使用可变带通滤波器的采样系统及双相关采样方法
【专利摘要】本发明涉及一种使用可变带通滤波器的采样系统及双相关采样方法，该方法包括以下步骤：在参考电压时间内利用高频模式把信号箝位到0V，一个PLD用于产生在读出期间的控制和同步信号；在控制和同步信号的电压到来之前把滤波器转换到低频模式，使等于ΔV的输入阶跃信号产生一个输出脉冲；在t=tmax时刻，滤波器的输出信号被采样、量化，随后下一个像素序列重新开始。本发明提出的基于可变带通滤波器的双相关采样方法，较之现存的相关双采样技术具有稳定性高、制作成本低、便于与A/D转换器连接等优点，是对抑制CCD的输出噪声进行的一次有益尝试，将对提高CCD输出信号的信噪比起到积极的促进作用。
【专利说明】使用可变带通滤波器的采样系统及双相关采样方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光电传感应用领域，具体涉及一种使用可变带通滤波器的采样系统及双相关采样方法。
【背景技术】
[0002]高质量的CCD成像器件通常被用在集成芯片的读出放大器上面，但是很容易受到读出放大器的埋沟道MOSFET所产生噪声的限制。MOSFET产生白噪声和低频噪声，这种低频噪声的频谱密度Ifx成正比，X依赖于偏置、工作温度以及所使用的结构方法，X的范围为I?2。⑶S信号采集系统是在CXD的输出信号中提取像素信息、抑制所附加的噪声。已经知道像素信息(从像素中收集的一定数量的电荷)通过参考电压和信号电压的差值AV反映在CXD的输出上。这种测量的方法就是⑶S，它能够清除由于复位过程所产生的KTC噪声。
【发明内容】
[0003]本发明要解决的问题是现有的双相关采样技术稳定性差，制作成本高，不能做到高速采集与有效抑制噪声并举的问题，提供一种使用可变带通滤波器的采样系统及双相关采样方法。
[0004]为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下:
[0005]一种使用可变带通滤波器的双相关采样方法，包括以下步骤:
[0006]步骤1、在参考电压时间内，利用高频HF模式把信号箝位到0V，一个PLD用于产生在读出期间的控制和同步信号；
[0007]步骤2、在控制和同步信号的电压到来之前把滤波器转换到低频LF模式，使等于AV的输入阶跃信号产生一个输出脉冲；
[0008]步骤3、在t=tmax时刻，滤波器的输出信号被采样、量化，随后下一个像素序列重新开始。
[0009]上述技术方案中，步骤3中在采样时，像素的读出从CCD输出极电容的复位开始。
[0010]上述技术方案中，步骤2中的AV的测量的方法是:
[0011]当参考电压信号被输入到滤波器时，控制带通滤波器工作在高频模式，在参考电压结束前，滤波器的输出电压将被置成0V，并且参考电压的值通过电容C1存储。
[0012]一种使用可变带通滤波器的采样系统，依次包括:前置放大器、可变带通滤波器、A/D转换器、FET三极管；
[0013]通过控制门电压Vgs、FET三极管的偏压，可调的等效电阻Rl、R2，可改变所述可变带通滤波器的频率响应。
[0014]本发明具有以下的有益效果:
[0015]本发明针对传统抑制噪声技术的局限性，提出了基于可变带通滤波器的采样系统及双相关采样方法，这种双相关采样方法较之现存的相关双采样技术具有稳定性高、制作成本低、便于与A/d转换器连接等优点。这是对抑制CCD的输出噪声进行的一次有益尝试，将对提高CCD输出信号的信噪比起到积极的促进作用。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步详细说明
[0017]图1为复位过程和采样时刻分析示意图。
[0018]图2为CXD浮置栅输出结构和基于带通滤波器的信号采集系统示意图。
[0019]图3为像素的读出时序示意图。
【具体实施方式】
[0020]本发明的发明思想为:
[0021]高质量的CCD成像器件通常被用在集成芯片的读出放大器上面，但是很容易受到读出放大器的埋沟道MOSFET所产生噪声的限制。
