1036×1010像素CCD圖像傳感器TC281

摘要：TC281是美國德州儀器公司（TI）生產(chǎn)的1036×1010像素CCD圖像傳感器。本文介紹了它的主要特點(diǎn)、引腳功能和結(jié)構(gòu)原理，并給出了它的典型應(yīng)用電路。

關(guān)鍵詞：TC281 CCD 圖像傳感器 像素

1 概述

TC281是一種幀傳輸電荷耦合器件（CC）圖象傳感器，它具有高清晰度的圖像探測能力，可應(yīng)用于圖像處理，如機(jī)器人視覺、醫(yī)學(xué)X射線分析和計量學(xué)等。它在水平和垂直方向上的圖像感測區(qū)域范圍均為8mm，對角線為11.3mm，傳感器圖像區(qū)域為8μm2像素。暗基準(zhǔn)信號可從定位于圖像區(qū)域和存儲區(qū)域之間的10個暗其準(zhǔn)行中獲得，有28個暗其準(zhǔn)像素定位在每個水平行的左邊沿，另外8個暗基準(zhǔn)像素定位在每個水平行的右邊沿。

TC281存儲器由1010行組成，每行有1036像素。該區(qū)域遠(yuǎn)見卓識金屬層保護(hù)以避免光的照射。在傳感器圖像區(qū)域產(chǎn)生的光電荷能在110μs之內(nèi)將圖像傳輸?shù)酱鎯ζ鲄^(qū)域。在圖像捕獲完成（集參時間）并傳輸?shù)酱鎯ζ骱螅阌珊筝敽赏瓿蓪D像的讀出。讀出時，每次讀出一行并將其送入定位在存儲區(qū)域下面的串行寄存器。而串行寄存器包含1036個有效像素和9個虛擬像素。最大的串行寄存器數(shù)據(jù)率為每秒40兆像素。如果必須清除存儲區(qū)域內(nèi)所有電荷，則可使電荷快速通過串行寄存器，并傳輸?shù)轿挥诩拇嫫飨旅娴那宄O。

高效電荷容量檢測（BCD）節(jié)點(diǎn)把電荷從每個像素轉(zhuǎn)換為一個輸出電壓，并經(jīng)過一個低噪聲二級源極跟隨放大器進(jìn)行放大，其目的是在送到輸出端之前進(jìn)一步緩沖該電壓信號。這種傳感器很容易實(shí)現(xiàn)每秒30幀的讀出率。傳感器的霜保護(hù)是基于一個先進(jìn)的橫向溢出漏極（ALOD）。當(dāng)合適的直流偏置用于溢出漏極時，反霜功能被激活。這種保護(hù)能夠清除圖像區(qū)域的全部電荷。這一點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)是靠提供至少1μs持續(xù)時間的單個10V脈沖信號到溢出漏極來完成的。

TC281圖像傳感器使用TI公司專用的先進(jìn)虛擬階段（AVP）技術(shù)、橫向溢出漏極和BCD檢測節(jié)點(diǎn)。這些特征可給TI圖像檢測設(shè)備提供高藍(lán)色響應(yīng)、近IR高靈敏度、低暗電流、高光響應(yīng)一致性和單相時鐘。TC281工作溫度范圍為-10℃～40℃。

2 主要特點(diǎn)和引腳功能

TC281采用雙列直插封裝，其引腳排列如圖1所示，各引腳的功能如表1所列。TC281的主要特點(diǎn)如下：

●分辨率高，為固態(tài)幀傳輸圖像傳感器；

●圖像區(qū)域?qū)蔷€為11.3mm；

●具有1000（H）×1000（V）有效像素數(shù)；

●每秒可掃描30幀；

●8μm2像素區(qū)域；

●暗（無照）電流低；

●反霜先進(jìn)的橫向溢出漏極；

●具有單脈沖圖像區(qū)域清除能力；

●具有超過60dB的動態(tài)范圍；

●靈敏度和量子效率很高；

●可通過TI先進(jìn)的BCD節(jié)點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行非破壞性電荷檢測；

●近紅外（IR）高靈敏度和高藍(lán)色響應(yīng)；

●無圖像老化、圖像殘留、圖像失真、圖像滯后或顫噪效應(yīng)等現(xiàn)象。

表1 TC281引腳功能

3 結(jié)構(gòu)原理

TC281圖像傳感器由圖像感測區(qū)域、LAOD、存儲區(qū)域、串行寄存器和帶緩沖放大器的BCD節(jié)點(diǎn)5個基本功能塊組成，其原理方框圖如圖2所示。

