CN106685364B - 一种线性ccd信号放大电路结构及其放大实现方法 - Google Patents

一种线性ccd信号放大电路结构及其放大实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种线性CCD信号放大电路结构，所述电路结构包括依次连接的直流参考电平输入电路、CCD信号放大电路、滤波电路、以及AD采集器；所述CCD信号放大电路包括电阻R3、电阻R4、电容C2、以及运算放大器U1A；直流参考电平输入电路与所述电阻R3连接，所述电容C2与电阻R4并联后与所述电阻R3串联；所述滤波电路与所述运算放大器U1A的第1引脚连接，所述电容C2两端分别连接运算放大器U1A的第1引脚和第2引脚，所述线性CCD输出信号CCD_OS与运算放大器U1A的第3引脚连接。本发明还提供了一种线性CCD信号放大实现方法；本发明通过两个简单的运算放大器对CCD的输出信号进行直流信号和小信号的处理，方便后级AD数据的采集处理；电路精简、性能可靠、成本低。

Description

一种线性CCD信号放大电路结构及其放大实现方法
技术领域
本发明涉及电子产品技术领域，特别涉及一种线性CCD信号放大电路结构及其放大实现方法。
背景技术
CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。其工作原理是：光敏元在受到外界光照时可以产生电荷，该电荷被存储在MOS(金属-氧化物-半导体)单元中，而产生电荷的多少与光的强度和照射时间成正比，在一定时序的外加电路驱动下，CCD存储的电荷可以顺序移出。在CCD应用过程中，除了其驱动信号产生电路比较复杂外，其输出的模拟信号的后级处理也很重要，直接影响图像质量，因此，后级电路的设计成为模数转化的关键。
现有的技术对线性CCD的输出模拟信号主要处理的方法如下：1、使用专业IC处理，其成本比较高，也有采用分立器件实现的，普遍存在电路结构复杂，可靠性较低，同时占用了太多电路空间。2、简单的跟随输出处理(类似三极管射级跟随)，由于没有对信号做相应放大处理，只是做了简单阻抗变化，很容易受到干扰(比如电源，本身CCD工艺问题等)，造成数据采集不准确。3、直接放大处理，由于线性CCD输出的信号中有直流信号，直接放大处理除了放大小信号外，同时也放大了直流信号，导致后级采集变得困难，电源方面要求也比较高，造成电路复杂，成本变高。
发明内容
本发明要解决的技术问题之一，在于提供一种线性CCD信号放大电路结构，电路精简、性能可靠、成本低的特点，能够有效解决结构过于复杂、设计成本高的问题。
本发明问题之一是这样实现的：一种线性CCD信号放大电路结构，所述电路结构包括直流参考电平输入电路、CCD信号放大电路、滤波电路、以及AD采集器；所述直流参考电平输入电路、CCD信号放大电路、滤波电路、AD采集器依次连接；所述CCD信号放大电路包括电阻R3、电阻R4、电容C2、以及运算放大器U1A；所述直流参考电平输入电路与所述电阻R3连接，所述电容C2与电阻R4并联后与所述电阻R3串联；所述滤波电路与所述运算放大器U1A的第1引脚连接，所述电容C2两端分别连接运算放大器U1A的第1引脚和第2引脚，所述线性CCD输出信号CCD_OS与所述运算放大器U1A的第3引脚连接。
进一步的，所述直流参考电平输入电路包括运算放大器U1B、电阻R1、以及电阻R2；所述电阻R1、电阻R2一端均与所述运算放大器U1B的第5引脚连接，所述电阻R1、电阻R2的另一端分别连接电源、信号地；所述运算放大器U1B的第6、7引脚均与所述电阻R3连接。
进一步的，所述滤波电路包括电阻R5、电容C3以及电容C1，所述电阻R5与所述运算放大器U1A的第1引脚连接，所述AD采集器与所述电阻R5连接，所述电容C3一端与所述电阻R5连接，电容C3另一端与所述信号地连接；所述电容C1与所述运算放大器U1B的第8引脚连接。
本发明要解决的技术问题之二，在于提供一种线性CCD信号放大实现方法，电路精简、性能可靠、成本低的特点，能够有效解决结构过于复杂、设计成本高的问题。
