μPD3575DCCD图像传感器的原理及应用

    关键词：μPD3575D CCD 驱动脉冲 图像传感器

1 概述

μPD3575D是NEC公司生产的一种高灵敏度、低暗电流、1024像元的内置采样保持电路和放大电路的线阵CCD图像传感器。该传感器可用于传真、javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>图像扫描和OCR。它内部包含一列1024像元的光敏二极管和两列525位CCD电荷转移寄存器。该器件可工作在5V驱动（脉冲）和12V电源条件下。

μPD3575D的主要特性如下：

*像敏单元数目：1024像元；

*像敏单元大小：14μm×14μm×14μm(相邻像元中心距为14μm)；

*光敏区域：采用高灵敏度和低暗电流PN结作为光敏单元；

*时钟：二相（5V）；

*内部电路：采样保持电路，输出放大电路；

*封装形式：20脚DIP封装。

2 内部原理和引脚功能

μPD3575D的封装形式为20脚DIP封装，其引脚排列如图1所示，引脚功能如表1所列。图2为μPD3575D的内部结构原理图，中间一排是由多个光敏二极管构成的光敏阵列，有效单元为1024位，它们的作用是接收照射到CCD硅片的光，并将之转化成电荷信号，光敏阵列的两侧为转移栅和模拟寄存器。在传输门时钟φTG的作用下，像元的光电信号分别转移到两侧的CCD转移栅。然后CCD的MOS电容中的电荷信号在φIO的作用下串行从输出端口输出。上述驱动脉冲由专门的驱动电路产生。

表1 μPD3575D的引脚功能

3 光电特性参数

μPD3575D的光学/电子特性参数如表2所列。表中的工作条件为：温度在25℃左右，工作电压VOD=VRD=VGC=12V，频率fSHO为0.5MHz,tint(积分时间)=10ms，光源为2856K的钨丝灯。

表2 光/电子特性参数

其中，饱和输出电压Vout为响应曲线失支直线形时的输出信号电压；饱和曝光量SE为输出饱和时的照度（lx）和积累时间的乘积。

输出电压不均匀性PRNU是取全部有效位输出电压的峰、谷之比值。平均暗电流ADS指的是遮光时的平均输出电流。暗信号不均匀性DSNU是遮光时的全部有效像元的输出电压最大或最小值与ADS的差。输出阻抗Zo为从外部看时输出端子的阻抗。响应度R是曝光量除以输出电压的值。值得注意的是：使用其它光源时，器件的响应度会有所变化。
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4 驱动时序

CCD的驱动需要四路脉冲，分别为转移栅时钟φIO、复位时钟φRO、采样保持时钟φSHO和传输门时钟φTG，将它们分别输入到CCD芯片的2脚、3脚、4脚和8脚，并在相应的管脚接上相应的电压就可以实现对CCD的驱动。

实现对CCD驱动的关键工作是如何产生以上的四路波形。图3是该四路时序波形图。

图3

    四路脉冲的作用描述如下：当传输门时钟φTG脉冲高电平到来时，正遇到φIO电极下形成深势阱，同时φTG的高电平使φIO电极下的深势阱与CMOS电容存储势阱（存储栅）沟通。于是CMS电容中的信号电荷包全部转移到φIO电极下的势阱中。当φTG变低时，φTG低电平形式的浅势阱将存储栅下势阱与φIO电极下的势阱离开，存储栅势阱进入光积分状态，而转移栅则在转移栅时钟φIO脉冲作用下使转移到φIO电极下势阱中的信号电荷逐位转称，并经过输出电路输出。采样保持时钟φSHO的作用是去掉输出信号中的调幅脉冲成分，使输出脉冲的幅度直接反映像敏单元的照度。

从以上描述和对波形的分析可以看出，复位脉冲φRO每触发一次，φIO脉冲翻转一次，并转移一个像元的信号电荷，因此φIO脉冲的周期为φRO的2倍。采样保持时间φSHO的周期和φRO的周期相同，但相位有一定的时间延迟。传输门时钟φTG脉冲控制线阵CCD整行的转移时间间隔，可作为行同步脉冲，其低电平持续的时间为φIO的整数倍，倍数由CCD的像元数决定。图4给出了μPD3575D的脉冲时序关系图，该图中为负极性逻辑，与前边图3的正极性逻辑正好相反，在编程过程中，我们可以先实现正极性逻辑，然后通过反向器将极性反过来。

图4

    从波形图可以看出，当转移时钟φIO变化（人“1”变到“0”或从“0”变到“1”）后，经过t1时间（最小值200ns，典型值300ns），采样保持时钟φSHO从高电平变低电平，低电平维持时间为t2(最小值100ns，典型值300ns)，当φRO翻转，使之由高电平变为低电平，触发的间隔时间为t3(最小值3ns,典型值100ns)。复位脉冲φRO翻转后维持的时间为t4(最小值30ns，典型值100ns)，当它由低电平变回高电平时，触发转移时钟φIO翻转，其触发间隔为t5（最小值0ns,典型值50ns）。这样，一个循环结束，输出一个像元。如此不断循环，直至完全输出所有的像元。

那么，如何控制循五泊开始和结束呢？传输门时钟φTG起的就是这一作用，当φTG由低电平变为高电平并经过一定的时延（最小值50ns）后，转移时钟φIO开始按周期翻转，每翻转一次，输出一个像元。所有像元输出完毕，φTG再由高电平变为低电平。图4中φTG只给出了开始部分的波形，后面表示积分时间的波形没有给出，因此后面的积分时间长短可以根据对积分时间的需要自行设定。但积分时间内的φIO数目也是有要求的。因为该CCD芯片的有效单元为1024，加上虚设单元、暗信号和空驱动等共有12613个光电二极管，由于该器件是两列并行分奇偶传输的，所以一个φTG周期至少要有630个φIO脉冲，即φTG>630φIO。
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