为成像应用选择模拟前端

每个成像系统都从图像传感器开始。来自传感器的信号必须在模拟域中处理，转换为数字域，并在数字域中进一步处理。这允许在存储、显示、传输和/或进一步处理之前对图像进行分析、操作和增强。成像应用通常涉及三个芯片：图像传感器、模拟前端（AFE）和数字ASIC。AFE 对从图像传感器接收到的模拟信号进行调理，并执行模数 （A/D） 转换。数字ASIC包含图像处理和时序生成电路。图1显示了典型成像系统的框图。数字图像处理ASIC之后的其他特定应用电路取决于成像系统是相机、扫描仪还是复印机。

图 1：典型成像应用框图

模拟前端。典型的AFE从输入箝位开始。图像传感器输出信号的共模电平范围为0 V至9 V以上，因此信号必须交流耦合到AFE。输入箝位将信号的直流电平恢复到AFE电源范围内的最佳点。

输入箝位之后有一个采样功能。设计用于电荷耦合器件 （CCD） 的 AFE 使用相关双采样器 （CDS）。CDS对每个像素进行两个采样，一个在重置级别，一个在视频级别，并在两者之间执行差分测量。CDS通过消除与CCD输出级相关的kT/C噪声和衰减低频漂移来提高信噪比（SNR）。商用红外（IR）成像应用中使用的接触式图像传感器（CIS）和焦平面阵列（FPA）通常输出单端接地参考信号，并且不需要差分测量。设计用于这些传感器的AFE使用采样保持放大器（SHA）代替CDS。粗黑电平偏移校正平台与CDS或SHA集成在一起。

可编程（或可变）增益放大器（PGA 或 VGA）跟随 CDS 来放大信号，并更好地利用 A/D 转换器 （ADC） 的整个动态范围。如果在PGA之前没有执行黑电平偏移校正，成像系统的动态范围将受到影响。高速ADC将调理的模拟镜像信号转换为数字域，允许数字ASIC进行额外处理。

AFE 通过标准串行端口进行编程，可轻松与大多数现成的微控制器或数字 ASIC 接口。PGA增益寄存器、失调校正寄存器和采样模式均通过该接口进行编程。为成像应用选择AFE取决于许多因素，包括：所使用的传感器类型、动态范围、分辨率、速度、噪声和功率要求。本文旨在为成像应用提供适当的AFE选择指南。

数字视频和静态相机应用

数字视频和静态相机是当今消费电子产品中增长最快的部分之一。相机制造商不断需要以更低的成本制造更高性能的相机，以保持竞争力。这种需求促使IC制造商提高电路集成度，以减小相机组件的尺寸和成本。

该过程的第一步是将所有模拟电路集成到单个芯片中。图2显示了数码相机的简化框图。尽管每种应用对采样率、噪声性能、功耗、图像分辨率和工作模式都有不同的要求，但AFE是建立和维护系统性能的关键环节。

图 2：数码相机的简化框图

极品飞车。在标准模拟视频应用中，VGA（640×480）分辨率很常见，因此使用300 kpixel CCD。使用每秒30帧（fps）的NTSC标准传输速率和隔行CCD阵列，AFE必须以近10 MHz的速率处理像素。对于高清应用，如数字电视 （DTV），使用逐行扫描。使用具有 300 k像素的逐行扫描 CCD，模拟前端需要以接近 20 MHz （300，000 × 30 × 2 = 18 MHz） 的速度运行。

安全和高速分析等应用需要更高的速度。以 36 MHz 运行的 AFE 可以处理 100 fps 的 360 k像素 CCD。多功能数码相机和摄像机（例如具有静态拍摄功能的摄像机和具有视频功能的数码相机）需要高分辨率CCD（30万像素或更大）才能将静态拍摄功能与高速视频功能相结合。具有静态拍摄功能并以标准 30 fps 运行的 <> 万像素摄像机将需要逐行扫描 CCD，以便在拍摄静态照片时一次传输全帧，以及能够以至少 <> MSPS 的速度运行的 AFE。

高分辨率。从历史上看，消费市场的摄录一体机和数码相机需要10位强度信号分辨率。图像处理技术的最新进展产生了对更高分辨率的需求，以允许额外的图像编辑和操作，并确保图像完整性的损失最小。除了面向相机市场的现有高速10位AFE之外，ADI公司最近还开发了AD9842和AD9844 12位AFE，以满足更高分辨率的要求。

噪声和非线性。AFE内产生的噪声必须最小化，因为它直接影响成像系统的动态范围。系统的动态范围是通过比较可处理的最大信号与最小可分辨信号来确定的。AFE噪声由来自模拟信号处理电路的宽带噪声和A/D转换器的量化噪声组成。

