數碼相機的CCD前端系統方案

摘要： 本文講述數碼相機的CCD的前端系統設計，對CCD、CDS、電路設計、時序調整作了較詳細的闡述。

關鍵詞： CCD；CDS；數碼相機

CCD(電荷藕合組件)

因不同種類的工作需求，業界發展出不同的類型的CCD：Line(線型)，Interline(掃描)， Full-Frame(全景)和Frame-Transfer(全傳)。線型CCD是以一維感光點構成，通過步進馬達掃描圖像，由于照片是一行行組成，所以速度較二維的數碼相機來得慢，這種CCD大多用在平臺式掃描儀上。掃描型的CCD曝光后所產生的電荷都被轉移到附近的移位寄存器，通過垂直傳送向下轉移到底部，按一定排序輸出，它的優點在于曝光后即可將電荷儲存在寄存器，繼續拍照速度較快， 缺點是寄存器占用了感光面的面積， 相應地犧牲了動態范圍，這種CCD成本較低，多用在監視器、拍照手機、或低檔數碼相機上。全景CCD是一種架構更簡單的感光設計，鑒于掃描型的缺點，全景型可以利用整個感光區域(沒有寄存區的設計)，有效增大感光面積，同時也適應長時間曝光，其曝光過程和線型相同， 不過感光和電荷輸出過程是分開的。因此全景CCD的數碼相機在傳送電荷時必須使用機械快門(無法使用電子快門)，同時，也限制了全景CCD的連續拍照的能力。全景型大多用在專業級相機上。全傳CCD的架構介于掃描和全景之間， 有時也叫全掃描型，它分成上、下部分，上半部分是感光區，下半部是暫時存儲區。整體來說全傳CCD非常類似全景CCD，它的特點在于直接規劃一個大型寄存區。一旦全傳CCD工作，它可以迅速將電荷轉移到下方的寄存區中，本身可以繼續曝光拍照。這種設計，讓全傳同掃描一樣可以使用電子快門， 同時也可以增加感光面積和速度， 兼顧動態和靜態的拍攝能力。大多數數碼相機采用此類CCD。

圖1  全掃描CCD的內部結構

一般數碼相機都帶有預覽(Preview)和錄像(Rec)功能，在這里電子快門就起到了關鍵的作用。圖2為電子快門控制像素的曝光過程。

圖2  電子快門控制像素的曝光

圖3為CCD內部示意圖，當一幅圖像曝光后，就需要將感光電荷從CCD輸出，為了讓感光的電荷輸出，電荷先到垂直寄存器，通過垂直驅動脈沖(Φ1~Φ9)將每一行的電荷轉移到水平寄存器，水平寄存器在水平驅動脈沖(ΦH1，ΦH2)驅動下，往CCD OUT方向移動，在末段有一放大器，ΦRS，ΦH1，ΦH2脈沖的作用下將電荷轉換為電壓，從CCD OUT 輸出。

圖3 CCD內部等效電路圖

CDS(相關兩次取樣)

業界所稱的CDS 是由時序發生器(Timing IC)、垂直驅動器(V-driver)、模擬信號處理器(AFE IC)集成的IC。它提供CCD的工作時序、電平并將CCD輸出的模擬信號進行取樣、放大、模數轉換，將圖像數據傳給DSP進行圖像處理。

時序發生器有一個寄存器，通過3根串口線進行各種設定：模式設定(拍照、錄像或預覽)，電子快門和速度，ΦRS，ΦFR,ΦFCDS,ΦFS,ΦADCK,ΦDCLK相位調整，等等。

模擬信號處理器(AFE IC)有一個寄存器，通過3根串口線進行各種設定：CCD輸出信號放大倍數(GAIN)，默認“全黑”時電平，等等進行設定。

相關兩次取樣：在ΦRS，ΦH1，ΦH2脈沖的作用下CCD信號輸出，當復位(RS)完成， 由于CCD暗電流的存在，CCD OUT不是為“0”，FCDS脈沖取樣Vprec。當H2為高電平時，圖像信號輸出，FS脈沖取樣Vdata，兩者的差值就是圖像信號Vcds，這就是相關兩次取樣，如圖4所示。

圖4  CCD的相關兩次取樣

電路設計

本文以某款7百萬像素的數碼相機設計作為說明，CCD采用SHARP公司的RJ23U3BA0FT，尺寸為1/2.5英寸，像素總數為水平3098