CHƯƠNG II : THIẾT KẾ CAMERA CCD
2.2. Cấu trúc camera CCD [10]
2.2.2 Hạn chế hiệu năng hệ thống
Giới hạn dưới của dải động trong một hệ thống hình ảnh được thiết lập bởi tầng nhiễu. Các kỹ thuật khác nhau có sẵn để tối ưu hóa phạm vi hoạt động và tối ưu hóa cho phạm vi đầu vào của bộ chuyển đổi A/D, nhưng một sự hiểu biết thấu đáo về các nguồn nhiễu là rất quan trọng. Các nguồn nhiễu chính, bên cạnh kỹ thuật số feedthrough, cái gọi là nhiễu KT/C của chuyển đổi thiết lập lại FET gây ra bởi điện trở của nó. Các MOSFET cũng góp nhiễu là tạp nhiễu nhấp nháy (1/f) và một số nhiễu trắng (nhiệt). Ngoài ra mỗi điện trở là một nguồn của nhiệt/nhiễu trắng. Hạn chế khác được thiết lập bởi các nhiễu lượng tử hóa của bộ chuyển đổi A/D. Nhiễu lượng tử hóa rms được thể hiện bằng phương trình q/ 12, với q là kích thước bit hoặc trọng lượng LSB của bộ chuyển đổi. Chẳng hạn như bộ chuyển đổi 10 bit với vùng đầu vào hết cỡ của 2V có kích thước bit của 2.0V/1024 = 1.953mV. Do đó, nhiễu lượng tử hóa là 564µVrms. Giả sử một tụ điện có ý nghĩa 0.1pF giới hạn phát hiện sẽ là vào khoảng 350 electron do nhiễu lượng tử. Một cách rõ ràng để giảm bớt hạn chế này là sử dụng một chuyển đổi A/D với độ phân giải cao hơn ví dụ 12 bit.
Hình 2.5. Nhiễu giai đoạn đầu ra
Nhìn một lần nữa trong giai đoạn đầu ra của CCD, chúng ta có thể xác định các nguồn nhiễu khác nhau đã thảo luận trước đó.
• Nhiễu Reset : Nhiễu nhiệt của các kháng kênh (RON) của switch FET (SW). Nhiễu này thường được gọi là nhiễu KT/C. Với một giá trị tiêu biểu của 100-300 electron (rms), đây là giới hạn chi phối để phát hiện các tín hiệu nhỏ.
• Tạp nhiễu nhấp nháy : Ngoài nhiễu 1/f. Bắt nguồn từ các MOSFET và liên quan đến sự nhiễm bẩn và khuyết điểm của tinh thể trong chất bán dẫn. Do đó độ lớn của nó được xử lý phụ thuộc.
• Nhiễu trắng còn được gọi là nhiễu điện trở: Nó phụ thuộc nhiệt độ và bằng ). Nhiễu trắng có nhiều nguồn gốc. Ví dụ nhiễu của điện trở tải (RL).
Hình 2.6. Thiết lập lại nhiễu
Các thành phần chính của thiết lập lại nhiễu đến từ các tụ CS và chuyển đổi (SW), đại diện cho trở kháng trên , RON. Tụ điện thường được coi như là các thiết bị không nhiễu. Trong trường hợp hệ thống lấy mẫu, tuy nhiên chúng thể hiện một nhiễu lý thuyết vì các tụ điện thiết lập lại định kỳ. Điện trở hữu hạn của công tắc có liên quan đến nhiễu nhiệt. Nhiễu này được chuyển sang cho các tụ điện khi công tắc mở. Nếu các điện trở RON được làm nhỏ hơn, nhiễu của nó sẽ giảm, nhưng băng thông RC sẽ tăng cùng một lúc. Nhiễu có thể được tính như sau:
Nhiễu nhiệt của một điện trở được cho bởi: en = (Vrms). Trong đó :
k = hằng số Boltzmann = 1,38054 E -23
T = nhiệt độ tuyệt đối trong Kelvin, (298oK=+25oC) R = Điện trở của switch (Ω)
B = Băng thông nhiễu (Hz)
Kể từ khi mô hình CCD có một phản ứng đơn cực, B là -3dB lần băng thông π/2, sẽ được gọi là NBW chỉ băng thông nhiễu cho một phản ứng cực duy nhất. Vì thế:
NBW = 1/(2πRC) • π /2 = 1/(4RC)
Sử dụng một ví dụ liên quan đến CCD: CS = 0.1pF, RON = 2kΩ Băng thông nhiễu sẽ là: NBW = 1.25GHz
Nhiễu reset là: Enr = 0.203mVrms
Tính ra thấp nhất, một điện tử (e- = 1,6 E-19A-sec), nhiễu thiết lập lại liên quan đến 126e- phí. Với biên độ tín hiệu video tối đa khoảng 0.3V (187500e-), tỷ lệ tín hiệu nhiễu sẽ là 1500 hoặc 63dB. Phạm vi giao động là khoảng 11,5 bit. Nhiễu trắng hoặc nhiễu nhiệt hiện diện trong bất kỳ điện trở hoặc dây dẫn. Nhiễu điện áp rms tỷ lệ thuận với căn bậc hai của nhiệt độ T , băng thông B và sức đề kháng R được cho bởi phương trình enw = . Các kháng đầu ra điển hình của CCD, trong đó bao gồm các điện trở tải bên ngoài, là trong phạm vi 200Ω đến 20kΩ. Các trở kháng đầu ra của giai đoạn đầu ra CCD (RO) được hình thành bởi các điện trở tải (RL) và điện trở kênh của MOSFET đầu ra.