CN103873785A - 一种低噪声电荷耦合器件前端模拟视频信号预处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种低噪声电荷耦合器件前端模拟视频信号预处理装置，该装置包括：第一、第二射极跟随器分别连接电荷耦合器件的模拟输出管脚端和参考地管脚端连接，以差分方式输出电荷耦合器件模拟信号和参考地电压信号；差分放大电路连接第一、第二射极跟随器，输出差分信号；滤波耦合电路与差分放大电路连接，输出滤波后的差分信号；电荷耦合器件专用处理器电路与滤波耦合电路连接，用于输出数字图像。本发明解决电荷耦合器件由于高频、大幅度驱动信号的电磁干扰串入前端模拟视频输出信号中引起较大串扰噪声的问题，相比传统电荷耦合器件前端模拟信号预处理方法噪声可降低50％以上，应用于电荷耦合器件的前端模拟视频信号预处理过程。

Description

一种低噪声电荷耦合器件前端模拟视频信号预处理装置

技术领域

本发明属于微光成像领域，涉及一种可显著降低电荷耦合器件电磁干扰噪声的电荷耦合器件前端模拟视频信号预处理装置，主要应用于电荷耦合器件的前端模拟视频信号预处理过程。

背景技术

电子倍增电荷耦合器(Electron Multiplying Charge CoupleDevice，EMCCD)是近十年来在电荷耦合器件图像传感器领域出现的一项新技术，其在硅片上单独集成了数百级电子倍增寄存器，利用相邻两个栅极所形成的高压电场可在信号电子被读出放大器转换为信号电压之前将信号电子放大1000倍以上，从而抑制由于读出放大器和电路噪声所引入的增益后噪声，获得非常高的灵敏度，特别适合于微光成像。相比于传统带像增强器的电荷耦合器件，其结构和体积大大简化，在某些重量和体积敏感的应用场合具有较大优势。

电荷耦合器件所需要的水平驱动信号约为12V，垂直驱动信号约为10V，为获得电子增益所必须的高压驱动信号幅度甚至达到了45V，而驱动频率最大可达到18MHz以上，这些驱动信号具有幅度大、频率高的特点，在电荷耦合器件内部将会形成强大的电磁干扰，串到电荷耦合器件输出的模拟视频信号上，形成较大的串扰噪声，大大增加了电荷耦合器件在高频工作条件下的读出噪声。同时，电子倍增电荷耦合器件为工作在可抑制表面暗电流的反转模式下，必须将其参考地设计为4.5V，相比于其他普通电荷耦合器件的0V参考地抬高了4.5V，这进一步加剧了驱动信号对电荷耦合器件前端模拟视频信号的串扰。

面对这种串扰噪声，最好的方法是将干扰源与被干扰模拟视频信号进行彻底隔离，阻断干扰路径。在电荷耦合器件外围电路中可以相对容易实现信号的隔离与阻断，但面对已经封装成型的电荷耦合器件传感器，其内部采用特殊焊接工艺将硅片上的管脚与封装管脚对接起来，管脚间距约为0.6mm，根本无法在电荷耦合器件内部形成有效隔离层对电磁干扰进行屏蔽，导致无法从源头上阻止该电磁串扰噪声的形成，只能在后续模拟视频信号处理过程中采用特殊手段来降低这种干扰噪声。

传统的电荷耦合器件前端模拟信号预处理方法为：以电子系统的0V地平面作为参考地，采用前端射极跟随器+相关双采样+模数转换的方法来完成将电荷耦合器件模拟信号转换为数字信号的任务。但该方法只能消除电荷耦合器件读出放大器的复位噪声而无法消除由于驱动信号电磁干扰而串扰到电荷耦合器件前端模拟视频信号中的噪声。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决电荷耦合器件由于高频、大幅度驱动信号的电磁干扰而在前端模拟视频输出信号中串入较大噪声的问题，发明了一种低噪声电荷耦合器件前端模拟视频信号预处理装置，利用电荷耦合器件模拟视频信号以及参考地电压信号受到相似电磁干扰的特性，采用差分结构消除这两个信号中的相同电磁干扰噪声分量，相比传统电荷耦合器件前端模拟信号预处理方法噪声可降低50％以上。

