天文观测相机低噪声CCD视频处理电路的分析与设计

    0 引 言

    目前,CCD器件以其输出噪声低、动态范围大、量子效率高、光谱响应范围宽等优点被广泛地应用于天文观测、航空航天遥感、生物医学工程、武器装备、水下摄影等多种技术领域。

    CCD图像传感器输出的视频信号是空间采样离散的模拟信号,其中夹杂着各种噪声和干扰。CCD视频信号处理电路的作用是在不损失图像细节的前提下,尽可能地消除这些噪声和干扰;并保证在CCD的动态范围内,图像信号随目标亮度线性变化;同时为了便于后续处理和大容量存储,对视频信号进行数字化处理[1]。目前发表的有关CCD视频处理电路的文章均侧重于讨论CCD噪声及相关双采样电路[2)4],而对系统地研究整个CCD视频处理电路链的文章较少。因此本文将结合实际项目,以天文观测相机视频处理电路为例,简要介绍低噪声CCD视频处理电路的组成;对各组成部分进行了分析讨论,并给出相应的设计方法;对所设计的视频处理电路进行了PSPICE仿真及实验测试,给出了相应的仿真及实验结果。

    1 低噪声视频处理电路的组成

    天文观测相机的视频处理电路主要包括电压跟随器、前置放大、差分放大、可编程增益放大(PGA:Programmable Gain Amplifier)、相关双采样(CDS:Correlated Double Sampling)及16bit模数转换等几部分。其中电压跟随器和前置放大电路放置在CCD传感器附近,为前级处理电路;而后面的几部分构成后级处理电路,前后级通过视频同轴电缆联接,后级模数转换后的数据经数据输出接口送给图像采集系统。低噪声视频处理电路的组成结构框图如图1所示。

    2 各部分电路分析与设计

    2.1 前级处理电路

    本相机所选CCD探测器为1024@1024像素的帧转移面阵CCD探测器,其输出信号的直流电平为25V,最大饱和输出为450mV。因此,为了便于后级的相关双采样及数模转换等处理,必须对该信号进行隔直、放大等前级处理。前级处理的电路图如图2所示,其中U2、R3、R4构成前置放大电路,放大倍数为21倍;C1为隔直电容;C2对前置放大电路的带宽进行限制,以滤除信号中的高频噪声和尖峰毛刺;输出端串接508电阻以与同轴电缆进行阻抗匹配。

    根据所选CCD探测器的数据手册可知,其输出电阻为3008,如果将CCD输出信号直接隔直、放大,那么前置放大器的电流噪声必须很小,否则3008电阻和大的电流噪声相乘再经过21倍的放大,会在前置放大的输出端产生较大的等效电压噪声,从而增加整个视频处理电路的噪声。为此在前级处理电路中设计了由Q1、R1和R2构成的射极跟随器进行阻抗变换,此射极跟随器的输出阻抗可由式(1)[5]得到,式中Rs为源电阻,在本电路中为CCD的输出电阻3008,Rb为基极电阻即图2中的R2,B和rbe分别为三极管的电流放大倍数和体电阻。