CHƯƠNG II : THIẾT KẾ CAMERA CCD
2.2. Cấu trúc camera CCD [10]
2.2.4 Tương quan lấy mẫu kép (CDS)
Hình 2.11. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu với tương quan lấy mẫu kép
Như đã trình bày trên đây, nhiễu là yếu tố giới hạn cho độ phân giải trong một hệ thống CCD, nơi tiếng ồn kT/C chiếm ưu thế. Để giảm nhiễu này hệ thống hình ảnh sử dụng một mạch được gọi là một "tương quan lấy mẫu kép" (CDS). Tên gọi xuất phát từ kỹ thuật lấy mẫu gấp đôi của tín hiệu phí CCD. Mẫu đầu tiên (S1) được lấy vào cuối giai đoạn thiết lập lại. Khi công tắc thiết lập lại mở lại thay đổi băng thông nhiễu hiệu quả vì sự khác biệt lớn trong RON và ROFF của công tắc. Điều này làm nhiễu KT/C chủ yếu bị "đóng băng" trong thời điểm cuối cùng của nó. Các mẫu khác (S2) được thực hiện trong phần video của tín hiệu. Lý tưởng nhất, hai mẫu chỉ khác nhau bởi một điện áp tương ứng với các tín hiệu phụ trách chuyển giao. Đây là mức video trừ nhiễu ( V). Các chức năng CDS sẽ loại bỏ nhiễu KT/C cũng như phần lớn 1/f và nhiễu trắng.
Hình 2.12. Sơ đồ khối mạch CDS
Trên đây là một sơ đồ khối của một mạch CDS. Hai mẫu và giữ khuyếch đại và một sự khác biệt bộ khuếch đại tạo nên những mẫu đôi tương quan. Các tín hiệu đến từ các CCD được áp dụng cho hai mẫu và giữ, với kết quả đầu ra của họ kết nối với bộ khuếch đại khác biệt. Biểu đồ thời gian sẽ làm rõ các hoạt động. Vào thời điểm t1, giữ mẫu & (S/H1) đi vào chế độ giữ, lấy mẫu về mức độ thiết lập lại bao gồm cả nhiễu. Điện áp này (VRESET) được áp dụng cho các phi nghịch đảo đầu vào của bộ khuếch đại khác biệt. Vào thời điểm t2, mẫu và giữ (S/H2) sẽ lấy mẫu của các cấp video, đó là VRESET –VVIDEO. Điện áp đầu ra của bộ khuếch đại sự khác biệt được xác định bởi phương trình VOUT = VIN+ - VIN-. Các mẫu của điện áp reset chứa nhiễu kT/C được loại bỏ bằng các phép trừ của các bộ khuếch đại khác biệt. Các kỹ thuật lấy mẫu đôi cũng làm giảm nhiễu trắng. Nhiễu trắng là một phần của điện áp đặt lại (VRESET) cũng như các biên độ video (VRESET – VVIDEO). Với giả định rằng nhiễu của mẫu thứ hai không thay đổi ngay từ giây của mẫu đầu tiên, biên độ nhiễu là giống nhau và có tương quan trong thời gian. Do đó nhiễu có thể giảm chức năng CDS.
Hình 2.13. Mạch triển khai tương quan lấy mẫu kép (a)
Đây là một mạch triển khai lấy mẫu kép tương quan CDS. Nó sử dụng hai mẫu SHC605 và giữ IC, hiện tại thông tin phản hồi op amp OPA658. Các SHC605 có một đầu vào khác biệt và có thể được kết nối đảo ngược hoặc không cấu hình đảo ngược. Trong thiết kế này cả hai mẫu và giữ được kết nối như bộ đệm gắn kết được, với 50 điện trở trong các phản hồi. S/H1 sẽ chụp một mẫu từ các mức thiết lập lại. Các mẫu khác và giữ, S/H2 lấy mẫu của tín hiệu video. Các tín hiệu đầu ra giữ đầu vào tích cực và tiêu cực của các bộ khuếch đại khác biệt A1. Chức năng của nó được mô tả bởi các phương trình VOUT = VIN+ - VIN-. Như đã trình bày trên đây, kết quả sẽ làm tín hiệu làm giảm bớt các thành phần nhiễu. Để phù hợp với tải đầu ra của hai mẫu và giữ, S/H2 chạy về điện trở 200 . Điều này phù hợp với tải S/H1 thấy một điện trở 402 vào nghịch đảo đầu vào của A1 khuếch đại. Để biết thêm chi tiết về sự khác biệt các bộ khuếch đại sử dụng một bộ khuếch đại phản hồi hiện tại và tối ưu hóa nó.
Hình 2.14. Mạch triển khai tương quan lấy mẫu kép (b)
Mạch này cho thấy một sự thay đổi nhẹ so với trước đó. Nó cũng sử dụng hai mẫu và giữ mạch (SHC605) để lấy hai mẫu cần thiết cho các chức năng lấy mẫu tương quan đôi. Một lần nữa, mẫu và bộ khuếch đại giữ S/H1 được đặt trong một cấu hình thống nhất. Để thực hiện chức năng trừ bây giờ, mẫu và bộ khuếch đại giữ S/H2 được sử dụng cho việc đảo ngược tín hiệu. Điều này được thực hiện bằng cấu hình nó đạt -1V/V. Bây giờ sự khác biệt các bộ khuếch đại có thể được thay thế bởi một bộ khuếch đại tổng hợp đơn giản A1. Một bộ khuếch đại phản hồi hiện tại giống như OPA658 là sự lựa chọn ưa thích cho chức năng này vì băng thông rộng của nó và sự độc lập của các băng thông đến các điện trở đầu vào .