本发明问题之二是这样实现的：一种线性CCD信号放大实现方法，所述方法需提供：直流参考电平输入电路、CCD信号放大电路、滤波电路、以及AD采集器；所述方法为：通过直流参考电平输入电路将电源VDD电压进行分压和放大运算后得到一直流电压参考值Vref；所述CCD信号放大电路根据直流电压参考值Vref将线性CCD输出的小信号电压进行放大的同时，避免放大CCD直流信号，除去直流信号的影响，将放大后的小信号电压和CCD直流信号通过滤波电路进行滤除高频信号，最后AD采集器进行采集。
进一步的，所述方法进一步为：所述直流参考电平输入电路包括运算放大器U1B、电阻R1、以及电阻R2；所述CCD信号放大电路包括电阻R3、电阻R4、电容C2、以及运算放大器U1A；所述滤波电路包括电阻R5、电容C3以及电容C1；所述线性CCD输出的信号CCD_OS是直流信号叠加小信号，即直流信号为Vos，小信号为Vi；信号CCD_OS为Vos+Vi；所述CCD信号放大电路根据直流电压参考值Vref将线性CCD输出的小信号电压进行放大的同时，避免放大CCD直流信号，除去直流信号的影响，则最后运算放大器U1A运算放大输出的信号为AMP_OS，该AMP_OS的值为Vamp＝(1+Rf)(Vos+Vi)-Vref*Rf，其中Rf＝R4/R3，Vref＝电源VDD*R2/R1+R2；简化这个公式Vamp＝(1+Rf)Vi+(Vos-Vref)Rf；该公式得知小信号Vi被放大了(1+Rf),而输出的直流信号为CCD器件本身直流电平Vos与参考电压Vref差值的Rf倍。
进一步的，所述直流参考电平输入电路工作原理具体为：电源VDD经过直流参考电平输入电路的电阻R1和R2比例分压，产生所需要的电压Vf，输入到运算放大器U1B的正输入端，经过运算放大器U1B的跟随输出，得到直流电压参考值Vref作为后级运算放大器U1A的直流参考电平输入。
进一步的，所述CCD信号放大电路工作原理具体为：所述信号CCD_OS是线性CCD输出的信号，输入到运算放大器U1A的正输入端，直流电压参考值Vref通过电阻R3输入到运算放大器U1A的负输入端；电容C2和电阻R4是并联跨接在运算放大器U1A的输出端和负输入端之间；电容C2为提供一个高频交流负反馈通道来降低系统的高频增益，电阻R4和R3组成信号放大的增益。
进一步的，所述滤波电路工作原理具体为：其中运算放大器U1A输出的信号AMP_OS经过电阻R5和电容C3，输入到AD采集器的输入端；电阻R5，电容C3组成一个的RC滤波器，进一步滤除高频信号；而电容C1是放置在运算放大器U1B电源输入端，用作去耦，去除电源中噪声，使运算放大器U1B的输入电源更稳定。
本发明的优点在于：现有技术多数，缺点是要么电路结构复杂，占用电路空间，要么成本高；本发明采用最基本的电子元器件，如电阻、电容、运算放大器等，以最简单的设计实现了线性CCD输出信号的放大处理。本发明在对CCD输出的信号放大时，引入参考直流电压，使得在尽可能的放大CCD输出的小信号的同时，去除了直流信号的影响，本发明的优点是器件构成简单、成本低、占用电路空间小，电路稳定可靠。
附图说明
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1所示，一种线性CCD信号放大电路结构，所述电路结构包括直流参考电平输入电路10、CCD信号放大电路20、滤波电路30、以及AD采集器40；所述直流参考电平输入电路10、CCD信号放大电路20、滤波电路30、AD采集器40依次连接；所述CCD信号放大电路20包括电阻R3、电阻R4、电容C2、以及运算放大器U1A；所述直流参考电平输入电路10与所述电阻R3连接，所述电容C2与电阻R4并联后与所述电阻R3串联；所述滤波电路3与所述运算放大器U1A的第1引脚连接，所述电容C2两端分别连接运算放大器U1A的第1引脚和第2引脚，所述线性CCD输出信号CCD_OS与所述运算放大器U1A的第3引脚连接。引入参考直流电压，使得在尽可能的放大CCD输出的小信号的同时，去除了直流信号的影响。
所述直流参考电平输入电路10包括运算放大器U1B、电阻R1、以及电阻R2；所述电阻R1、电阻R2一端均与所述运算放大器U1B的第5引脚连接，所述电阻R1、电阻R2的另一端分别连接电源、信号地；所述运算放大器U1B的第6、7引脚均与所述电阻R3连接。