[0022]MOSFET产生白噪声和低频噪声，这种低频噪声的频谱密度Ifx成正比，x依赖于偏置、工作温度以及所使用的结构方法，X的范围为I?2。⑶S信号采集系统是在CXD的输出信号中提取像素信息、抑制所附加的噪声。已经知道像素信息(从像素中收集的一定数量的电荷)通过参考电压和信号电压的差值AV反映在CCD的输出上。这种测量的方法就是CDS,它能够清除由于复位过程所产生的KTC噪声。有关灵敏度的最佳解决方法依赖于CCD输出信号的噪声谱密度和采集系统传递函数之间的匹配程度，这里提出的采样系统及双相关米样方法适用于低噪声的场合。
[0023]使用可变带通滤波器的采样系统的组成:采样系统由前置放大器、具有中心频率可变的带通滤波器、A/D转换器、FET三极管等组成，通过控制门电压Vgs、三极管的偏压，可调的等效电阻Rl、R2，就可以改变滤波器的频率响应。在两种极端的情况下，FET或者深度饱和或者绝缘，带通滤波器的中心频率分别被置成最大高频HF或者最小低频LF。
[0024]使用可变带通滤波器的双相关采样方法，其基本步骤由以下实现:
[0025]在参考电压时间内首先利用高频HF模式把信号箝位到0V，一个PLD用于产生在读出期间的控制和同步信号，在信号电压到来之前把滤波器转换到低频LF模式，使等于AV的输入阶跃信号产生一个输出脉冲，它的峰值出现在tmax时刻，振幅等于ΚΛν，Κ相对带通滤波器的增益来说是一个常量。在t=tmax时刻，滤波器的输出信号被采样、量化，随后下一个像素序列重新开始。
[0026]本发明的双相关采样方法是基于可变的带通滤波器的运用，带通滤波器的中心频率能从高频HF (High Frequency)模式转换到低频LF (Low Frequency)模式,频率的改变是通过改变电阻值来实现的，时间常数就得到了改变。高频HF和低频LF模式可以允许提取具有较低等价噪声带宽的有用信号值AV。
[0027]下面结合附图对本发明做以详细说明。
[0028]相关双采样时刻分析如图1所示。在t5时刻进行第一次采样，得到的是没有信号只有复位噪声的电压，在t6时刻进行第二次采样，得到的是信号电压和复位噪声电压的叠力口。然后将两次采样得到的电压在电路中进行相减处理，就可以将复位噪声抵消。抵消程度则要取决于两次采样所得到的复位噪声的相关程度。即取决于两次采样之间的时间间隔。在前后两次取样时间相关性很强的情况下，将两次采样值相减，就基本抑制了输出信号中的复位噪声，即两次采样之差为信号电荷对应的有用视频信号电压的真实成分。由于双相关采样法电路比较简单，比较容易实现，因此在科学试验降噪中经常使用，但是通过实验发现，双相关采样法在用模拟电路处理CCD复位噪声时有这样的三个主要不足，其一是在采样和滤波时用到的运算放大器都会引入噪声，CCD的输出信号是微弱的电压信号，一般在几百毫伏，所以这些器件引入的噪声对CCD信号产生的干扰不可忽略。其二是模拟信号的采样时间很难控制，用到的电阻和电容的数值很难精确，从而RC时间常数很难精确，影响采样效果。其三是不能做到高速采集与有效抑制噪声并举。
[0029]高质量的CCD成像器件通常被用在集成芯片的读出放大器上面，但是很容易受到读出放大器的埋沟道MOSFET所产生噪声的限制。
[0030]MOSFET产生白噪声和低频噪声，这种低频噪声的频谱密度Ifx成正比，x依赖于偏置、工作温度以及所使用的结构方法，X的范围为I~2。⑶S信号采集系统是在CXD的输出信号中提取像素信息、抑制所附加的噪声。已经知道像素信息(从像素中收集的一定数量的电荷)通过参考电压和信号电压的差值AV反映在CCD的输出上。这种测量的方法就是CDS,它能够清除由于复位过程所产生的KTC噪声。有关灵敏度的最佳解决方法依赖于CCD输出信号的噪声谱密度和采集系统传递函数之间的匹配程度，本发明提出的双相关方法适用于低噪声的场合。
[0031]使用可变带通滤波器的采样系统如图2所示，使用可变带通滤波器双相关采样法相关的时钟波形如图3所示。
[0032]采样系统由前置放大器、具有中心频率可变的带通滤波器、A/D转换器、FET三极管等组成，通过控制门电压Vgs、三极管的偏压，可调的等效电阻Rl、R2，就可以改变滤波器的频率响应。在两种极端的情况下，FET或者深度饱和或者绝缘，带通滤波器的中心频率分别被置成最大高频HF或者最小低频LF。
