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μPD3575D CCD图像传感器的原理及应用

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

  摘要: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。文章介绍了μPD3575D的主要特点、结构原理、引脚功能、光学/电子特性、驱动时序以及驱动电路。
  关键词:μPD3575DCCD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、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1μPD3575D的引脚功能
  
  引脚名功能IO时钟TG转移时钟RO复位时钟SHO采样保持时钟G1测试端G2测试端ID测试端OV测试端VOUT信号输出RD复位漏极电压OD输出漏极电压VGC电源电压GND地NC未连接
  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
  
  特性符号最小值典型值最大值单位注释饱和输出电压VOUT1.52.3-V饱和曝光量SE-0.45-Ix·s白色荧光灯光响应非均匀性PRNU-510%VOUT=500mV白色荧光灯平均暗信号ADS-0.510mV遮光光响应不均匀性DSNU-0.510mV遮光功耗PN-100-mW输出阻抗Zo0.518Ω响应度R9.81418.2V/Ix·s钨丝灯R3.556.5V/Ix·s白色荧光灯峰值响应波长-550-nm输出偏移电压Vos-7.0-V转移栅输入电容CφIO-510pF复位端输入电容CφRO-510pF采样保护端输入电容CφSHO-510pF传输门输入电容CφTG-510pF反馈通过电压VR-100200mV输出上升延迟时间t3-50100ns输出上升时间t2-50100ns输出下降时间t1-50100ns
  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。
  
  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

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