所述滤波电路30包括电阻R5、电容C3以及电容C1，所述电阻R5与所述运算放大器U1A的第1引脚连接，所述AD采集器与所述电阻R5连接，所述电容C3一端与所述电阻R5连接，电容C3另一端与所述信号地连接；所述电容C1与所述运算放大器U1B的第8引脚连接。
本发明的一种线性CCD信号放大实现方法，所述方法需提供：直流参考电平输入电路、CCD信号放大电路、滤波电路、以及AD采集器；所述方法为：通过直流参考电平输入电路将电源VDD电压进行分压和放大运算后得到一直流电压参考值Vref；所述CCD信号放大电路根据直流电压参考值Vref将线性CCD输出的小信号电压进行放大的同时，避免放大CCD直流信号，除去直流信号的影响，将放大后的小信号电压和CCD直流信号通过滤波电路进行滤除高频信号，最后AD采集器进行采集。
所述方法进一步为：所述直流参考电平输入电路包括运算放大器U1B、电阻R1、以及电阻R2；所述CCD信号放大电路包括电阻R3、电阻R4、电容C2、以及运算放大器U1A；所述滤波电路包括电阻R5、电容C3以及电容C1；所述线性CCD输出的信号CCD_OS是直流信号叠加小信号，即直流信号为Vos，小信号为Vi；信号CCD_OS为Vos+Vi；所述CCD信号放大电路根据直流电压参考值Vref将线性CCD输出的小信号电压进行放大的同时，避免放大CCD直流信号，除去直流信号的影响，则最后运算放大器U1A运算放大输出的信号为AMP_OS，该AMP_OS的值为Vamp＝(1+Rf)(Vos+Vi)-Vref*Rf，其中Rf＝R4/R3，Vref＝电源VDD*R2/R1+R2；简化这个公式Vamp＝(1+Rf)Vi+(Vos-Vref)Rf；从这个公式可以看出小信号被放大了(1+Rf),而输出的直流信号为CCD器件本身直流电平Vos与参考电压Vref差值的Rf倍。电路的目的是要尽可能的放大小信号，如果直接把CCD的直流信号和小信号同时放大，则需要更高的电源，同时也给最后AD采集造成困难(比如超出量程)，整个电路设计就会非常复杂。本设计的巧妙之处就是增加了参考电压Vref的输入，不仅可以尽可能放大小信号的增益，又可以有效的减小直流信号的放大。
直流参考电平输入电路设计：直流参考电压Vref是由运算放大器U1B，电阻R1，电阻R2等构成。电源VDD经过电阻R1和R2比例分压，产生所需要的电压Vf，输入到运算放大器U1B的正输入端，经过运算放大器U1B的跟随输出，得到直流电压参考值Vref作为后级运算放大器U1A的直流参考电平输入。之所以用运算放大器做Vf的电压跟随，主要是进一步降低输出阻抗，提高参考电压Vref的带负载能力和稳定性。这个参考电压Vref的选择很重要，关系到后级放大倍数的选取。如何选取这个参考电平，需要根据线性CCD器件规格参数中的提供的直流电压参数，从而选取合适比例的电阻R1和R2，从电源VDD获得合适电压Vf。
CCD信号放大电路设计：放大电路由电阻R3、电阻R4、电容C2、运算放大器U1A等构成。附图1中CCD_OS是线性CCD输出的信号，输入到运算放大器U1A的正输入端，直流电压参考值Vref通过电阻R3输入到运算放大器U1A负输入端。电容C2和电阻R4是并联跨接在运算放大器U1A的输出端和负输入端之间。电容C2，容值一般比较小，主要是为提供一个高频交流负反馈通道来降低系统的高频增益，电阻R4和R3组成信号放大的增益。假设Rf＝R4/R3，该放大电路的放大的倍数为A＝1+Rf。
滤波电路设计：滤波电路由电阻R5，电容C3，电容C1构成。其中运算放大器输出的信号AMP_OS经过电阻R5和电容C3，输入到AD采集的输入端。电阻R5，电容C3组成一个简易的RC滤波器，进一步滤除高频信号。而电容C1是放置在运算放大器U1B电源输入端，用作去耦，去除电源中噪声，使运算放大器U1B的输入电源更稳定。
总之，本发明仅采用最基本的电子元器件，如电阻、电容、运算放大器等，以最简单的设计实现了对线性CCD输出信号的放大处理；本发明最为关键和独到的是在放大电路中，引入直流电压参考值，使得尽可能大的放大CCD输出的小信号电压，避免了同时放大直流信号，造成后级采集电路和电源的复杂，另外经过运算放大器的阻抗变换，进一步降低输出电阻，方便后级AD数据的采集处理。本发明具有电路精简、性能可靠、成本低的特点，能够有效解决结构过于复杂、设计成本高的问题。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (7)