(二)技术方案

本发明提供一种低噪声电荷耦合器件前端模拟视频信号预处理装置，包括第一极跟随器、第二射极跟随器、差分放大电路、滤波耦合电路、电荷耦合器件专用处理器电路，其中：第一射极跟随器的输入端与电荷耦合器件的模拟输出管脚连接，用于输出含有电磁串扰分量的电荷耦合器件模拟信号；第二射极跟随器的输入端与电荷耦合器件参考地管脚端连接，用于输出含有电磁串扰分量的电荷耦合器件参考地电压信号；差分放大电路的输入端分别连接第一射极跟随器、第二射极跟随器的输出端，用于输出消除电磁串扰分量的差分信号；滤波耦合电路的输入端与差分放大电路的输出端连接，用于输出滤除高频噪声和隔直后的模拟差分信号；电荷耦合器件专用处理器电路的输入端与滤波耦合电路的输处端连接，用于输出数字图像。

(三)有益效果

本发明主要利用电荷耦合器件模拟视频信号以及参考地电压信号会受到相似电磁干扰的特性，提供了基于一种差分放大结构的模拟视频信号预处理装置，相对现有电荷耦合器件模拟信号预处理装置具有以下优点：

(1)本发明利用差分放大结构创造性地将受到相似电磁干扰的电荷耦合器件模拟视频信号以及电荷耦合器件参考地电压信号进行差分相减，可将由于电磁干扰而引起的串扰噪声降低50％以上；

(2)在信号传输过程中采用差分走线方式输出电荷耦合器件模拟视频信号以及电荷耦合器件参考地电压信号，可防止信号在传输过程中受到干扰，因为即使在信号传输过程中受到外界干扰，但由于这两个信号受到的干扰相同，也可利用后续差分放大电路消除；

(3)采用差分输出方式可进行更长距离的信号传输，这大大减轻了由于电荷耦合器件需要深度致冷带来的传输线必须延长而导致信号质量下降的问题；

(4)电路结构简单，实现容易，相对传统预处理电路并没有明显增大电路结构单元及电子元器件数量。

附图说明

图1本发明一种低噪声电荷耦合器件前端模拟视频信号预处理装置框图；

图2本发明电荷耦合器件输出模拟信号及参考电压信号的射极跟随电路；

图3本发明电荷耦合器件输出模拟信号及参考电压信号的差分放大电路；

图4本发明滤波耦合电路。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1示出本发明一种低噪声电荷耦合器件前端模拟视频信号预处理装置，该装置包括第一极跟随器、第二射极跟随器、差分放大电路、滤波耦合电路、电荷耦合器件专用处理器电路，其中：第一射极跟随器的输入端与电荷耦合器件的模拟输出管脚端OS连接，用于输出含有电磁串扰分量的电荷耦合器件模拟信号；第二射极跟随器的输入端与电荷耦合器件参考地管脚端VSS连接，用于输出含有电磁串扰分量的电荷耦合器件参考地电压信号；差分放大电路的输入端分别连接第一射极跟随器、第二射极跟随器的输出端，用于输出消除电磁串扰分量的差分信号；滤波耦合电路的输入端与差分放大电路的输出端连接，用于输出滤除高频噪声和隔直后的模拟差分信号；电荷耦合器件专用处理器电路的输入端与滤波耦合电路的输处端连接，用于输出数字图像。

