CCD类图像传感器成像器件的噪声研究

3 抑制CCD图像传感器噪声的方法

在分析图像质量的时候，要考虑其信噪比，信噪比越高，图像的质量就越好。因此必须对决定CCD图像传感器性能的信噪比，进行综合性评估。

首先，一旦改变摄影条件，随着噪声种类的不同，有些会变得比较明显，有些会出现大小的替换。考虑到摄影条件中的温度，总体来说，随机噪声与绝对温度的平方根成正比；另一方面，在固定图像噪声中，温度每升高10℃，暗电流噪声就会提高2倍，具有很强的温度相关性。因此降低温度可以减小随机噪声和暗电流噪声。

此外，考虑光强度的关系，光的散粒噪声与信号电荷量的平方根成正比，当光强度增加时，信噪比会变得越大，并且暗电流与信号的储存时间成正比。存储时间越长，暗电流噪声就越大。因此应尽量减低电荷的转移时间。

对于转移噪声，可以采用提高衬底电压或者CCD电压取反倒置来消除界面态的俘获噪声，并且降低器件的运行温度也可以使俘获的噪声明显呈指数减小。另外，也可以将CCD在序列图像取出之前放电，这样也能有效减小转移噪声。对于输出的复位噪声，一般采用相关双采样电路来消除。

图1是相关双采样的原理电路。根据图1分析相关双采样电路的工作原理。当开关打到t1时，复位电平为高电平的参考信号，经过△τ时期，假设在电容C1上采样保持的初始信号是n(t)，这个信号包括复位电平、复位失调电压和复位噪声。当开关打到t2时刻，复位电平为低电平，此时的电平携带有用信号，经过△τ的时期送到差分放大器输入端的信号除了复位电平，复位失调电压和复位噪声外，还要外加有用的视频信号，因此可以表述成n(t)+s(t)。这个信号与C1电容上保持的信号经过差分运放输出到C2电容之后，通过A／D转换器输出数字信号。最理想的情况是n(t)+s(t)-n(t)=s(t)，剩下的信号只是有用的视频信号。因此对照图1可以看出，CCD信号出来后经过CDS电路，输出的就是有用的视频信号，复位噪声已经消除。

在CCD的应用领域中。相关双采样电路得到了广泛的应用。很多公司专门研发了相关双采样的集成电路芯片。这些专用芯片不仅使用方便，且性能也能得到很大的提高。CDS1402芯片是一种典型的相关双采样电路芯片，它是专门为CCD成像器件研制的，用来消除复位噪声。CDS1402进行了优化，适合用于10～14位转换精度的数字视频。低噪声的CDS1402芯片也是利用对高低电平信号的采样并相减来精确确定视屏信号的。结果在CCD输出的浮动电容器上，那些剩余电荷和kTC噪声被最大限度的消除。

CDS1402芯片一共有24个引脚。它包含有2个独立的采样保持放大器和S／H电路，每个S／H电路都有独立的控制线，输人和输出管脚，有两个管脚提供偏置调流和调压。一般来说，CCD的输出信号都要连接到2个S／H的输入端，S／H1端用来采集和保持偏置信号，它的输出值与CCD输出信号相减，当CCD输出偏置+视频信号的时候，S／H2端就进入信号的采集状态，从而获得有用的视频信号。

DATEL公司的CDS-1402芯片与普通CDS电路相比略有不同，但是明显优于普通的CDS电路。它的采样方法被称为“采样-相减-采样”技术。图2为CDS-1402的功能原理框图。在正常操作时，CCD的输出信号被同时送到每一个S／H放大器的输入端(引脚3和引脚4)。通常S／H1是用来俘获和保持每个像素的偏置信号，因此最初它处在信号采集状态(也就是说引脚11是输入高电平)。即通常被称为采样或跟踪模式。CCD的输出信号经过短暂的间隔之后，引脚11输入低电平，S／H1推动其保持的模式。

在一般简单的配置下，把引脚7和引脚8连接起来，就可以把S／H1的输出和S／H2的总结节点连接起来。当CCD输出偏置和视频信号的时候，引脚12输入高电平，使得S／H2进入信号采集模式。

S／H2采用电流一总结架构，它从CCD的输出信号(偏置加视频信号)中减去S／H1的输出信号(偏置信号)，只保留有用的视频信号。引脚12输入低电平，使得S／H2进入保持模式，经过一段暂态的稳定过程，有用的视频信号从引脚22输出。对于CCD的输出信号，相关双采样电路是最常用的处理方法，主要是为了去除CCD信号中的复位噪声和kTC噪声，处理效果如图3所示。

从图3可以看出，当复位部脉冲是高电平的时候。CCD的输出信号进行第1次采样，采样信号为复位电压、复位失调电压和复位噪声；当数据部脉冲是高电平时，CCD的输出信号进行第2次采样，采样信号除包括复位电压、复位失调电压和复位噪声外，还包括有用的视频信号。

2次采样的信号通过差动放大电路后输出，正好把复位部噪声去除掉。因为两次采样的噪声可以近似看成是相当的。因此通过相关双采样电路基本上可以把复位噪声去掉。