每個成像系統都從圖像傳感器開始。來自傳感器的信號必須在模擬域中處理，轉換為數字域，并在數字域中進一步處理。這允許在存儲、顯示、傳輸和/或進一步處理之前對圖像進行分析、操作和增強。成像應用通常涉及三個芯片：圖像傳感器、模擬前端（AFE）和數字ASIC。AFE 對從圖像傳感器接收到的模擬信號進行調理，并執行模數 （A/D） 轉換。數字ASIC包含圖像處理和時序生成電路。圖1顯示了典型成像系統的框圖。數字圖像處理ASIC之后的其他特定應用電路取決于成像系統是相機、掃描儀還是復印機。

圖 1：典型成像應用框圖

模擬前端。典型的AFE從輸入箝位開始。圖像傳感器輸出信號的共模電平范圍為0 V至9 V以上，因此信號必須交流耦合到AFE。輸入箝位將信號的直流電平恢復到AFE電源范圍內的最佳點。

輸入箝位之后有一個采樣功能。設計用于電荷耦合器件 （CCD） 的 AFE 使用相關雙采樣器 （CDS）。CDS對每個像素進行兩個采樣，一個在重置級別，一個在視頻級別，并在兩者之間執行差分測量。CDS通過消除與CCD輸出級相關的kT/C噪聲和衰減低頻漂移來提高信噪比（SNR）。商用紅外（IR）成像應用中使用的接觸式圖像傳感器（CIS）和焦平面陣列（FPA）通常輸出單端接地參考信號，并且不需要差分測量。設計用于這些傳感器的AFE使用采樣保持放大器（SHA）代替CDS。粗黑電平偏移校正平臺與CDS或SHA集成在一起。

可編程（或可變）增益放大器（PGA 或 VGA）跟隨 CDS 來放大信號，并更好地利用 A/D 轉換器 （ADC） 的整個動態范圍。如果在PGA之前沒有執行黑電平偏移校正，成像系統的動態范圍將受到影響。高速ADC將調理的模擬鏡像信號轉換為數字域，允許數字ASIC進行額外處理。

AFE 通過標準串行端口進行編程，可輕松與大多數現成的微控制器或數字 ASIC 接口。PGA增益寄存器、失調校正寄存器和采樣模式均通過該接口進行編程。為成像應用選擇AFE取決于許多因素，包括：所使用的傳感器類型、動態范圍、分辨率、速度、噪聲和功率要求。本文旨在為成像應用提供適當的AFE選擇指南。

數字視頻和靜態相機應用

數字視頻和靜態相機是當今消費電子產品中增長最快的部分之一。相機制造商不斷需要以更低的成本制造更高性能的相機，以保持競爭力。這種需求促使IC制造商提高電路集成度，以減小相機組件的尺寸和成本。

該過程的第一步是將所有模擬電路集成到單個芯片中。圖2顯示了數碼相機的簡化框圖。盡管每種應用對采樣率、噪聲性能、功耗、圖像分辨率和工作模式都有不同的要求，但AFE是建立和維護系統性能的關鍵環節。

圖 2：數碼相機的簡化框圖

極品飛車。在標準模擬視頻應用中，VGA（640×480）分辨率很常見，因此使用300 kpixel CCD。使用每秒30幀（fps）的NTSC標準傳輸速率和隔行CCD陣列，AFE必須以近10 MHz的速率處理像素。對于高清應用，如數字電視 （DTV），使用逐行掃描。使用具有 300 k像素的逐行掃描 CCD，模擬前端需要以接近 20 MHz （300，000 × 30 × 2 = 18 MHz） 的速度運行。

安全和高速分析等應用需要更高的速度。以 36 MHz 運行的 AFE 可以處理 100 fps 的 360 k像素 CCD。多功能數碼相機和攝像機（例如具有靜態拍攝功能的攝像機和具有視頻功能的數碼相機）需要高分辨率CCD（30萬像素或更大）才能將靜態拍攝功能與高速視頻功能相結合。具有靜態拍攝功能并以標準 30 fps 運行的 <> 萬像素攝像機將需要逐行掃描 CCD，以便在拍攝靜態照片時一次傳輸全幀，以及能夠以至少 <> MSPS 的速度運行的 AFE。

高分辨率。從歷史上看，消費市場的攝錄一體機和數碼相機需要10位強度信號分辨率。圖像處理技術的最新進展產生了對更高分辨率的需求，以允許額外的圖像編輯和操作，并確保圖像完整性的損失最小。除了面向相機市場的現有高速10位AFE之外，ADI公司最近還開發了AD9842和AD9844 12位AFE，以滿足更高分辨率的要求。

噪聲和非線性。AFE內產生的噪聲必須最小化，因為它直接影響成像系統的動態范圍。系統的動態范圍是通過比較可處理的最大信號與最小可分辨信號來確定的。AFE噪聲由來自模擬信號處理電路的寬帶噪聲和A/D轉換器的量化噪聲組成。