第一射极跟随器对电荷耦合器件输出的模拟视频信号进行信号跟随，生成电荷耦合器件模拟信号。第二射极跟随器，对电荷耦合器件输出的参考地电压信号进行信号跟随，生成电荷耦合器件参考地电压信号。所述电荷耦合器件模拟信号与电荷耦合器件参考地电压信号为差分输出方式。差分放大电路由三个相同型号运算放大器组成，并成对称分布。差分放大电路，将经过跟随后的电荷耦合器件模拟输出信号和电荷耦合器件参考地电压信号分别输入到差分放大电路的正、负输入端进行差分操作，消除电荷耦合器件模拟输出信号和电荷耦合器件参考地电压信号中的相同电磁串扰分量，生成消除所述两个信号中的相同电磁串扰分量的差分信号。将差分放大电路的输出信号通过一RC低通滤波电路进一步滤除随机高频噪声，并通过一隔直电容，生成滤除高频噪声和隔直后的模拟差分信号。专用处理器电路，对模拟差分信号完成相关双采样以及模数转换，生成数字图像。

如图2所示电子倍增电荷耦合器件输出模拟信号及参考电压信号的射极跟随电路，包括：两个相同的双极性晶体管Q1、Q2，6个高精密度金属薄膜电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6，其中R1＝R4，R2＝R5，R3＝R6，两个高精度陶瓷电容C1，C2，C1＝C2，两个电压源V1和V2；电阻R1输入端连接到CCD输出管脚OS，输出端连接到地，电阻R2与电容C1并联，输入端连接到EMCCD输出管脚OS，输出端连接到Q1的基极，Q1的集电极连接到V1，射极连接到R3的输入端，R3输出端连接到地；电阻R4输入端连接到CCD参考地管脚Vss，输出端连接到地，电阻R5与电容C2并联，输入端连接到EMCCD参考地管脚，输出端连接到Q2的基极，Q2的集电极连接到V2，射极连接到R6的输入端，R6输出端连接到地。电子倍增电荷耦合器件输出经过一个对地电阻R1后转换为模拟视频电压信号，该信号之后通过由R2和C1组成的阻容耦合电路，防止信号通过时产生振荡影响信号质量，之后再采用一个紧靠输出管脚放置的、由Q1和R3组成的前端射极跟随器增强模拟视频信号的抗干扰能力，并防止后续电路因短路而损毁电子倍增电荷耦合器件读出放大器；为使电子倍增电荷耦合器件的参考电压信号与模拟视频信号具有相同的相位及信号特征，将该参考电压信号也通过一个与电荷耦合器件输出模拟信号相同结构的射极跟随器电路进行跟随，保证这两路信号通过相同结构的射极跟随器以后保持相同的相位特征；这两个射极跟随器Q1和Q2都靠近各自的信号源V1和V2放置，并将经过射极跟随后的两个信号采用差分走线的方式输入到下级差分放大电路，确保它们在传输过程中走线一致以便在差分操作时可彻底消除在传输过程中引入的干扰噪声。

如图3所示本发明电子倍增电荷耦合器件输出模拟信号及参考电压信号的差分放大电路，包括：三个相同的运算放大器U1、U2、U3，增益倍数设置电阻R10，其他附属电阻R7，R8，R9，R11，R12，R13，其中R9＝R11，R7＝R8＝R12＝R13。放大器U1的正相输入端连接到图2中Q1的射极，反相输入端连接到R9的输出端，R9的输入端连接到U1的输出端，R7的输入端连接到U1的输出端，R7的输出端连接到R8的输入端，R8的输出端接地，U2的正相输入端连接到图2中Q2的射极，反相输入端连接到R10的输出端，R10的输入端连接到R9的输出端，R11的输入端连接到U2的输出端，R12的输入端连接到U2的输出端，U3的正相输入端连接到R7的输出端，U3的反相输入端连接到R12的输出端，R13的输入端连接到U3的输出端，输出端连接到U3反相输入端。差分放大电路采用三个相同的运算放大器实现，为消除第三个运算放大器正、负输入端的不对称性影响，保证电路的严格对称性，分别采用两个运算放大器U1和U2对模拟视频信号和参考电压信号先进行相同倍数放大，再用一个运算放大器组成差分放大电路对两路信号进行差分相减，消除这两个信号中由于电磁干扰而导致的相同串扰噪声；为与后续电荷耦合器件专用集成处理器无缝对接，将模拟视频信号连接到差分放大电路的正向输入端，参考电压信号输入到负向输入端，这样模拟视频信号在经过差分放大后不会反向；为保证差分放大电路的共模抑制比，三运放严格对称布局，并采用精密电阻搭建电路，消除因电阻阻值误差导致的共模抑制比损耗。整个差分放大电路的差分放大倍数由电阻R10来调节，增益倍数用电阻阻值表达为：

