近红外光谱仪CMOS图像传感器驱动电路设计

    0　引言

    对一款性能优良的近红外光谱仪来说,拥有一个良好的信号采集电路系统是十分必要的。而图像传感器作为光谱仪的核心器件图像传感器,它的驱动电路的设计好坏直接影响光谱仪的性能,所以对图像传感器驱动电路的设计就变得十分重要。本文提及的近红外光谱仪所用到的图像传感器是一种CMOS图像传感器。

    近几年来各种图像传感器及其系统大量涌现,发展速度惊人,性能水平日益提高,应用领域不断扩大,随着超大规模集成技术的发展,CMOS图像传感器发展强劲,现在的一些参数性能指标已达到或超过CCD,与传统的CCD图像传感器比较而言, COMS传感器虽图像的噪声偏大,但有功耗低、成本低,体积小,集成度高的优点。本文中所采用的CMOS图像传感器,是由某公司研制生产的一种型号为G9203-256D铟镓砷(InGaAs)近红外光谱图像探测器(以下简称NIR)。本文主要探讨的是,针对此类典型的CMOS图像传感器,设计一种保证传感器正常工作的基于CPLD的驱动电路。

    1　CMOS图像传感器G9203-256D

    G9203-256D是一种高精度高稳定性铟镓砷线阵图像探测器,适合应用于近红外光谱区域,其可探测光谱范围为900nm到1700nm。其有效像素数为256,像素间距50μm,像素尺寸50μm(H)×500μm(V)。

    G9203-256D内部的电荷放大器阵列由CMOS晶体管组成,移位寄存器、时序发生器以及相关二次采样器(CDS)与铟镓砷光电二极管阵列集成在一起,其内部信号处理电路部分的反馈电容C_f,可以通过传感器外部电路进行选择(C_f=10pf或者C_f=0.5pf),G9203-256D的实物和内部结构如图1所示。

    由结构图可以看到传感器驱动电路设计的关键是提供满足传感器正常工作的几个电源电压,以及时序脉冲。

    2　驱动电路中电源部分的设计

    驱动电路中电源部分设计的主要工作是给G9203-256D的几个包括Vdd,Vss,Vref,INP等在内的功能引脚提供相引的电源电压,其中每个引脚对电源电压的要求除了电压值大小上不同,对电压的稳定性和精确性上的要求也有所不同。

    Vdd是传感器的工作电压输入端,标准值为5V,Vdd对稳定要求并不高,所以本文直接采用USB电源作为传感器工作电压,经过实际测试,USB电源电压是在5V上下跳动,但是有时会超过G9203-256D说明书上指定的最大值5.1V,为了保证传感器不被烧坏,在传感器工作电压引脚处并联上一个5.1V的稳压二极管,这样引脚Vdd上的电压始终不会超过5.1V。

    Vss接地。Vref是传感器的参考电压输入端,他的功能是对噪声偏移补偿电路进行复位,标准值为1.25V。传感器对其电源电压的要求是必须十分稳定,不能有剧烈的跳动,所以一般的电源不管是由交流电经过整流(或交流适配器)后供电,还是由蓄电池组供电,工作过程中,电源电压都将在很大范围内变化。各种整流器的输出电压不仅受市电电压变化的影响,还受负载变化的影响。经过考虑与选择,最后决定采用低压差线性稳压器(LDO),采用的芯片是美国MAXIM公司的MAX1749。MAX1749作为一种LDO芯片,他可以提供两种工作模式供用户选择,一种是固定输出电压模式,一种是可调输出电压模式。MAX1749在固定电压输出模式中,只要输入电压在2.5V到6.5V范围,输出端电压固定输出为1.25V,输出电流最大不超过120mA,而且输出电压非常稳定,而1.25V的稳定电压输出正好满足Vref引脚的要求,而且最大输出电流不超过120mA也完全能保障传感器不被损坏。MAX1749的输入电压,为了简洁方便,直接采用USB电源(5V左右,在2.5V~6.5V的范围内)。