由于成像信號很少是純正弦波，因此SNR和信噪比失真（SINAD）等經典轉換器規格并不直接適用于成像系統。相反，可以根據寬帶噪聲以略有不同的方式定義SNR。AFE的寬帶噪聲可以通過使用“固定輸入直方圖”測試來測量。在理想系統中，固定輸入應產生單個輸出代碼。系統中的噪聲會產生一系列代碼;根據它們的分布，可以統計計算出均方根噪聲值。然后，可以將均方根寬帶噪聲與成像器噪聲進行比較，并計算整個系統的SNR。

AFE的線性度對成像系統的性能也很重要。微分非線性（DNL）是相鄰數字電平之間實際碼寬和理想碼寬（量子步長）之差。如果轉換器具有較大的DNL誤差，則可以將亮度的平滑變化轉換為人眼可見的“步長”或線條。可接受的 DNL 性能通常為 0.5 個最低有效位 （LSB） 量級。積分非線性（INL）也很重要。INL中的突然過渡集中在少量代碼周圍，可能會導致明顯的圖像偽影。但如果INL的傳遞函數是平滑的，非線性將逐漸分散到轉換器的整個范圍內，中等誤差將不太容易引起人眼的反感。然而，較大的“平滑”INL誤差有時會導致數字圖像處理錯誤，導致最終圖像中出現色彩偽影。

自動黑電平偏移校正。理想情況下，當CCD沒有光線照射時，CCD的復位電平和視頻電平將是相同的。但是，固有的CCD暗電流會導致超過100 mV的黑電平失調。在對信號施加任何增益之前，必須校正此失調，以便利用ADC的最大動態范圍。AFE包括一個自動黑電平校正環路，用于對黑電平進行采樣，確定黑電平偏移，并在增益級之前對信號進行適當的失調校正。

對于面積CCD陣列，暗電流會因線而異，因此必須對陣列中的每一條線執行此過程。AFE會自動執行此操作，因此不需要存儲整個區域的校準系數。CCD陣列在每行的開頭提供光學黑像素，以允許自動黑電平校正循環逐行確定所需的校正。

像素速率增益調整。CCD中的像素本身無法區分顏色。為了將入射光分成一系列顏色，濾色片以馬賽克圖案單獨放置在CCD陣列的每個像素上。具體的圖案和顏色的選擇取決于制造商。

CCD陣列通常以串行方式從單個通道輸出數據。顏色信息從CCD出來的順序取決于濾光片圖案和掃描技術。例如，使用拜耳濾光片的逐行掃描CCD將按以下順序輸出數據：

對此數組中每種顏色的響應度將不同。例如，對于白光，綠色像素可能比紅色或藍色像素強得多。為了使每個像素能夠利用ADC的整個動態范圍，在ADC之前需要一個可變增益放大器（VGA）。此VGA必須能夠以像素速率將增益設置切換到每種顏色的適當值。如果VGA無法以像素速率改變增益，則必須固定增益，以便“最強”的顏色利用ADC的整個動態范圍。在此增益設置下，相對于“較強”的顏色，“較弱”顏色的動態范圍和SNR較小。

ADI公司通過開發像素速率增益放大器（PxGA唰唰??).AD9841和AD9842分別是10位和12位20 MHz AFE，采用PxGA技術，以像素速率將增益系數分別切換到VGA。以采用拜耳濾波器的逐行掃描CCD為例，每個R、G和B像素將應用自己的增益系數，從而允許每種顏色利用ADC的整個動態范圍，從而最大限度地提高SNR。此外，模擬域中任何非線性的影響都會降低，因為所有顏色都以相似的振幅進行處理。

圖 3：帶 PxGA 的信號路徑唰唰??

圖3是PxGA與具有4色濾波的CCD陣列一起使用的示例。

AD984x系列模擬前端

AD984x系列是一組高速、低功耗CMOS模擬前端，適用于采用面陣CCD陣列的成像應用。它們在高達 36 MHz 的速度下具有業界領先的低噪聲、非線性和功耗特性。AD984x系列非常適合低壓、高速、便攜式成像應用，如數碼相機和數碼攝像機，以及使用隔行掃描或逐行掃描面陣CCD陣列（包括機器視覺、安全攝像頭、科學光譜、視頻會議和數字復印機）的任何其他成像系統。

信號鏈由輸入箝位、相關雙采樣器（CDS）、像素速率增益放大器（PxGA—AD9841和AD9842）、數控可變增益放大器（VGA）、自動或可編程黑電平失調校準以及模數轉換器組成。圖4顯示了AD9841/9842產品的框圖，其中包含一個PxGA。AD9845A是一款采用PxGA技術的12位、30 MSPS AFE，計劃于2000年<>月發布。

圖4：AD9841/9842的原理框圖

10位AD9840、AD9841和AD9843具有極低噪聲（~0.2 LSB rms輸出噪聲，74 dB SNR），工作速度高達36 MHz，非常適合逐行掃描CCD和高幀率視頻應用。12位AD9842和AD9844具有77 dB SNR，非常適合高端、高分辨率應用。對于電池供電應用，AD9840具有最低的功耗，75 MHz時為20 mW，140 MHz時為36 mW。雖然AD984x AFE是單通道產品，但其數字輸出總線具有三態輸出，因此多通道高速應用中可以使用多個AFE。表 1 列出了關鍵規格。

