AD9801：電子相機(jī)的高性能CCD信號處理器

在電子相機(jī)的設(shè)計領(lǐng)域，一款優(yōu)秀的CCD信號處理器對于提升相機(jī)性能起到至關(guān)重要的作用。今天，我們就來深入了解一下AD9801這款專為電子相機(jī)開發(fā)的完整CCD信號處理器。

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一、產(chǎn)品概述

AD9801是一款為電子相機(jī)量身打造的CCD信號處理器，非常適合視頻會議和消費級靜態(tài)相機(jī)應(yīng)用。它的信號處理鏈由高速相關(guān)雙采樣器（CDS）、可變增益可編程增益放大器（PGA）和10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）組成，同時還提供了所需的鉗位電路和板載電壓基準(zhǔn)。該器件采用單+3V電源供電，典型功耗僅為185mW，采用節(jié)省空間的48引腳薄型四方扁平封裝（TQFP），工作溫度范圍為0°C至+70°C。

產(chǎn)品特性

1. 高性能A/D轉(zhuǎn)換：具備10位、18 MSPS的A/D轉(zhuǎn)換器，能夠以18 MSPS的全速度進(jìn)行相關(guān)雙采樣（CDS），保證了高速、高精度的信號轉(zhuǎn)換。
2. 低噪聲與寬頻帶：擁有低噪聲、寬頻帶的PGA，增益范圍從0 dB到31.5 dB（dB線性），可靈活調(diào)整信號增益。
3. 內(nèi)部電壓基準(zhǔn)：內(nèi)部集成電壓基準(zhǔn)，保證了信號處理的穩(wěn)定性。
4. 無漏碼保證：確保在轉(zhuǎn)換過程中不會出現(xiàn)漏碼情況，提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
5. 低功耗設(shè)計：采用低功耗CMOS技術(shù)，典型功耗僅185 mW，還有15 mW的掉電模式，適合電池供電的低功耗應(yīng)用。
6. 小封裝優(yōu)勢：48引腳TQFP封裝，適合緊湊、低空間的設(shè)計需求。

二、功能模塊與工作原理

1. 相關(guān)雙采樣（CDS）

CDS是高性能CCD系統(tǒng)中去除多種噪聲的重要方法。AD9801通過采集CCD輸出的兩個樣本（有信號的“數(shù)據(jù)”樣本和無信號的“參考”樣本），相減后去除兩者共有的噪聲。它采用兩個CDS電路以“乒乓”方式工作，為系統(tǒng)提供更多的采集時間，降低了后續(xù)增益級的帶寬要求，從而降低了功耗和噪聲。

2. 可編程增益放大器（PGA）

片上PGA提供0 dB - 31.5 dB（dB線性）的增益范圍，通過PGACONT1和PGACONT2輸入進(jìn)行控制，其中PGACONT1提供粗調(diào)，PGACONT2提供細(xì)調(diào)（1/16）。實際使用中，僅0.3 V至2.7 V的范圍用于控制。

3. 黑電平鉗位

為了正確處理信號，AD9801需要將CCD信號參考到一個確定的“黑電平”。在CCD邊緣的“黑像素”提供校準(zhǔn)信號，通過反饋回路在校準(zhǔn)期間（CLPOB = LOW）圍繞PGA閉合，設(shè)置黑電平，使黑像素在ADC范圍的一端數(shù)字化，充分利用系統(tǒng)的線性范圍。

4. 輸入偏置電平鉗位

緩沖后的CCD輸出通過外部耦合電容連接到AD9801。在鉗位（CLPDM = LOW）期間，使用“虛擬鉗位”回路在耦合電容上建立所需的直流偏置點。

5. 輸入消隱

在某些應(yīng)用中，AD9801的輸入可能會受到來自CCD的大信號影響，為避免芯片內(nèi)部電路飽和，AD9801提供輸入消隱功能。當(dāng)PBLK = LOW時，停止CDS操作，并允許用戶斷開CDS輸入與CCD緩沖器的連接。

6. 10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）

ADC采用多位流水線架構(gòu)，適合高吞吐量，且面積和功耗效率高。采用全差分實現(xiàn)，克服了單+3V電源的空間限制。

7. 差分參考

AD9801包含一個基于差分、連續(xù)時間帶隙單元的0.5V參考。使用外部旁路電容可降低參考驅(qū)動要求，從而降低功耗。差分架構(gòu)能夠有效抑制電源和襯底噪聲。

8. 內(nèi)部時序

AD9801的片上時序電路生成CDS和ADC模塊操作所需的所有時鐘。用戶只需將SHP和SHD時鐘與CCD波形同步，其他時序由內(nèi)部處理。ADCCLK信號用于選通輸出數(shù)據(jù)，可根據(jù)需要調(diào)整時序。

三、技術(shù)規(guī)格

1. 溫度范圍

• 工作溫度：0°C至70°C
• 存儲溫度：-65°C至150°C

2. 電源電壓

• ACVDD、ADVDD、DVDD、DRVDD：3.00 V至3.50 V

3. 電源電流

• ACVDD：典型39.5 mA
• ADVDD：典型14.6 mA
• DVDD：典型4.7 mA
• DRVDD：典型0.07 mA

4. 其他參數(shù)

• 像素速率：最大18 MSPS
• PGA最大增益：31.5 dB
• 黑電平鉗位平均黑電平：典型32 LSB

四、應(yīng)用注意事項

1. 時鐘信號生成

為獲得最佳性能，AD9801應(yīng)使用3V邏輯電平驅(qū)動。ADCCLK使用5V邏輯會導(dǎo)致保護(hù)二極管導(dǎo)通，增加電流和噪聲。SHP和SHD時鐘輸入有額外保護(hù)，可承受5V電平?？墒褂猛獠裤Q位二極管、電阻分壓器或邏輯收發(fā)器芯片將5V電平轉(zhuǎn)換為3V電平。

2. 數(shù)字可編程增益控制

AD9801的PGA由0.3 V至2.7 V的模擬輸入電壓控制。在某些應(yīng)用中，可使用Analog Devices的AD8402數(shù)字電位器實現(xiàn)數(shù)字增益控制。但該電路的控制電壓依賴于電源，若需要更高精度，可使用外部運算放大器或精密電壓基準(zhǔn)。

3. 電源和接地建議

AD9801在系統(tǒng)中應(yīng)視為模擬組件，所有引腳應(yīng)使用相同的電源和接地平面。在雙接地系統(tǒng)中，數(shù)字電源引腳應(yīng)解耦到模擬接地平面，數(shù)字接地引腳應(yīng)連接到模擬地，以獲得最佳噪聲性能。若數(shù)字輸出需要驅(qū)動總線或大負(fù)載，應(yīng)在輸出端使用緩沖器。

五、評估板

AD9801評估板采用了公共接地和電源，并進(jìn)行了廣泛的電源和參考解耦。通過評估板，工程師可以更方便地測試和驗證AD9801的性能。

綜上所述，AD9801憑借其高性能、低功耗、小封裝等優(yōu)勢，為電子相機(jī)的設(shè)計提供了一個優(yōu)秀的解決方案。各位工程師在實際應(yīng)用中，不妨根據(jù)具體需求，合理運用AD9801的各項特性，打造出更出色的電子相機(jī)產(chǎn)品。你在使用類似的CCD信號處理器時，遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。