$\frac{R10+R9+R11}{R10}\×\frac{R13}{R12}=1+2\×\frac{R9}{R10}$

如图4所述本发明滤波耦合电路，包括：附属电阻R14，隔直电容C3和C4，为进一步消除电路引入的随机高频噪声，设计了由R14和C3组成的RC低通滤波器，滤除电路中运放自身噪声、电阻热噪声等高频噪声，并采用一个隔直电容C4去除视频信号中的直流分量，方便后续的电荷耦合器件专用处理器进行直流重建；

采用一个电荷耦合器件专用处理器对经过差分后的模拟视频信号进行处理，分别对模拟视频信号单个像素的复位区、视频区各进行一次采样，完成相关双采样操作，消除读出放大器复位管引入的复位噪声；之后控制电荷耦合器件专用集成处理器中的模数转换器完成模数转换，将消除复位噪声后的模拟视频信号转换为数字图像。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种低噪声电荷耦合器件前端模拟视频信号预处理装置，其特征在于：包括第一极跟随器、第二射极跟随器、差分放大电路、滤波耦合电路、电荷耦合器件专用处理器电路，其中：

第一射极跟随器的输入端与电荷耦合器件的模拟输出管脚连接，用于输出含有电磁串扰分量的电荷耦合器件模拟信号；

第二射极跟随器的输入端与电荷耦合器件参考地管脚端连接，用于输出含有电磁串扰分量的电荷耦合器件参考地电压信号；

差分放大电路的输入端分别连接第一射极跟随器、第二射极跟随器的输出端，用于输出消除电磁串扰分量的差分信号；

滤波耦合电路的输入端与差分放大电路的输出端连接，用于输出滤除高频噪声和隔直后的模拟差分信号；

电荷耦合器件专用处理器电路的输入端与滤波耦合电路的输处端连接，用于输出数字图像。

2.根据权利要求1所述的低噪声电荷耦合器件前端模拟视频信号预处理装置，其特征在于：第一射极跟随器对电荷耦合器件输出的模拟视频信号进行信号跟随，生成电荷耦合器件模拟信号。

3.根据权利要求1所述的低噪声电荷耦合器件前端模拟视频信号预处理装置，其特征在于：第二射极跟随器，对电荷耦合器件输出的参考地电压信号进行信号跟随，生成电荷耦合器件参考地电压信号。

4.根据权利要求3所述的低噪声电荷耦合器件前端模拟视频信号预处理装置，其特征在于：所述电荷耦合器件模拟信号与电荷耦合器件参考地电压信号为差分输出方式。

5.根据权利要求1所述的低噪声电荷耦合器件前端模拟视频信号预处理装置，其特征在于：差分放大电路由三个相同型号运算放大器组成，并成对称分布。

6.根据权利要求1所述的低噪声电荷耦合器件前端模拟视频信号预处理装置，其特征在于：差分放大电路，将经过跟随后的电荷耦合器件模拟输出信号和电荷耦合器件参考地电压信号分别输入到差分放大电路的正、负输入端进行差分操作，消除电荷耦合器件模拟输出信号和电荷耦合器件参考地电压信号中的相同电磁串扰分量，生成消除所述两个信号中的相同电磁串扰分量的差分信号。

7.根据权利要求1所述的低噪声电荷耦合器件前端模拟视频信号预处理装置，其特征在于：将差分放大电路的输出信号通过一RC低通滤波电路进一步滤除随机高频噪声，并通过一隔直电容，生成滤除高频噪声和隔直后的模拟差分信号。

8.根据权利要求1所述的低噪声电荷耦合器件前端模拟视频信号预处理装置，其特征在于：专用处理器电路，对模拟差分信号完成相关双采样以及模数转换，生成数字图像。

Images