消除复位噪声的措施

　　科学级CCD相机利用相关双采样(Corre2lated Double Sampling ,CDS) 方法来消除复位噪声。相关双采样,是在CCD的像元输出信号中,分别对复位噪声电平(即在复位脉冲过去之后,信号电荷包到来之前的某一时刻的电平) 和像元信号电平(即信号电荷包到来时的电平) 采样,再将2 次采样的信号相减作为输出信号。由于2 次采样的噪声是相关的,因此噪声被消除。相关双采样CDS 方法不仅都能有效地消除KTC 噪声、低频噪声和共模噪声,且电路简单、适合于高速应用等特点,专用的视频信号处理芯片中基本上采用这种方法 。本文选用EXAR 公司的XRD4460 专用处理芯片。XRD4460 的CDS的原理框图如图5 所示。

　　CDS 输入信号为差分输入方式,这种差分方式不仅有效地抑制开关干扰,而且采用较小的内部电容可以获得比较长的保持时间。CCD2 ( In2pos) 是公共电压端,即CCD 的视频信号地,CCD1( In2neg) 为实际的CCD视频输出端。为了便于分析相关双采样的工作过程,我们将结合控制信号和内部结点的波形图进行分析,如图6 所示。

　　CCD 视频信号为周期信号,每周期起始于复位脉冲的上升沿。首先SDRK 为高电平,将PGA (可编程增益放大器) 的输入信号箝位于V DD电平,内部电容对暗参考电平采样。为了消除复位脉冲串扰的影响,应使RSTCCD 脉冲的高电平与CCD视频信号的复位脉冲串扰电平的相位匹配,当RSTCCD 为高电平时,将CCD 输入信号与CDS隔离。当RSTCCD 为低电平时,内部电容对暗参考电平进行采样。当SDRK 为低电平时,信号电平通过内部电容耦合到差分放大器PGA1 的输入端。PGA1 的输入电压为信号电平与暗参考电平的差,PGA1 输出的全差分信号如图5 中的va 。当SPIX 为高电平时, PGA2 输入端的内部电容对PGA1的输出信号va 的信号电平进行采样保持。这样PGA2 的输出信号vb ( vb 与vc 的波形相似,仅仅幅度和直流电平可能不同) 便是噪声和干扰被抑制的视频真实信号。由于暗参考电平和信号电平的采样点由SHP 和SHD 的下降沿控制,为了消除复位脉冲和水平移位时钟的串扰影响,需要对SHP 的下降沿进行精确定位,考虑电荷转移时间和耦合电容的影响需要对SHD 的下降沿进行精确定位。由于2 次电平采集在时间上是相关的,所以只要正确选择2 次采样点的起止位置,并把2 次采集的脉冲开关时间控制在适当的范围内,就能有效地抑制各种噪声干扰。 

　　通过对科学级CCD 相机工作时不同噪声源的分析, 给出了降低暗电流噪声的热电制冷方法,以及复位噪声的抑制电路和输出信号处理电路。实验表明, 该设计方案及实现电路能有效地抑制暗电流噪声和复位噪声, 能够提高信噪比,改善成像质量。该科学级CCD 相机的输出信噪比( S/ N) 能达到50 dB