全帧读出型面阵CCD光电传感器的工作原理及应用
面阵ccd传感器在现代电子信息技术中被广泛应用于电视、多媒体技术及医疗电子设备。本文介绍的全帧读出型面阵ccd传感器是一种特殊类型的传感器，它与通常使用的面阵ccd，如帧转移型、行间转移型和帧行转移型的工作原理有所不同，不存在转移区或暂存区，这使得全帧读出型ccd在读出时不能“暴光”，在“暴光”时不能读出。因此这种ccd要求光源必须是闪烁的。虽然它对光源的要求比普通的ccd要特殊，但它具有一个非常重要的特点，就是其体积小，可以微型化，适合应用在医用及工业电子内窥镜中。
1 全帧读出型面阵ccd
全帧读出型面阵ccd光电传感器没有垂直移位寄存器，也没有图像暂存区，使有效感光面积比帧转移型、行间转移型及帧行转移型结构的ccd大，但这也使其必须要求闪烁光源照明。全帧读出型面阵ccd的结构如图1所示。
ccd的光敏单元在光照时间内进行光电转换，各单元随光照强度不同积累电荷量亦不同。在无光照期间，各光敏单元信号依次被读出。读出时，面阵中的各行信号均向下一行移动，在最下行的信号移出光敏感区后进入水平移位寄存器。这时将水平移位寄存器中的信号依次移出即可供显示及处理。按上述方法，将各行信号依次移出后，再进行曝光，再移出，这样就可以得到一帧一帧的连续的图像信号。
2 微型面阵ccd-tc221
tc221是ti公司生产的一种微型全帧读出型面阵ccd。它的图像感光区对角线为2.4mm，有效像素为190（h）×190（v），每个像素单元面积为9μm×9μm，外封装后的对角线尺寸约为4.1mm。由于它的体积小，驱动信号少，很便于应用在医用及工业用电子内窥镜中。tc221动态范围很大、灵敏度高、噪声低，并能够通过防“开花”脉冲实现防“开花”控制。其驱动信号简单，并内置自复位电路和参考电压源，便于控制。另外，tc221自带黑参考电平，便于视频处理时进行黑电平钳位。tc221的功能框图如图2所示。
tc221包括四个功能区：（ａ）感光区；（ｂ）水平串行移位寄存器；（ｃ）敏感结点；（ｄ）低噪声跟随器及放大器。tc221的驱动信号比较简单，只
有abg、iag、srg三个信号，其引脚如图3所示。其中abg为防“开花”门脉冲输入，“开花”控制是通过在“暴光”期间提高ccd势阱深度来防止光敏单元间的溢出，从而达到其防“开花”的效果；iag为感光区域控制门脉冲输入，用来控制在ccd读出期间的行移出，在每个脉冲到来时各单元行向下移动一行，移到串行移位寄存器中的那一行将被读出；srg为串行移位寄存器控制门脉冲输入，在每一行移入到串行移位寄存器后控制其中的数据串行移出。这三个驱动信号的幅值都比较高，要求的时序如图4所示。管脚中adb为电源输入，sub为接地，输出信号在out管脚处得到，各信号的幅值及频率要求如表1所示。
图5给出了ccd外围驱动电路设计原理图， 其中sn28846、tms3473是ti公司专为其ccd器件设计的驱动芯片。sn28846为串行移位驱动芯片，用来产生串行移位寄存器的控制脉冲，它在ccd和时钟发生器之间提供了一个接口，接收来自时钟发生器的ttl电平时钟信号并向ccd输出如图4中所示的srg信号。tms3473用来驱动感光区行移出门，它接收来自时钟发生器的ttl电平时钟信号并向ccd输出如图4中所示的iag信号。ad810是带宽为70mhz的运算放大器，与其外围其它元件构成加法器，将来自时钟发生器的三路信号组合，输出如图4所示的abg信号。时钟发生器采用了fpga，它产生一系列45.5mhz的ttl电平的时钟信号及脉冲信号，为整个电路提供时间基准。
tc221面阵ccd的输出信号是一个负极性的峰包脉冲信号，每个光敏单元对应一个峰包。图6所示为用数字综合示波器hp54645d测得的ccd输出实际波形。图6给出的ccd输出信号，经运算放大器放大，并将直流电平滤掉，即可供后端处理及视频编码并送至显示。
本文介绍的全帧读出型面阵ccd-tc221和其他几种类型的面阵ccd相比有其独特的优越性。在我们的实际应用及开发中，也证明了它的可靠性及优越性能。在要求体积限制的环境中，例如在工业探测及医学诊断中，全帧型微型ccd图像传感器都有很好的应用前景。
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ccd的光敏单元在光照时间内进行光电转换，各单元随光照强度不同积累电荷量亦不同。在无光照期间，各光敏单元信号依次被读出。读出时，面阵中的各行信号均向下一行移动，在最下行的信号移出光敏感区后进入水平移位寄存器。这时将水平移位寄存器中的信号依次移出即可供显示及处理。按上述方法，将各行信号依次移出后，再进行曝光，再移出，这样就可以得到一帧一帧的连续的图像信号。
2 微型面阵ccd-tc221
tc221是ti公司生产的一种微型全帧读出型面阵ccd。它的图像感光区对角线为2.4mm，有效像素为190（h）×190（v），每个像素单元面积为9μm×9μm，外封装后的对角线尺寸约为4.1mm。由于它的体积小，驱动信号少，很便于应用在医用及工业用电子内窥镜中。tc221动态范围很大、灵敏度高、噪声低，并能够通过防“开花”脉冲实现防“开花”控制。其驱动信号简单，并内置自复位电路和参考电压源，便于控制。另外，tc221自带黑参考电平，便于视频处理时进行黑电平钳位。tc221的功能框图如图2所示。
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图5给出了ccd外围驱动电路设计原理图， 其中sn28846、tms3473是ti公司专为其ccd器件设计的驱动芯片。sn28846为串行移位驱动芯片，用来产生串行移位寄存器的控制脉冲，它在ccd和时钟发生器之间提供了一个接口，接收来自时钟发生器的ttl电平时钟信号并向ccd输出如图4中所示的srg信号。tms3473用来驱动感光区行移出门，它接收来自时钟发生器的ttl电平时钟信号并向ccd输出如图4中所示的iag信号。ad810是带宽为70mhz的运算放大器，与其外围其它元件构成加法器，将来自时钟发生器的三路信号组合，输出如图4所示的abg信号。时钟发生器采用了fpga，它产生一系列45.5mhz的ttl电平的时钟信号及脉冲信号，为整个电路提供时间基准。
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