1.一种线性CCD信号放大电路结构，其特征在于：所述电路结构包括直流参考电平输入电路、CCD信号放大电路、滤波电路、以及AD采集器；所述直流参考电平输入电路、CCD信号放大电路、滤波电路、AD采集器依次连接；所述CCD信号放大电路包括电阻R3、电阻R4、电容C2、以及运算放大器U1A；所述直流参考电平输入电路与所述电阻R3连接，所述电容C2与电阻R4并联后与所述电阻R3串联；所述滤波电路与所述运算放大器U1A的第1引脚连接，所述电容C2两端分别连接运算放大器U1A的第1引脚和第2引脚，所述线性CCD输出信号CCD_OS与所述运算放大器U1A的第3引脚连接；
所述直流参考电平输入电路包括运算放大器U1 B、电阻R1、以及电阻R2；
所述滤波电路包括电阻R5、电容C3以及电容C1。
2.根据权利要求1所述的一种线性CCD信号放大电路结构，其特征在于：所述电阻R1、电阻R2一端均与所述运算放大器U1 B的第5引脚连接，所述电阻R1、电阻R2的另一端分别连接电源、信号地；所述运算放大器U1 B的第6、7引脚均与所述电阻R3连接。
3.根据权利要求1所述的一种线性CCD信号放大电路结构，其特征在于：所述电阻R5与所述运算放大器U1A的第1引脚连接，所述AD采集器与所述电阻R5连接，所述电容C3一端与所述电阻R5连接，电容C3另一端与所述信号地连接；所述电容C1与所述运算放大器U1 B的第8引脚连接。
4.一种线性CCD信号放大实现方法，其特征在于：所述方法需提供：直流参考电平输入电路、CCD信号放大电路、滤波电路、以及AD采集器；所述方法为：通过直流参考电平输入电路将电源VDD电压进行分压和放大运算后得到一直流电压参考值Vref；将放大后的小信号电压和CCD直流信号通过滤波电路进行滤除高频信号，最后AD采集器进行采集；
所述直流参考电平输入电路包括运算放大器U1 B、电阻R1、以及电阻R2；所述CCD信号放大电路包括电阻R3、电阻R4、电容C2、以及运算放大器U1A；所述滤波电路包括电阻R5、电容C3以及电容C1；所述线性CCD输出的信号CCD_OS是直流信号叠加小信号电压，即直流信号为Vos，小信号电压为Vi；信号CCD_OS为Vos+Vi；所述CCD信号放大电路根据直流电压参考值Vref将线性CCD输出的小信号电压进行放大的同时，避免放大CCD直流信号，除去直流信号的影响，则最后运算放大器U1A运算放大输出的信号为AMP_OS，该AMP_OS的值为Vamp＝(1+Rf)(Vos+Vi)-Vref*Rf，其中Rf＝R4/R3，Vref＝电源VDD*R2/R1+R2；简化这个公式Vamp＝(1+Rf)Vi+(Vos-Vref)Rf；该公式得知小信号电压 Vi被放大了(1+Rf),而输出的直流信号为CCD器件本身直流电平Vos与参考电压Vref差值的Rf倍。
5.根据权利要求4所述的一种线性CCD信号放大实现方法，其特征在于：所述直流参考电平输入电路工作原理具体为：电源VDD经过直流参考电平输入电路的电阻R1和R2比例分压，产生所需要的电压Vf，输入到运算放大器U1 B的正输入端，经过运算放大器U1 B的跟随输出，得到直流电压参考值Vref作为后级运算放大器U1A的直流参考电平输入。
6.根据权利要求4所述的一种线性CCD信号放大实现方法，其特征在于：所述CCD信号放大电路工作原理具体为：所述信号CCD_OS是线性CCD输出的信号，输入到运算放大器U1A的正输入端，直流电压参考值Vref通过电阻R3输入到运算放大器U1A的负输入端；电容C2和电阻R4是并联跨接在运算放大器U1A的输出端和负输入端之间；电容C2为提供一个高频交流负反馈通道来降低系统的高频增益，电阻R4和R3组成信号放大的增益。
7.根据权利要求4所述的一种线性CCD信号放大实现方法，其特征在于：所述滤波电路工作原理具体为：其中运算放大器U1A输出的信号AMP_OS经过电阻R5和电容C3，输入到AD采集器的输入端；电阻R5，电容C3组成一个的RC滤波器，进一步滤除高频信号；而电容C1是放置在运算放大器U1 B电源输入端，用作去耦，去除电源中噪声，使运算放大器U1 B的输入电源更稳定。
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