AD9801：電子相機的高性能CCD信號處理器

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

文件下載：AD9801JST.pdf

一、產品概述

AD9801是一款為電子相機量身打造的CCD信號處理器，非常適合視頻會議和消費級靜態(tài)相機應用。它的信號處理鏈由高速相關雙采樣器（CDS）、可變增益可編程增益放大器（PGA）和10位模數轉換器（ADC）組成，同時還提供了所需的鉗位電路和板載電壓基準。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。

產品特性

1. 高性能A/D轉換：具備10位、18 MSPS的A/D轉換器，能夠以18 MSPS的全速度進行相關雙采樣（CDS），保證了高速、高精度的信號轉換。
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），可靈活調整信號增益。
3. 內部電壓基準：內部集成電壓基準，保證了信號處理的穩(wěn)定性。
4. 無漏碼保證：確保在轉換過程中不會出現漏碼情況，提高了數據的準確性。
5. 低功耗設計：采用低功耗CMOS技術，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用。
6. 小封裝優(yōu)勢：48引腳TQFP封裝，適合緊湊、低空間的設計需求。

二、功能模塊與工作原理

1. 相關雙采樣（CDS）

CDS是高性能CCD系統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“數據”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輸入進行控制，其中PGACONT1提供粗調，PGACONT2提供細調（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”提供校準信號，通過反饋回路在校準期間（CLPOB = LOW）圍繞PGA閉合，設置黑電平，使黑像素在ADC范圍的一端數字化，充分利用系統的線性范圍。

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，為避免芯片內部電路飽和，AD9801提供輸入消隱功能。當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位模數轉換器（ADC）

ADC采用多位流水線架構，適合高吞吐量，且面積和功耗效率高。采用全差分實現，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動要求，從而降低功耗。差分架構能夠有效抑制電源和襯底噪聲。

8. 內部時序

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，其他時序由內部處理。ADCCLK信號用于選通輸出數據，可根據需要調整時序。

三、技術規(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

• 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、應用注意事項

1. 時鐘信號生成

為獲得最佳性能，AD9801應使用3V邏輯電平驅動。ADCCLK使用5V邏輯會導致保護二極管導通，增加電流和噪聲。SHP和SHD時鐘輸入有額外保護，可承受5V電平。可使用外部鉗位二極管、電阻分壓器或邏輯收發(fā)器芯片將5V電平轉換為3V電平。

2. 數字可編程增益控制

AD9801的PGA由0.3 V至2.7 V的模擬輸入電壓控制。在某些應用中，可使用Analog Devices的AD8402數字電位器實現數字增益控制。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。

3. 電源和接地建議

AD9801在系統中應視為模擬組件，所有引腳應使用相同的電源和接地平面。在雙接地系統中，數字電源引腳應解耦到模擬接地平面，數字接地引腳應連接到模擬地，以獲得最佳噪聲性能。若數字輸出需要驅動總線或大負載，應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，為電子相機的設計提供了一個優(yōu)秀的解決方案。各位工程師在實際應用中，不妨根據具體需求，合理運用AD9801的各項特性，打造出更出色的電子相機產品。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。