CCD成像系统中模拟前端噪声的研究摘要：为了提高CCD成像电子学系统的信噪比，设计了3种模拟前端电路，借助Oread软件对它们的输出波形进行比较，分析电路结构与噪声产生机理的关系从理论上比较3种电路结构的噪声水平。然后采用三线阵CCD探测器KLI8023和视频处理器TDA9965在硬件上实现3路模拟前端的电路设计，并通过X64-LVDS采集卡分别将3路图像信息显示在终端机上。毎个像元成像50次，统计这50次的均方差（噪声）和信噪比，通过拟合曲线比较三路模拟前端的噪声水平和信噪比。在相同光照条件下，第1路的信噪比达到750dB,第3路只有600dB，验证了理论分析的结果，讨论不同像元频率、带宽与信噪比的关系，为今后的成像系统电路设计提供参考和实验依据。关键词：CCD成像系统；模拟前端；噪声；信噪中图分类号：TN386.5-34文献标识码：A文章编:1004-373X(2011)24-0113-05ResearchofNoiseatAnalogFrontEndinCCDImagingSystemZHANGHang,LIUDong-bin,LIWei,ZHANGDa(ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,ChineseAcademyofSciences,Changchun130033,China)Abstract：Inordertoincreasethesignalnoiseratiooftheimagingsystem,threekindsoftheanalogfrontenddesignareproposed.BytheelectronicanalysissoftwareOread,thedifferentoutputwaveformofthethreekindsofdesignarecontrastedforanalyzingtherelationshipbetweenthecircuitandthemechanismofnoisegeneration.Thenoiselevelofthethreecircuitswascomparedtheoretically.ThePCBdesignofanalogfrontendisfinishedwiththree-linearrayCCDKLI-8023and12bitanalog-to-digitalinterfaceTDA9965.TheimageinformationisdisplayedontheterminalcomputerthroughtheframegrabberX64-LVDS.Everypixelimages50times,andthenthemean-squaredeviation(noise)ofthe50timesiscalculated.ThenoiselevelandSNR(signalnoiseratio)atthree-routefrontendarecomparedbytheaidoffittingcurves.Underthesameconditionoflightsignal,theSNRofthefirstrouteis750dB,andtheSNRofthethirdrouteisonly600dB.Theresultcantestifypre-analysisintheory.Therelationshipamongpixelfrequency,bandwidthandSNRisdiscussed.Theresearchcanprovidetheexperimentaldataasreferenceforthecircuitdesignofimagingsystemsinfuture.Keywords：CCDimagingsystem;analogfrontend;noise;SNR0引言CCD电荷耦合器件的基本结构是一种密排的M0S电容器，能够存储由入射光在CCD光敏单元激发出的光信息电荷，并能在适当的时钟脉冲驱动下，把储存的电荷以电荷包的形式定向传输转移，从而完成从光信号到电信号的转换。CCD不但具有体积小、质量轻、功耗小、工作电压低和抗烧毁等优点，而且在分辨率、动态范围、灵敏度等方面的优越性也是其他器件无法比拟的，所以CCD已经广泛地应用到各种高性能的成像系统中［1］。CCD自20世纪70年代问世以来，设计和制造工艺不断发展，其像元尺寸逐渐缩小，而电荷转移频率又不断提高，这样其信号输出幅度也相应减小［2］。为了获得高质量的图像，提高信噪比，人们对抑制噪声的要求越来越高。同时伴随着集成电路设计水平的不断提高，其驱动电路和视频信号处理器都已经发展得十分成熟了，各种专用集成芯片不断问世。在整个成像电子学系统中，数字电路部分对于噪声的控制，信噪比的提高已经做的比较完善了，所以人们开始更多地关注模拟前端的设计。模拟前端是CCD成像系统的重要组成部分，用于读出像素电荷并完成像素信号的采集、放大、隔直以及传输。可以说，模拟前端系统设计的好坏决定了系统成像质量高低［3］。有些时候，对于模拟前端的设计更多的是依靠经验，没有进行不同电路设计的比较和分析，这样做有可能降低整个成像系统的信噪比或者带来带宽不匹配等问题。通常情况下，为了增加CCD输出信号的驱动能力以及隔离CCD与后续电路，防止短路而烧毁CCD芯片，增加一个跟随放大器，保证后续视频处理器所需的输入电流。但是由于跟随放大器是有源器件，会引入多余的噪声，对信噪比有一定的影响。本文设计了3种模拟前端电路，分析它们的优缺点，通过仿真...