像傳感器的輸出信號非常弱，處理起來非常困難，所以對讀出電路的性能要求非常高。可以說，近紅外探測系統(tǒng)成像的質(zhì)量在很大程度上取決于讀出電路的性能[2]。

　　由于近紅外探測技術(shù)的不斷發(fā)展，其在探測成像方面反映出應用的重要性，因此引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。檢測系統(tǒng)的成像質(zhì)量在很大程度上取決于讀出電路的輸出信號的噪聲水平，并且較低的噪聲可以改善動態(tài)范圍，同時減少圖像噪聲，因此設計低噪聲讀出電路具有非常重要的意義[3]。本文將針對圖像傳感器的噪聲特性，通過降噪技術(shù)設計低噪聲讀出電路，最后通過分析TH7888A的性能，設計一款采用全差分CDS雙相關(guān)采樣技術(shù)的近紅外讀出電路[4?5]。

　　1 電路設計

　　本文對面陣圖像傳感器TH7888A的輸出信號的性能進行了詳細的分析研究，并設計相應的讀出電路。TH7888A的量子效應高，輸出噪聲小，符合課題需求。除此之外，它的輸出信號是非常弱的信號，一般只有幾十毫伏，因此處理起來非常困難。

　　在本設計中分析了TH7888A的讀出過程和輸出信號特征。TH7888A的輸出信號的波形如圖1所示，可以看出輸出信號的波形符合三段階梯式模擬信號的特征。 所以，本設計將CCD圖像的輸出信號作為讀出電路的輸入信號，通過高直流電路，對可調(diào)放大倍率放大電路、低通濾波電路和CDS相關(guān)雙采樣電路進行處理，從而使CCD輸出信號從混合有噪聲的弱光感應電壓轉(zhuǎn)換為標準數(shù)字電壓信號，以便計算機可以對信號進行后續(xù)處理。本文所設計的低噪聲、高信噪比讀出電路的流程圖如圖2所示。

　　1.1 去高直流電路

　　CCD的輸出信號中會包含一個高的直流電壓信號(7～8 V)，其一般是由圖像傳感器的復位電壓和環(huán)境溫度所決定的。然而有效的數(shù)據(jù)信號一般只有幾十到幾百微伏，為了防止有效的數(shù)據(jù)信號淹沒在高的直流電壓下，必須對CCD的輸出信號進行去高直流處理。本電路采用低噪聲運放AD817對CCD信號進行去高直流的減法運算，以便去除添加在信號中的復位電平。

　　1.2 放大倍數(shù)可調(diào)放大電路

　　本文設計的放大倍數(shù)可調(diào)放大電路采用由OP?07組成的成熟差分電壓放大電路，此電路設計可以對CCD圖像傳感器的輸出信號進行緩沖。 該方法不僅提高了電路的信噪比，同時還保持了光信號的靈敏度。此外，這種平衡對稱的結(jié)構(gòu)還可以提高放大器的共模抑制比，減少由于偏移和溫度漂移等引起的誤差[6]。

　　電路的放大倍數(shù)可以根據(jù)調(diào)整滑動變阻器的阻值進行調(diào)整，使用方便。

　　1.3 低通濾波電路

　　由于后續(xù)的相關(guān)雙采樣電路不具備低通濾波器的功能，為了抑制帶寬白噪聲和限制系統(tǒng)帶寬，需要在CDS電路之前增加一個低通濾波器。在設計低通濾波器時，通常根據(jù)轉(zhuǎn)換間隔的變化來確定濾波器特性。巴特沃斯濾波器的特點是通帶的平滑頻率響應曲線，所以低通濾波器的設計使用巴特沃斯濾波器。

　　巴特沃斯濾波器的階數(shù)越高，其幅度特性越接近理想的低通濾波器。隨著階數(shù)n增加，通帶中的振幅接近1，過渡帶變窄，并且阻帶中的振幅趨于0。 同時，n增加時，電路元件的數(shù)量也會增加。因此，濾波器設計的基本問題是在濾波器滿足的條件下盡可能地降低階數(shù)n，階數(shù)n的計算公式為：

　　式中：[AS]為過渡帶的放大系數(shù);[WS]為阻帶的截止頻率;[WP]為濾波器的截止頻率。本文設計的低通濾波器的截止頻率為5 kHz，過渡帶截止頻率50 kHz頻率處的放大倍數(shù)小于等于-80 dB，由階數(shù)計算公式可以得出n=4。于是設計一個四階巴特沃斯低通濾波器。四階巴特沃斯濾波器與四階相同單元級聯(lián)濾波器的四階低通濾波器比較。兩個濾波器具有相同的通帶放大率和截止頻率，而巴特沃斯濾波器更接近理想的低通濾波器。因為它在通帶內(nèi)比較平坦，在截止頻率處下降的較快，因此，巴特沃斯設計法要比相同單元級聯(lián)的設計方法更好。

　　1.4 全差分雙相關(guān)采樣電路

　　CDS相關(guān)雙采樣技術(shù)是一種信號處理技術(shù)，它是在CCD輸出信號中對復位噪聲電平和像元信號電平分別進行采樣，可以有效抑制各種噪聲干擾。其在CCD成像技術(shù)中被廣泛使用，是信號由模擬信號變成數(shù)字信號的過程中非常重要的一部分。它利用電路的噪聲電壓中的時間相關(guān)性來消除噪聲，如通過低通濾波電路的電路中的熱噪聲會變成有色噪聲，便在時間上具有了相關(guān)性;在完成開關(guān)操作后，KTC噪聲在理想條件下不變;固定芯片的FPN噪聲在相同的工作狀態(tài)下是獨立的恒定時間量[7?8]。根據(jù)這些噪聲特性，在像素單元中的信號積分期間在短時間內(nèi)執(zhí)行兩點采樣。然后使用減法電路減去兩個采樣值，以便基本消除KTC噪聲和FPN噪聲，并在一定程度上削弱 MOS管的噪聲。

　　目前有三種典型的CDS電路：雙相關(guān)采樣法、雙斜積分法、鉗位采樣法。其中，對于雙相關(guān)采樣電路，RC值較小，可以迅速對信號進行采樣，這種方式比較適合于圖像高速采樣的場景，更符合設計需求。所以CDS電路設計采用了全差分式雙相關(guān)采樣方式實現(xiàn)，將低通濾波器的輸出信號轉(zhuǎn)換為兩路差分信號A和B。同時，A和B分別在同一采樣點1和采樣點2進行兩次采樣。有效信號是通過將采樣點1處的A的信號值與采樣點2處的B的信號值相加而獲得。

　　類似地，也可以將采樣點1處的B的信號值和采樣點2處的A的采樣值相加以獲得有效信號值。這樣的全差分結(jié)構(gòu)，可以達到更好的采樣效果，而且能更好地消除共模噪聲，提高動態(tài)范圍，實現(xiàn)高質(zhì)量的圖像信號的輸出[9]。

　　推薦閱讀：《軟件和集成電路》(月刊)創(chuàng)刊于1984年，郵發(fā)代碼：82-469。由中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院、北京中電報發(fā)展有限公司主辦的計算機科學技術(shù)刊物。