由于成像信号很少是纯正弦波，因此SNR和信噪比失真（SINAD）等经典转换器规格并不直接适用于成像系统。相反，可以根据宽带噪声以略有不同的方式定义SNR。AFE的宽带噪声可以通过使用“固定输入直方图”测试来测量。在理想系统中，固定输入应产生单个输出代码。系统中的噪声会产生一系列代码;根据它们的分布，可以统计计算出均方根噪声值。然后，可以将均方根宽带噪声与成像器噪声进行比较，并计算整个系统的SNR。

AFE的线性度对成像系统的性能也很重要。微分非线性（DNL）是相邻数字电平之间实际码宽和理想码宽（量子步长）之差。如果转换器具有较大的DNL误差，则可以将亮度的平滑变化转换为人眼可见的“步长”或线条。可接受的 DNL 性能通常为 0.5 个最低有效位 （LSB） 量级。积分非线性（INL）也很重要。INL中的突然过渡集中在少量代码周围，可能会导致明显的图像伪影。但如果INL的传递函数是平滑的，非线性将逐渐分散到转换器的整个范围内，中等误差将不太容易引起人眼的反感。然而，较大的“平滑”INL误差有时会导致数字图像处理错误，导致最终图像中出现色彩伪影。

自动黑电平偏移校正。理想情况下，当CCD没有光线照射时，CCD的复位电平和视频电平将是相同的。但是，固有的CCD暗电流会导致超过100 mV的黑电平失调。在对信号施加任何增益之前，必须校正此失调，以便利用ADC的最大动态范围。AFE包括一个自动黑电平校正环路，用于对黑电平进行采样，确定黑电平偏移，并在增益级之前对信号进行适当的失调校正。

对于面积CCD阵列，暗电流会因线而异，因此必须对阵列中的每一条线执行此过程。AFE会自动执行此操作，因此不需要存储整个区域的校准系数。CCD阵列在每行的开头提供光学黑像素，以允许自动黑电平校正循环逐行确定所需的校正。

像素速率增益调整。CCD中的像素本身无法区分颜色。为了将入射光分成一系列颜色，滤色片以马赛克图案单独放置在CCD阵列的每个像素上。具体的图案和颜色的选择取决于制造商。

CCD阵列通常以串行方式从单个通道输出数据。颜色信息从CCD出来的顺序取决于滤光片图案和扫描技术。例如，使用拜耳滤光片的逐行扫描CCD将按以下顺序输出数据：

对此数组中每种颜色的响应度将不同。例如，对于白光，绿色像素可能比红色或蓝色像素强得多。为了使每个像素能够利用ADC的整个动态范围，在ADC之前需要一个可变增益放大器（VGA）。此VGA必须能够以像素速率将增益设置切换到每种颜色的适当值。如果VGA无法以像素速率改变增益，则必须固定增益，以便“最强”的颜色利用ADC的整个动态范围。在此增益设置下，相对于“较强”的颜色，“较弱”颜色的动态范围和SNR较小。

ADI公司通过开发像素速率增益放大器（PxGA唰唰��).AD9841和AD9842分别是10位和12位20 MHz AFE，采用PxGA技术，以像素速率将增益系数分别切换到VGA。以采用拜耳滤波器的逐行扫描CCD为例，每个R、G和B像素将应用自己的增益系数，从而允许每种颜色利用ADC的整个动态范围，从而最大限度地提高SNR。此外，模拟域中任何非线性的影响都会降低，因为所有颜色都以相似的振幅进行处理。

图 3：带 PxGA 的信号路径唰唰��

图3是PxGA与具有4色滤波的CCD阵列一起使用的示例。

AD984x系列模拟前端

AD984x系列是一组高速、低功耗CMOS模拟前端，适用于采用面阵CCD阵列的成像应用。它们在高达 36 MHz 的速度下具有业界领先的低噪声、非线性和功耗特性。AD984x系列非常适合低压、高速、便携式成像应用，如数码相机和数码摄像机，以及使用隔行扫描或逐行扫描面阵CCD阵列（包括机器视觉、安全摄像头、科学光谱、视频会议和数字复印机）的任何其他成像系统。

信号链由输入箝位、相关双采样器（CDS）、像素速率增益放大器（PxGA—AD9841和AD9842）、数控可变增益放大器（VGA）、自动或可编程黑电平失调校准以及模数转换器组成。图4显示了AD9841/9842产品的框图，其中包含一个PxGA。AD9845A是一款采用PxGA技术的12位、30 MSPS AFE，计划于2000年<>月发布。

