面陣CCD傳感器在現(xiàn)代電子信息技術(shù)中被廣泛應(yīng)用于電視、多媒體技術(shù)及醫(yī)療電子設(shè)備,。本文介紹的全幀讀出型面陣CCD傳感器是一種特殊類型的傳感器,，它與通常使用的面陣CCD,，如幀轉(zhuǎn)移型、行間轉(zhuǎn)移型和幀行轉(zhuǎn)移型的工作原理有所不同,，不存在轉(zhuǎn)移區(qū)或暫存區(qū),，這使得全幀讀出型CCD在讀出時(shí)不能“曝光”，在“曝光”時(shí)不能讀出,。因此這種CCD要求光源必須是閃爍的,。雖然它對(duì)光源的要求比普通的CCD要特殊，但它具有一個(gè)非常重要的特點(diǎn),，就是其體積小,，可以微型化，適合應(yīng)用在醫(yī)用及工業(yè)電子內(nèi)窺鏡中,。
1 全幀讀出型面陣CCD
　　全幀讀出型面陣CCD光電傳感器沒有垂直移位寄存器,，也沒有圖像暫存區(qū)，使有效感光面積比幀轉(zhuǎn)移型,、行間轉(zhuǎn)移型及幀行轉(zhuǎn)移型結(jié)構(gòu)的CCD大,，但這也使其必須要求閃爍光源照明。全幀讀出型面陣CCD的結(jié)構(gòu)如圖1所示,。

　　CCD的光敏單元在光照時(shí)間內(nèi)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換,，各單元隨光照強(qiáng)度不同積累電荷量亦不同。在無光照期間,，各光敏單元信號(hào)依次被讀出,。讀出時(shí)，面陣中的各行信號(hào)均向下一行移動(dòng),，在最下行的信號(hào)移出光敏感區(qū)后進(jìn)入水平移位寄存器,。這時(shí)將水平移位寄存器中的信號(hào)依次移出即可供顯示及處理,。按上述方法,，將各行信號(hào)依次移出后,，再進(jìn)行曝光，再移出,，……,，這樣就可以得到一幀一幀的連續(xù)的圖像信號(hào)。
2 微型面陣CCD—TC221
　　TC221是TI公司生產(chǎn)的一種微型全幀讀出型面陣CCD,。它的圖像感光區(qū)對(duì)角線為2.4mm,，有效像素為190(H)×190(V)，每個(gè)像素單元面積為9μm×9μm,，外封裝后的對(duì)角線尺寸約為4.1mm,。由于它的體積小，驅(qū)動(dòng)信號(hào)少,，很便于應(yīng)用在醫(yī)用及工業(yè)用電子內(nèi)窺鏡中,。TC221動(dòng)態(tài)范圍很大、靈敏度高,、噪聲低,，并能夠通過防“開花”脈沖實(shí)現(xiàn)防“開花”控制。其驅(qū)動(dòng)信號(hào)簡(jiǎn)單,，并內(nèi)置自復(fù)位電路和參考電壓源,，便于控制。另外,，TC221自帶黑參考電平,，便于視頻處理時(shí)進(jìn)行黑電平鉗位。TC221的功能框圖如圖2所示,。

　　TC221包括四個(gè)功能區(qū)：(a)感光區(qū),；(b)水平串行移位寄存器；(c)敏感結(jié)點(diǎn),；(d)低噪聲跟隨器及放大器,。TC221的驅(qū)動(dòng)信號(hào)比較簡(jiǎn)單，只有ABG,、IAG,、SRG三個(gè)信號(hào)，其引腳如圖3所示,。其中ABG為防“開花”門脈沖輸入,，“開花”控制是通過在“曝光”期間提高CCD勢(shì)阱深度來防止光敏單元間的溢出，從而達(dá)到其防“開花”的效果,；IAG為感光區(qū)域控制門脈沖輸入,，用來控制在CCD讀出期間的行移出,，在每個(gè)脈沖到來時(shí)各單元行向下移動(dòng)一行，移到串行移位寄存器中的那一行將被讀出,；SRG為串行移位寄存器控制門脈沖輸入,，在每一行移入到串行移位寄存器后控制其中的數(shù)據(jù)串行移出。這三個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅值都比較高,，要求的時(shí)序如圖4所示,。管腳中ADB為電源輸入，SUB為接地,，輸出信號(hào)在OUT管腳處得到,，各信號(hào)的幅值及頻率要求如表1所示。

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　　圖5給出了CCD外圍驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)原理圖,，其中SN28846,、TMS3473是TI公司專為其CCD器件設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)芯片。SN28846為串行移位驅(qū)動(dòng)芯片,，用來產(chǎn)生串行移位寄存器的控制脈沖,，它在CCD和時(shí)鐘發(fā)生器之間提供了一個(gè)接口，接收來自時(shí)鐘發(fā)生器的TTL電平時(shí)鐘信號(hào)并向CCD輸出如圖4中所示的SRG信號(hào),。TMS3473用來驅(qū)動(dòng)感光區(qū)行移出門,，它接收來自時(shí)鐘發(fā)生器的TTL電平時(shí)鐘信號(hào)并向CCD輸出如圖4中所示的IAG信號(hào)。AD810是帶寬為70MHz的運(yùn)算放大器,，與其外圍其它元件構(gòu)成加法器,，將來自時(shí)鐘發(fā)生器的三路信號(hào)組合，輸出如圖4所示的ABG信號(hào),。時(shí)鐘發(fā)生器采用了FPGA,，它產(chǎn)生一系列45.5MHz的TTL電平的時(shí)鐘信號(hào)及脈沖信號(hào)，為整個(gè)電路提供時(shí)間基準(zhǔn),。

　　TC221面陣CCD的輸出信號(hào)是一個(gè)負(fù)極性的峰包脈沖信號(hào),，每個(gè)光敏單元對(duì)應(yīng)一個(gè)峰包。圖6所示為用數(shù)字綜合示波器HP54645D測(cè)得的CCD輸出實(shí)際波形,。圖6給出的CCD輸出信號(hào),，經(jīng)運(yùn)算放大器放大，并將直流電平濾掉,，即可供后端處理及視頻編碼并送至顯示,。