CCD高清圖像處理模擬前端關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、電荷耦合器件CCD（Charge Coupled Devices）作為當(dāng)前的主流圖像傳感器之一，在高清數(shù)碼相機(jī)、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等消費(fèi)類數(shù)碼產(chǎn)品和遙感遙測、天文測量、航空航天和目標(biāo)識別等軍民用科學(xué)研究領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。CCD圖像處理系統(tǒng)包括CCD陣列、模擬前端AFE（Analog Front End）和數(shù)字處理模塊，其中模擬前端是實(shí)現(xiàn)前端CCD原始圖像模擬輸入信號到后端數(shù)字處理信號轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其性能直接決定了系統(tǒng)成像的圖像質(zhì)量。其關(guān)鍵技術(shù)

2、涵蓋了圖像信號處理、數(shù)?；旌闲盘栂到y(tǒng)頂層設(shè)計(jì)和高速高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換，已成為高清圖像處理和微電子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文以滿足1024×1024像素，100幀/秒掃描CCD高清圖像處理系統(tǒng)的應(yīng)用要求為目標(biāo)，重點(diǎn)開展12位100MHz模擬前端系統(tǒng)架構(gòu)、模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)研究和關(guān)鍵單元電路設(shè)計(jì)。主要內(nèi)容包括：
　　 ⑴基于雙采樣和電荷守恒原理，提出了一種五階橢圓低通濾波結(jié)構(gòu)的CMOS開關(guān)電容型抗混疊濾波器，可有效濾除圖像信號中的帶外噪聲，提高了后

3、續(xù)ADC的輸入信號質(zhì)量；該雙采樣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)突破了濾波器受運(yùn)放單位增益帶寬和轉(zhuǎn)換速率的傳統(tǒng)約束，有效地改善了其高頻應(yīng)用性能。
　　 ⑵結(jié)合Cascode Miller補(bǔ)償和輸出零點(diǎn)補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)，提出了一種用于軌至軌電壓緩沖器的新型頻率補(bǔ)償方式，既可以大幅減小補(bǔ)償電容，又可以在不增加電路復(fù)雜性的前提下保證運(yùn)放在軌至軌的輸入共模范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。在保證抗混疊濾波器輸出信號的高保真?zhèn)鬏數(shù)耐瑫r(shí)，為后端的ADC模塊提供了足夠的驅(qū)動(dòng)能力。
　

4、　 ⑶根據(jù)圖像處理系統(tǒng)的指標(biāo)要求和功耗優(yōu)化方法，確定了12位精度，100MHz的Pipeline ADC系統(tǒng)架構(gòu)，級精度分配為（4，2，2，2，2，2，2，2，2），級數(shù)為9級。根據(jù)工藝容差分析，確定了器件失配對采保模塊和MDAC模塊功耗的影響，提出一種針對MDAC電路的電容失配自校正方案。該方案通過校正MDAC中的電容失配，使得小尺寸電容陣列具有較高的匹配精度，MDAC總電容可減小至50％，采保和殘差的功耗僅為原有的25％；同時(shí)，A

5、DC的DNL和INL均被有效校正。
　　 ⑷分別研究了Pipeline ADC的高線性采樣開關(guān)、采保S/H和基準(zhǔn)電壓源單元電路。發(fā)展提出了3種高性能S/H組態(tài)：具有高線性度的無饋通雙邊對稱NFDSS自舉采樣開關(guān)、可同時(shí)獲得高增益大帶寬的共源共柵跨導(dǎo)前饋CGFF補(bǔ)償兩級全差分運(yùn)算放大器和能顯著降低增益誤差的相關(guān)雙采樣CDS-S/H拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果顯示，3種方案的技術(shù)指標(biāo)均滿足12位精度100MHz采樣率S/H電路的要求。提出了一

6、種無運(yùn)放結(jié)構(gòu)的帶隙基準(zhǔn)電壓源，只用Cascode電流鏡結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓，降低了電路的功耗；同時(shí)，在輸出端應(yīng)用電阻修調(diào)技術(shù)和數(shù)字修調(diào)技術(shù)相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)了二階溫度補(bǔ)償，在-40℃～135℃的溫度范圍內(nèi)，TT模型下的溫度系數(shù)為1.7 ppm/℃；直流時(shí)電源抑制比為-95.4dB，1Knz時(shí)電源抑制比為-92.4dB，100KHz時(shí)電源抑制比為-56dB，獲得了良好的電源抑制性能。
　　 ⑸基于高速數(shù)字-模擬混合信號集成電路版圖設(shè)計(jì)