图4：AD9841/9842的原理框图

10位AD9840、AD9841和AD9843具有极低噪声（~0.2 LSB rms输出噪声，74 dB SNR），工作速度高达36 MHz，非常适合逐行扫描CCD和高帧率视频应用。12位AD9842和AD9844具有77 dB SNR，非常适合高端、高分辨率应用。对于电池供电应用，AD9840具有最低的功耗，75 MHz时为20 mW，140 MHz时为36 mW。虽然AD984x AFE是单通道产品，但其数字输出总线具有三态输出，因此多通道高速应用中可以使用多个AFE。表 1 列出了关键规格。

辅助模式 AD984x系列AFE提供2个辅助输入，适用于需要标准CCD输入以外的其他功能的应用。AUX1 对交流耦合连续波形进行采样、偏置、放大（0 至 36 dB 可变增益），并将交流耦合连续波形转换为数字波形，用于成像系统诊断等应用。AUX2 对模拟视频类型波形（如 NTSC 或 PAL 信号）进行采样，提供黑电平钳位、0 至 18 dB 可变增益和 A/D 转换。

表1：AD984X系列模拟前端的关键规格
（全部包括PGA数字控制和2个辅助视频输入）

泛型类型	分辨率（位）	最大 Fs （ MSPS）	DNL 典型值 （LSB）	信噪比典型值 （dB）1	功率 （毫瓦）	输入范围 （Vp-p）	PGA 增益 范围 （dB）	PxGA唰唰��	黑色 电平调整 （LSB）
AD9840	10	36	±0.5	74	140	1.0	0 - 34	不	0 - 64
AD9841	10	20	±0.4	74	75	1.0	0 - 34	是的	0 - 64
AD9843	10	20	±0.4	74	75	1.0	0 - 34	不	0 - 64
AD9842	12	20	±0.5	77	75	1.0	0 - 34	是的	0 - 255
AD9844	12	20	±0.5	77	75	1.0	0 - 34	不	0 - 255
AD9845	12	30	±0.5	77	140	1.0	0 - 34	是的	0 - 255

扫描、彩色复印和超高端成像应用

有许多具有AFE需求的成像应用虽然相似，但与相机市场不同。扫描仪、彩色复印机、传真机、条形码阅读器和专业成像应用（如图形艺术扫描仪和科学成像系统）都有自己的一套要求。主要区别在于所使用的图像传感器和连接到AFE后端的接口。每个系统的模拟前端可能具有不同的输入要求、偏移校正技术、动态范围要求和速度要求，并且最好使用不同类型的AFE，而不是数码相机和摄像机市场使用的AFE。

多渠道要求。在面积CCD阵列中，通过在每个像素上放置滤光片来创建彩色图像，像素值从单个通道串行馈出。在线性CCD阵列或CIS模块中，三个线性阵列用于创建彩色图像;每种颜色（R、G 或 B）使用一行。这三个阵列的输出从三个输出通道同时传输。彩色扫描应用，如文档扫描仪、多功能外围设备 （MFP） 和数字彩色复印机，都使用这种类型的成像仪。这些类型应用的理想AFE将具有三个同时运行的采样通道。

线性CCD阵列的黑电平偏移校正。与使用面积CCD阵列的相机应用不同，与线性CCD阵列接口的AFE不需要自动黑电平校正环路。由于只有一条高达几千像素的线，因此可以在每次扫描开始时执行单个黑线校准以确定一次黑电平偏移。然后，可以将黑电平偏移校正因子编程到AFE中，作为DAC的输入字，DAC将粗黑电平偏移校正应用于整个扫描的每个像素。该电路比相机AFE中使用的自动黑电平校准环路更容易实现。

高端扫描。专业扫描应用使用当今最好的CCD。图形艺术扫描仪和胶片扫描仪也可以使用冷却机制来控制CCD的温度，从而最大限度地提高SNR。积分时间将尽可能长，以最大化CCD输出信号的动态范围并提高SNR。这些应用中通常提供高达4 V的CCD信号，可以实现真正的13位或14位性能。在任何成像系统中，AFE都不应成为性能的限制因素，因此对于这些高端应用，真正的14位AFE是必要的。AD9814提供真正的14位无失码解决方案，在0位电平（55 dB SNR）和14 V输入范围内具有89.4 LSB rms噪声。

中低距离扫描。低端扫描仪已经从几年前的30位彩色系统（10位/通道）发展到36位甚至42位彩色（12位和14位/通道）。虽然这些低端扫描仪中的CCD无法达到高端扫描仪的14位性能，但数字后处理算法仍然需要ADC提供14位分辨率。AD9822是AD9814的低成本版本，非常适合这些应用;它在 1 位电平 （5dB SNR） 下提供 14.80 LSB rms 噪声性能。