Một kỹ thuật của đôi tương quan lấy mẫu là "giữ và lấy mẫu" như trong mạch này. Tụ C1 ngăn chặn mức DC cao từ khâu khuếch đại đầu tiên chỉ để lại biên độ tín hiệu. Như đã thảo luận, các preamplifier sẽ đạt được tín hiệu này. Tụ điện C2 và công tác kẹp là những yếu tố chính trong phạm vi chức năng CDS. Trong các thiết lập lại giai đoạn của CCD, công tắc kẹp được đóng lại, tiếp đất một mặt của tụ điện. Tại thời điểm đó, nhiễu sẽ tính phí ở các tụ điện. Trong giai đoạn tiếp theo chuyển đổi kẹp mở và phí tín hiệu được xử lý thông qua các bộ khuếch đại. Bằng cách đi qua C2 mức tín hiệu bị trừ đi số phí được lưu trước đó, do đó loại nhiễu. Những "nhiễu miễn phí" mức tín hiệu được lấy mẫu trong các mẫu sau và giữ giai đoạn. Giai đoạn này có thể được thực hiện bằng một khối IC S/H, như SHC605.
Hình 2.16. Mạch kẹp CDS
Để cải thiện hơn nữa tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm, bộ khuếch đại đầu tiên A1 đạt được những tín hiệu đầu vào của G = -402 /RIN. Điều này cũng có nhiễu, nhưng nó sẽ được gỡ bỏ từ các tín hiệu với các chức năng CDS. Trong thời gian thiết lập lại CCD kẹp xung được áp dụng cho chuyển S1, nền tảng tụ C1. Điện áp trên không có cơ sở bên tụ điện này giữ ở yên, để lại các mẫu nhiễu được lưu trữ trên các tụ điện. CCD thiết lập lại thời gian kết thúc và chuyển S1 sẽ mở ra. Bây giờ thông tin điểm ảnh mà cũng bị tạp nhiễu được chuyển giao. Tăng lên bởi bộ khuếch đại tín hiệu A1 đi qua các mạch kẹp tụ điện. Dưới đây là một phép trừ diễn ra loại bỏ các thành
phần nhiễu từ tín hiệu. Một lần nữa, điều này là do các tụ điện mang một khoản phí (điện áp) đại diện cho một mẫu của các nhiễu rms. Khi tín hiệu đi các tụ điện C1 nó được giảm bởi các mẫu nhiễu được lưu trữ trên các tụ điện. Điều này có hiệu quả loại bỏ nhiễu. Các trạng thái "mở" và "tắt" chuyển đổi thực hiện các đôi lấy mẫu tương quan. Các bộ đệm kẹp đảm bảo tách của nút nhạy. Các băng rộng FET op amp OPA655 được sử dụng ở đây, kể từ khi đầu vào FET đảm bảo một dòng điện phân cực rất thấp hiện nay (10pA, typ). Dòng điện phân cực gây ra trên bản thân tụ kẹp, mà có thể tạo ra một lỗi đáng kể tùy thuộc vào thời gian. Các đầu ra của bộ khuếch đại A2 sẽ được lấy mẫu bằng một mẫu và giữ IC. Nhược điểm của mạch này là thiết bị chuyển mạch điện tử đã qua sử dụng có thể đưa vào nhiễu KT/C nữa. Một chuyển đổi CD4066 tiêu chuẩn có thể được sử dụng cho các hệ thống tốc độ chậm, trong khi đó công tắc như DG611 từ Siliconix có thể được sử dụng cho các hệ thống tốc độ cao.
Hình 2.17. Mạch tích hợp độ dốc kép
Một ví dụ khác của một mạch CDS được gọi là tích hợp độ dốc kép được đặt tên theo các phương pháp được sử dụng để thực hiện nó. Một sơ đồ thiết kế cơ bản được hiển thị ở đây.
Trong thời gian thiết lập lại các mẫu đầu tiên được thực hiện với sự chuyển đổi (SW1) ở vị trí 1. Các mẫu được đảo ngược trước khi được lưu trữ trên các tụ điện của các nhà tích hợp.
Các mẫu thứ hai được thực hiện ngay sau khi phụ trách tín hiệu được chuyển giao từ đầu ra CCD. Bây giờ giai đoạn nghịch đảo được bỏ qua và các nhà tích hợp nhìn thấy những tín hiệu mà không có sự đảo ngược dấu.
Việc chuyển đổi đi vào vị trí 3, đó là vị trí HOLD. Bởi vì sự đảo ngược dấu hiệu của mẫu đầu tiên, khoản phí này sẽ được trừ vào phí tín hiệu của mẫu thứ hai. Bởi vì các mối tương quan của nó là phần của tín hiệu đó được loại bỏ là nhiễu. Các mẫu tín hiệu bây giờ đã có để chế biến tiếp.
Trước khi các thủ tục trên được lặp đi lặp lại, điện tích trên tụ điện tích hợp được tập trung bằng cách đóng công tắc (SW2) qua nó.
Phương pháp CDS này thường được sử dụng trong các hệ thống phát hiện ánh sáng yếu. Thời gian tích hợp có thể dao động từ ms đến vài giờ. CDS tích hợp được tìm thấy trong các ứng dụng thiên văn học, quang phổ, kính hiển vi và quang trắc. Những ứng dụng yêu cầu một phạm vi rộng và độ phân giải cao.