3.1 圖像感測區(qū)域

圖像感測區(qū)域包含1036×1010像素數(shù)。金屬遮不屏在感測區(qū)域可覆蓋左邊沿上的28個像素、右邊沿上的8個像素和感測區(qū)域底部的10行。暗像素信號在視頻信號處理期間用作暗參考。暗參考以相同的速率積累暗電流作為有效地址，以代表真實(shí)的黑電平信號。當(dāng)光在圖像區(qū)域內(nèi)進(jìn)入有效光地址時，將產(chǎn)生電子空穴對，其電子將在像素勢阱被收集。該勢阱的有限電荷存儲容量由像素設(shè)計決定。當(dāng)亮像素超過產(chǎn)生的電子數(shù)極限時，電子將溢出到附近的像素而引起圖像模糊。為避免這些現(xiàn)象的產(chǎn)生，可讓感測區(qū)域內(nèi)每行的一對象素分擔(dān)橫向溢出漏極結(jié)構(gòu)，并利用這一結(jié)構(gòu)提供從1000到1不良現(xiàn)象的防護(hù)墻。

3.2 先進(jìn)的橫向溢出漏極

先進(jìn)的橫向溢出漏極結(jié)構(gòu)由兩個相鄰的像素分擔(dān)，該結(jié)構(gòu)還可以在傳感器中提供若干單一特性?？赏ㄟ^改變漏極直流偏壓來控制光圈保護(hù)電平，并將其轉(zhuǎn)化為熱阱容量。

在標(biāo)稱直流偏置電平上，用最小持續(xù)時間為1μs/10V脈沖可使圖像區(qū)域內(nèi)的電荷被徹底清除。這個特性可使幀與幀之間的集成時間得到精確控制。在集成開始前，單個脈沖清除能力通常消除像素的積累電荷（單面涂片）也能減少涂片。在并行傳輸期間，建議用2V負(fù)脈沖來防止由于與列像素勢阱能量的輕微變化所導(dǎo)致的圖像不清楚。

3.3 存儲區(qū)域

當(dāng)電荷在讀出前被存儲時，用金屬遮光屏蓋住存儲區(qū)域可防止電荷進(jìn)一步集成。長期休眠后，在單一射擊模式下使用傳感器時，必須清除多重存儲區(qū)域以確保全部電荷的移動（見圖3）。

3.4 串行寄存器

串行寄存器可以40MHz的最大速率從傳感器區(qū)域傳輸數(shù)據(jù)，這樣便可以以每秒30幀的幀頻完成1000×1000像素的讀出。數(shù)據(jù)將在SRG時鐘脈沖的下降沿被傳輸?shù)紹CD節(jié)點(diǎn)。

數(shù)據(jù)也能從并行方向的串行寄存器傳輸?shù)角宄O，并允許部分行讀出。這種工作模式計時指的是在對TRG計時的同時，將下一行從存儲器傳輸?shù)酱屑拇嫫鳌樘岣咴O(shè)備靈敏度，在列內(nèi)的多重像素貯藏器可在寄存器讀出前，通過多重行傳輸?shù)酱屑拇嫫鞅粓?zhí)行。這種工作模式一睥計時如圖4所示。切記不要轉(zhuǎn)移太多行，也不要超過串行寄存器的勢阱容量。在水平貯藏用于傳感器時，可通過適當(dāng)?shù)膹?fù)位脈沖空指令在BCD檢測節(jié)點(diǎn)來完成。

3.5 大量電荷檢測節(jié)點(diǎn)和輸出放大器

TC281圖像傳感器使用專門的TI電荷檢測設(shè)備呼叫暗電荷檢測節(jié)點(diǎn)。在這個節(jié)點(diǎn)，信號電子包被傳輸?shù)揭恢粏为?dú)設(shè)計的P溝道MOS晶體管下面，并在此處調(diào)制晶體閾值電壓。被檢測的閾值電壓的變化代表期望的輸出信號。在檢測完成后，可通過復(fù)位脈沖電荷從這個節(jié)點(diǎn)消除。BCD電荷檢測的主要優(yōu)點(diǎn)之一是電荷感測的非破壞性。由于非破壞性讀出不產(chǎn)生復(fù)位噪聲，因此不必進(jìn)行CDS后處理。另外BCD電荷檢測還具有速度高和噪聲低的優(yōu)點(diǎn)。

使用時，建議將射極輸出器的輸出緩沖用于TI圖象傳感器，同時把射極輸出器交流耦合到其它的信號處理電路。因為用交流耦合可消除傳感器輸出在直流穩(wěn)定性和傳感器輸出直流電平的變化。

4 應(yīng)用電路

圖5為TC281的典型應(yīng)用電路，其中電路的供給電壓VDD應(yīng)選12V，VCC應(yīng)為2V，VAA可采用-100電源，而VTST的取值范圍在5～8V之間。另外，在該電路中，還需要注意以下三點(diǎn)：

A.建議用TC281來設(shè)計交流耦合系統(tǒng)；

B.盡量采用用戶自定義計時器輸入；

C.不顯示電源退耦電容。