速度要求。独立扫描仪的扫描速度历来受到主机接口的限制，无论是 EPP、USB 还是 SCSI。由于扫描仪每秒最多只能向主机传输几兆字节，因此图像传感器和AFE只需要以每秒几百万像素或更低的速度运行。大多数用于扫描仪应用的AFE提供6 MHz的采样率，相当于2 MHz/色。在数字复印机中，不需要主机接口。扫描的最大采样率将受到数字图像处理和打印引擎速度的限制，这两者目前都可以比主机接口运行得更快。展望未来，IEEE-1394（Firewire，ILink）开始获得市场认可，USB 2.0规范正在形成。主机接口可能以高达 800 MHz 的频率运行，不再是现在的瓶颈。

要更仔细地了解 AFE 的速度要求，请考虑典型的复印规范。对于标准复印，每英寸 300 点 （dpi） 扫描就足够了。对于信纸大小的文档，300 dpi 的彩色扫描会产生大约 30 万像素。考虑到一些处理开销，以 6 MHz（2 MHz/颜色）的采样率扫描大约需要 6 秒，而页面速率为 10 页/分钟 （ppm）。要达到 20 ppm，需要 12 MHz 的采样率，是目前大多数扫描仪 AFE 采样率的两倍。

多功能外设 （MFP） 将扫描仪/传真/复印机功能集成到单个单元中，通常需要比平板文档扫描仪更高速的 AFE，但它仍然需要作为高质量扫描仪（600 dpi 或更高）运行。对于这种情况，信纸大小的文档所需的分辨率约为 120.6 亿个彩色像素。对于此分辨率，2 MHz AFE 只能产生约 5.12 ppm，而 5 MHz AFE 可将吞吐量增加到约 8 ppm。市场上许多较新的多功能数码复合机可以在彩色复印模式下支持 10-600 ppm，分辨率为 20 dpi;这需要大约 22 至 14 MHz 的 AFE 采样率。AD15在10 MSPS时具有30位性能，在高达9822 MSPS时具有5位性能，非常适合这些应用。图9814显示了AD9822/<>的框图。

图5：AD9814/9822的原理框图

14位AD9814和AD9822的工作电压为6和30 MSPS，是ADI公司三通道AFE系列的高端产品，具有10至14位分辨率和6 MSPS至30 MSPS的采样速率。

AD9814提供真正的14位性能和高动态范围，适用于高端成像应用，如胶片扫描仪和图形艺术扫描仪。AD9822的工作速率高达30 MSPS，具有10位性能，适用于高速扫描应用。它非常适合使用三线彩色CCD或CIS模块的成像应用。在 15 MSPS 时，它提供高速 14 位无失码性能，适用于中低端文档扫描仪、数字彩色复印机和多功能数码复合机

2001年，拥有48位彩色扫描的扫描仪将上架;它们需要 16 位 AFE。为了满足这一需求，将于9826年2000月发布的AD16是一款15位、30 MSPS AFE，工作速度高达10 MSPS，具有<>位性能。

下表所示的3通道AFE系列（表2）具有图形艺术扫描仪和光谱系统所需的低噪声和高动态范围。它具有在数字彩色复印机和多功能数码复合机中工作所需的速度。它还具有可编程的单通道模式，可用于机器视觉系统、条形码阅读器和红外 （IR） 成像系统。这些产品的输入电压范围高达4 V p-p，非常适合许多文档和透明扫描应用

表 2：3 通道模拟前端系列的关键规格。

泛型类型	分辨率（位）	最大 Fs （ MSPS）	DNL 典型值 （LSB）	INL 典型值 （LSB）	折合到输入端 的 噪声	功率 （毫瓦）	输入 范围 （Vp-p）	PGA 增益 范围 （V/V）	偏移 校正 范围 （mv）	数字 阴影 和偏移 校正
AD9805	10	6	±0.25	±0.75	0.1	450	2/4	4	-80/+20	是的
AD9807	12	6	±0.4	±1.5	0.3	450	2/4	4	-80/+20	是的
AD9816	12	6	±0.4	±1.5	0.5	420	1.5/3	6	±100	不
AD9814	14	10	±0.5	±4.0	0.55	350	2/4	6	±300	不
AD9822	14	15	±0.65	-10/+2	1.5	380	2	6	±350	不
AD9826	16	15	±0.75	±16	3	380	2/4	6	±300	不

审核编辑：郭婷