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电路设计->综合电路图->综合电路图->多CCD图像传感器同步电路

多CCD图像传感器同步电路

作者:dolphin时间:2011-05-11

一、多CCD图像同步获取系统
  CCD(ChargeCoupledDevice)图象传感器具有较高的空间分辨率,较高的光电灵敏度和较大的动态范围,在辐射成象,特别是医学成象领域已形成研究与开发的热点。在一些特定的应用场合,如采用多个CCD来传感同一幅闪光图象,需要将各个CCD同步起来,以保证各个CCD 产生的视频信号的一致性,从而提供了多个CCD的图象信号进行拼接的可能性。本文主要介绍多CCD图像传感器同步电路的两种实现方案。
  电路的设计思想是以一个CCD的视频输出信号为基准源,作为其余CCD传感器的外同步信号,使各个CCD同步工作,捕捉同一时刻的图像,如图1所示。将1#CCD图像传感器的视频输出信号连接到多CCD图像传感器同步电路的输入端,经过视频分配放大器处理后(以4个CCD图像传感器为例),输出4路与输入信号完全一致的视频信号。其中3路作为2#、3#、4#CCD图像传感器的外同步信号,剩余1路直接作为1#CCD图像传感器的视频输出信号。
二、对视频分配放大器的要求
  多CCD图像传感器同步电路的核心是视频分配放大器。视频分配放大器的总增益为1∶1,完成1路输入多路输出的功能。它将1#CCD输出的视频信号经过放大处理后,输出多路与原输入信号完全一致的视频信号,作为其余各个CCD的外同步输入信号。
  从电路性能上考虑,视频分配放大器应能满足以下几点要求。
1.有足够的频带宽度,以保证有足够的清晰度。
2.有低的输出阻抗。由于此放大器是将图像信号送到75Ω同轴电缆上,所以放大器应具有75Ω内部输出阻抗,而且要满足75Ω负载电阻所要求的输出功率,同时还能隔离各路负载间的互相影响,保证输出的各路信号之间互不干扰。
3.有较大的动态范围,以满足多种视频信号的要求。



图1多CCD图像同步获取系统




图2直接耦合放大器
根据上述几点,笔者从分立元件电路和集成电路两个角度设计了同步电路的两种实现方案。
三、直接耦合放大器的原理电路
  分立元件电路是采用晶体管实现放大功能。用晶体管构成视频放大电路,主要问题有输入电阻低,输入电容大,电流放大系数随频率而变。针对这几点,放大器的设计是采用NPN管与PNP管组成并联调节的单端推挽放大电路,它可以得到约2.5倍的输出,失真又小,非常适用于75Ω线路放大电路。与通常视频分配放大器不同的是,本设计是先对输入信号进行能量等分分配,再分别由4个放大电路进行放大,这样可以保证各路输出信号相互独立,互不影响,而且放大器的输出功率也容易满足负载电路的要求。原理电路见图2。虚框内为其中一路放大电路,虚框外的元件为多路放大电路所共用。
  放大器的工作过程是:输入的视频信号经电容C1隔直流后,加在Q11的输入端b、e之间,经Q11放大后,将集电极电阻R12上的电压加到Q12的输入端e、b之间,经Q12放大后,以集电极电阻R16上的电压作输出。这两个晶体管都工作在共发射极放大状态,而且两级的工作点互相配合,使输出电压具有较大的变化范围。此放大电路的特点是信号失真小,放大倍数比较高,温度稳定性好,输入阻抗高,输出阻抗低。
  R1为阻抗匹配电阻,视频信号经过电缆传输,要求视频分配放大器是一个匹配终端。
  C1、C13为隔断直流电容,隔断放大器的输入端与信号源之间、输出端与负载之间的直流通道,保证放大器的静态工作点不因输入、输出的连接而发生变化。



  R2、R3、R12、R13和Q11构成分压式电流负反馈偏置电路,其特点是既能提供合适的偏流,又能稳定静态工作点。R2、R3、R12、R13为偏置电阻,将Q11的发射极置于正偏,集电极置于反偏,使其处于线性放大区工作。R2、R3构成串联分压电路,其电流,同时R2与R3的分压关系固定了 Q11的基极电位,满足工作点稳定的条件。R13是用来实现电流负反馈的电阻。如果Q11的集电极电流IC随温度的升高而增大,则在集电极电流IC增大的同时,Q11的发射极电流IE在反馈电阻R13上产生的压降UE将增大,这将使发射极的电位UE上升,由于基极电位Ub不变,所以加在基极-发射极之间的电压UBE随之减小,从而引起基极电流IB减小,引起集电极电流IC的减小,使工作点趋向原来位置,达到稳定Q11工作点的目的。
  Q11选用NPN管,Q12选用PNP管,构成互补式直接耦合电路。因为在直接耦合放大电路中,第二级的基极电压也就是第一级的集电极电压,如果采用同类型(例如NPN型)晶体管,则各级管子的集电极电位逐步升高,会限制放大级。而在前后级配合使用NPN和PNP管,可以把后级的集电极电位降下来。
  R12、R16为Q12的偏置电阻,将Q12的发射极置于正偏,集电极置于反偏,使其处于线性放大区工作。



  R14、R15为反馈电阻,与R13一起构成两级电压串联负反馈网络。这种电路的闭环放大倍数Af只取决于反馈电阻(R14+R15)与R13的比值,倍,而与晶体管无关,所以电路的静态工作点稳定。而且可以稳定输出信号电压,使得放大器的输出电阻减小,驱动能力提高,放大倍数稳定。在输入端由于反馈信号串联连接,提高了放大器的输入阻抗。实现以下几种功能。
  
1.提高增益的稳定性。在放大器的使用过程中,经常由于电源电压波动,温度与负载变化等因素,使放大器的增益发生变化,影响了工作性能的稳定。如果采用负反馈,就可以使放大器的增益变化相对减小。
  
2.减小频率失真和非线性失真。本反馈网络是用纯电阻元件构成的,所以放大器的增益基本与频率无关。
  
3.扩展通频带。由于放大电路中晶体管结电容的存在,在低频段和高频段放大倍数都要下降。引入负反馈可使闭环增益趋于稳定,因此闭环幅频特性的下降速率减慢。与开环幅频特性相比,闭环的下限截止频率小于开环的下限截止频率,而闭环的上限截止频率大于开环的上限截止频率,所以闭环的通频带大于开环的通频带。
  
4.增加输入电阻。输入电阻越小,放大器从信号源索取的信号电流越大,而放大电路得到的输入电压越小,这不仅加重了信号源的负担,而且输出电压也随输入电压的减小而减小。串联负反馈削弱了使放大电路输入电压的作用,使真正加到放大电路输入端的净输入电压下降了。因此,在同样的输入电压下,输入电流将下降,也就相当于输入电阻增大了。

关键词: 图像 传感器 同步

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