高速線陣CCD IL-P1-4096的原理和應用

摘要：IL-P1-4096是加拿大DALSA公司生產(chǎn)的雙相高速線陣CCD。其單相工作頻率可達25MHz甚至更高，因此應用十分廣泛。文中介紹了IL-P1-4096的性能和工作原理，并給出了具體的應用電路。

關鍵詞：CCD 驅(qū)動時序 IL-P1-4096

1 引言

近年來，電荷耦合器件（CCD，Charge Coupled Devices）在圖像拍攝方面起著非常重要的作用。是光電成像領域里非常重要的高新技術產(chǎn)品。與傳統(tǒng)的拍攝傳感器相比，CCD圖像傳感器具有輸出噪聲小、動態(tài)范圍大、光譜響應范圍寬、分辨率高、輸出信號線性度好、功耗低、體積小、壽命長等優(yōu)點。CCD從芯片結(jié)構(gòu)上可分為面陣CCD和線陣CCD兩種類型。面陣CCD主要用于黑白及彩色攝像，而線陣CCD則在高清晰圖像拍攝方面表現(xiàn)出良好的應用前景，因此，CCD成為現(xiàn)代光電子學和測試技術中最活躍、最富有成果的應用器件之一。

圖1

2 主要特點和引腳功能

2．1 主要特點

本文描述的高速線陣CCD IL-P1-4096是加拿大DALSA公司生產(chǎn)的IL-P1系列圖像傳感器中的一種。該器件的像素尺寸是10μmμm、像素線陣長度為41mm、相鄰像素間距也是10μm。線陣列的像素共有4096個，分兩路輸出。IL-P1-4096的主要性能參數(shù)如下：

雙相輸出，每相輸出數(shù)據(jù)頻率為25MHz；

線掃描速率為87kHz；

可使用低壓時序信號，時序信號電壓小于5V；

像素尺寸為10μm10μm；

每行4096個像素點；

動態(tài)響應范圍大于3200：1；

靈敏度高，響應可達到12V（uJ/cm2）;

采用15V電壓供電；

每行孤立像素為14個；

每行屏蔽像素為32個。

2．2 引腳功能

IL-P1-4096采用32引腳封裝。各引腳的定義及說明如下：

腳1、18（VLOW）：低壓偏置電壓，具體電路中可直接接地。

腳2、18（VDD）：放大器電源電壓，通常情況下接芯片電源。

腳3（OS1）：輸出信號1端，連接到數(shù)據(jù)處理芯片時要接隔直電容。

腳4（VSET）：輸出節(jié)點門電壓設置。通常箝位于地。

腳5（CRLAST）：讀出時鐘，該時鐘信號應和CR1S的頻率、相位一致。

腳6，22（RS1S）：時鐘1讀出（相位1，存儲相位），與CR2S反相。

腳7，23（CR2S）：時鐘2讀出（相位2，存儲相位），與CR1S同頻、反相。

腳8（TCK）：傳輸時鐘。

腳9（PR）：像素復位時鐘，用于控制CCD曝光和光積分時間。

腳10（VPR）：像素復位漏極電壓，接工作電源。

腳11，28（CR1B）：讀出時鐘（相位1，閾值相位），該端信號和CR1S同頻、同相。

腳12，27（CR2B）：讀出時鐘（相位2，閾值相位），該端信號和CR2S同頻、同相。

腳14，15，17，19（VHIGH）：15V高壓基準電源。

腳16（NC）：懸空。

腳20，21，26（VBB）：感光低層偏置電壓，接（-3V）。

腳24（VSTOR）：存儲井電壓，直接接地。

腳25，29（VSS）：參考地，直接接地。

腳30（OS2）：輸出信號2端，連接到數(shù)據(jù)處理芯片時要接隔直電容器。

腳31（VOD）：輸出復位漏極電壓端，接（+13V）電源。

腳32（RST）：輸出復位時鐘，頻率和CR1S相同，脈沖下降沿與CR1S的下降沿重合，脈寬為5ns。

IL-P1-4096可根據(jù)傳感器光敏單元（像素）上的感光變化，將對象圖像的感光變化轉(zhuǎn)化為電荷包。電荷包中電子的個數(shù)是由感光強度和CCD器件的光積分時間決定的。電荷包被收集到獨立的存儲井中，然后用像素復位時鐘來控制CCD器件的積分和曝光時間。