[0033]双相关采样方法是基于可变的带通滤波器的运用，带通滤波器的中心频率能从高频HF (High Frequency)模式转换到低频LF (Low Frequency)模式,频率的改变是通过改变电阻值来实现的，时间常数就得到了改变。高频HF和低频LF模式可以允许提取具有较低等价噪声带宽的有用信号值△￥，基本方法是:在参考电压时间内首先利用高频HF模式把信号箝位到0V，一个PLD用于产生在读出期间的控制和同步信号，在信号电压到来之前把滤波器转换到低频LF模式，使等于AV的输入阶跃信号产生一个输出脉冲，它的峰值出现在tmax时刻(参见图3)，振幅等于ΚΛν，K相对带通滤波器的增益来说是一个常量。在t=tmax时刻，滤波器的输出信号被采样、量化，随后下一个像素序列重新开始，在图3中给出了一个像素的典型信号响应示意图。
[0034]如前所述，在像素读出时期内的CCD输出信号经历了三个阶段从而导致三种不同的电压值，这些电压值的持续时间在图中给出。像素的读出是从CCD输出极电容的复位开始，以此来除去前一个像素的电荷。然后复位三极管变成0FF，这样就会导致输出电压下降，这是由于在时钟输入和CCD输出极之间寄生电容耦合造成的。
[0035]输出信号相应于参考电压来说必须通过采集系统来记录，这是由于随后电压的下降AV是跟随转移时L变 化的。电荷的下降与像素中电荷的数量成比例。测量的AV方法是当参考电压信号被输入到滤波器时控制带通滤波器工作在高频HF模式，由于这种模式的中心频率比较高，在参考电压结束前，滤波器的输出电压将被置成0V，并且参考电压的值通过电容C1存储。在此需要强调的是，在高频HF模式中带通滤波器的时间常数与参考电压所持续的时间相比要小，在这里允许把参考电压看做是恒值信号。因此，滤波器的输出很快变成0V，并且只要输出不变化就保持这个值。在参考电压的结束阶段，通过增加时间常R1C1和R2C2,滤波器变成低频模式，这是通过降低FET三极管的门电压，即增加沟道电阻来完成的，滤波器现在是用如下这样的办法来实现的:等于AV的阶跃输入产生一个脉冲，脉冲的峰值出现在T3+tmax处。此时，滤波器的输出信号被采样和量化，而且得到的值与AV成正比。
[0036]显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
【权利要求】
1.一种使用可变带通滤波器的双相关采样方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1、在参考电压时间内，利用高频HF模式把信号箝位到0V，一个PLD用于产生在读出期间的控制和同步信号； 步骤2、在控制和同步信号的电压到来之前把滤波器转换到低频LF模式，使等于AV的输入阶跃信号产生一个输出脉冲； 步骤3、在t=tmax时刻，滤波器的输出信号被采样、量化，随后下一个像素序列重新开始。
2.根据权利要求1所述的双相关采样方法，其特征在于，步骤3中在采样时，像素的读出从CCD输出极电容的复位开始。
3.根据权利要求1所述的双相关采样方法，其特征在于，步骤2中的AV的测量的方法是: 当参考电压信号被输入到滤波器时，控制带通滤波器工作在高频模式，在参考电压结束前，滤波器的输出电压将被置成0V，并且参考电压的值通过电容C1存储。
4.一种使用可变带通滤波器的采样系统，其特征在于，依次包括:前置放大器、可变带通滤波器、A/D转换器、FET三极管； 通过控制门电压Vgs、FET三极管的偏压，可调的等效电阻Rl、R2，可改变所述可变带通滤波器的频率响应。
【文档编号】H04N5/335GK103795939SQ201410029585
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年1月22日 优先权日:2014年1月22日
【发明者】任航 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所