IL-PI系列傳感器內(nèi)部由三大主要功能塊組成：光電二極管、CCD讀出移位寄存器和輸出放大器。其中光電二極管用來生成信號電荷包，輸出放大器用來將電荷轉(zhuǎn)化為電壓脈沖，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。需要注意的是，IL-P1-4096傳感器是兩路輸出，奇像素和偶像素分別從不同的輸出通道輸出，是一種雙排的線列陣CCD，光敏單元在中間，奇、偶單元的信號電荷分別傳到上下兩列移位寄存器后分兩路串行輸出。這種CCD的優(yōu)點是具有較高的封裝密度，轉(zhuǎn)移次數(shù)減少一半，因而可提高轉(zhuǎn)移效率，改善圖像傳感器的信號質(zhì)量。

該傳感器中的光敏單元與CCD移位寄存器分開，而用轉(zhuǎn)移柵控制光生信號電荷向移位寄存器的轉(zhuǎn)移，其信號的轉(zhuǎn)移時間一般遠小于攝像時間（光積分的時間）。當轉(zhuǎn)移柵關閉時，光敏單元勢阱將收集光信號電荷，并經(jīng)過一定的積分時間后，形成與空間分布的光強信號對應的信號電荷圖形。積分周期結(jié)束后，轉(zhuǎn)移光柵打開，各光敏單元勢阱收集的信號電荷并行轉(zhuǎn)移到CCD移位寄存器SR的相應單元內(nèi)。轉(zhuǎn)移柵關閉后，光敏單元開始下一行的圖像采集，而已轉(zhuǎn)移到移位寄存器內(nèi)的上一行信號電荷將通過移位寄存器串行輸出，如此重復上述過程。



這里的CR1S、CR1B、CR2S、CR2B是CCD輸出像素的相位操作時鐘。CRLAST是該CCD的信號輸出時鐘。RST是像素復位時鐘。TCR是行轉(zhuǎn)移同步信號，可用來控制轉(zhuǎn)移柵。PR是曝光控制和積分時間控制信號，其電平上升沿要平滑，不能陡峭。在TCK的兩個高電平之間，可由PR來控制CCD的曝光和積分時間。整個芯片的工作過程如下：當TCK的高電平到來時，CCD傳感器曝光的光敏單元會將采集到的光信號轉(zhuǎn)移的相應的移位單元中。CCD的光敏單元在PR積分控制信號的作用下重新開始感光積分，而進入移位單元中的信號將在兩相操作時鐘CR1X、CR2X的作用下移出。RST信號的作用是減小兩像素之間的相關信號，可在當前像素信號輸出后到下一個像素信號到來前，對殘余信號進行清除。

IL-P1-4096的工作驅(qū)動時序電路如圖2和圖3所示。由圖可見，CR1X（CR1S、CR1B）和CR2X（CR2X，CR2B）的相位必須相反，頻率大小為25MHz（該頻率可以根據(jù)實際使用情況和條件設定相應縮小，但所有的時序都要因此做相應改變以符合CCD的整個時序要求）。CR1X和CR2X上升沿和下降沿的時差最大不能超過5ns，CR1S和TCK時鐘下降沿的時差最小不能低于5ns。TCK的頻率大小為11.9kHz，理想脈寬設定為300ns。PR的頻率也為11.9kHz，而脈寬則為10μs（PR的脈寬應該根據(jù)實際的使用情況適當改變大小，其高電平上升沿和TCK高電平下降沿的時差在相距23ns的基礎上根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)）。RST頻率為25MHz，脈寬大小為5ns。圖中的OSn（OS1、OS2）為CCD輸出信號。

4 具體應用電路

由于對IL-PI4096的工作頻率要求很高、相位關系復雜，因此，筆者推薦使用高速CPLD作為CCD的基本時序發(fā)生器。設計時可使用Lattic公司的ispMACH4000C/B/V系列芯片，該芯片的工作時鐘可以達到400MHz，完全可以滿足此CCD的工作時序要求。

圖4所示是IL-P1-4096的具體應用電路。從CPLD發(fā)送過來的基本時鐘信號可通過簡單電路進行相位校正并提供驅(qū)動電流，然后再送入CCD芯片。在Osn的輸出端。電路可通過幾個三極管組成的恒流源來提供CCD所需要的8mA驅(qū)動電流。

圖4

在電路板布線時，時序信號線要盡量短而且寬，有條件的地方應使用伴生線。CPLD和IL-P1-4096要盡可能靠近。電路板最好使用四層板。板上電源應遠離芯片和時序信號線。直流電源的紋波最好不要超過10mV。

在調(diào)式電路的時候，應當選用比較低的頻率來控制IL-P1-4096的工作，然后，逐漸升高工作頻率。在CPLD上使用ISP軟件改變輸出頻率是比較方便的。

5 結(jié)束語

IL-P1-4096的精度高、感光響應快，在工業(yè)控制和測量領域（如流水線產(chǎn)品檢測、分類，文字與圖像的識別，機械產(chǎn)品尺寸非接觸測量等），該器件具有很強的實用性。