輔助模式 AD984x系列AFE提供2個輔助輸入，適用于需要標準CCD輸入以外的其他功能的應用。AUX1 對交流耦合連續波形進行采樣、偏置、放大（0 至 36 dB 可變增益），并將交流耦合連續波形轉換為數字波形，用于成像系統診斷等應用。AUX2 對模擬視頻類型波形（如 NTSC 或 PAL 信號）進行采樣，提供黑電平鉗位、0 至 18 dB 可變增益和 A/D 轉換。

表1：AD984X系列模擬前端的關鍵規格
（全部包括PGA數字控制和2個輔助視頻輸入）

掃描、彩色復印和超高端成像應用

有許多具有AFE需求的成像應用雖然相似，但與相機市場不同。掃描儀、彩色復印機、傳真機、條形碼閱讀器和專業成像應用（如圖形藝術掃描儀和科學成像系統）都有自己的一套要求。主要區別在于所使用的圖像傳感器和連接到AFE后端的接口。每個系統的模擬前端可能具有不同的輸入要求、偏移校正技術、動態范圍要求和速度要求，并且最好使用不同類型的AFE，而不是數碼相機和攝像機市場使用的AFE。

多渠道要求。在面積CCD陣列中，通過在每個像素上放置濾光片來創建彩色圖像，像素值從單個通道串行饋出。在線性CCD陣列或CIS模塊中，三個線性陣列用于創建彩色圖像;每種顏色（R、G 或 B）使用一行。這三個陣列的輸出從三個輸出通道同時傳輸。彩色掃描應用，如文檔掃描儀、多功能外圍設備 （MFP） 和數字彩色復印機，都使用這種類型的成像儀。這些類型應用的理想AFE將具有三個同時運行的采樣通道。

線性CCD陣列的黑電平偏移校正。與使用面積CCD陣列的相機應用不同，與線性CCD陣列接口的AFE不需要自動黑電平校正環路。由于只有一條高達幾千像素的線，因此可以在每次掃描開始時執行單個黑線校準以確定一次黑電平偏移。然后，可以將黑電平偏移校正因子編程到AFE中，作為DAC的輸入字，DAC將粗黑電平偏移校正應用于整個掃描的每個像素。該電路比相機AFE中使用的自動黑電平校準環路更容易實現。

高端掃描。專業掃描應用使用當今最好的CCD。圖形藝術掃描儀和膠片掃描儀也可以使用冷卻機制來控制CCD的溫度，從而最大限度地提高SNR。積分時間將盡可能長，以最大化CCD輸出信號的動態范圍并提高SNR。這些應用中通常提供高達4 V的CCD信號，可以實現真正的13位或14位性能。在任何成像系統中，AFE都不應成為性能的限制因素，因此對于這些高端應用，真正的14位AFE是必要的。AD9814提供真正的14位無失碼解決方案，在0位電平（55 dB SNR）和14 V輸入范圍內具有89.4 LSB rms噪聲。

中低距離掃描。低端掃描儀已經從幾年前的30位彩色系統（10位/通道）發展到36位甚至42位彩色（12位和14位/通道）。雖然這些低端掃描儀中的CCD無法達到高端掃描儀的14位性能，但數字后處理算法仍然需要ADC提供14位分辨率。AD9822是AD9814的低成本版本，非常適合這些應用;它在 1 位電平 （5dB SNR） 下提供 14.80 LSB rms 噪聲性能。

速度要求。獨立掃描儀的掃描速度歷來受到主機接口的限制，無論是 EPP、USB 還是 SCSI。由于掃描儀每秒最多只能向主機傳輸幾兆字節，因此圖像傳感器和AFE只需要以每秒幾百萬像素或更低的速度運行。大多數用于掃描儀應用的AFE提供6 MHz的采樣率，相當于2 MHz/色。在數字復印機中，不需要主機接口。掃描的最大采樣率將受到數字圖像處理和打印引擎速度的限制，這兩者目前都可以比主機接口運行得更快。展望未來，IEEE-1394（Firewire，ILink）開始獲得市場認可，USB 2.0規范正在形成。主機接口可能以高達 800 MHz 的頻率運行，不再是現在的瓶頸。

要更仔細地了解 AFE 的速度要求，請考慮典型的復印規范。對于標準復印，每英寸 300 點 （dpi） 掃描就足夠了。對于信紙大小的文檔，300 dpi 的彩色掃描會產生大約 30 萬像素。考慮到一些處理開銷，以 6 MHz（2 MHz/顏色）的采樣率掃描大約需要 6 秒，而頁面速率為 10 頁/分鐘 （ppm）。要達到 20 ppm，需要 12 MHz 的采樣率，是目前大多數掃描儀 AFE 采樣率的兩倍。

多功能外設 （MFP） 將掃描儀/傳真/復印機功能集成到單個單元中，通常需要比平板文檔掃描儀更高速的 AFE，但它仍然需要作為高質量掃描儀（600 dpi 或更高）運行。對于這種情況，信紙大小的文檔所需的分辨率約為 120.6 億個彩色像素。對于此分辨率，2 MHz AFE 只能產生約 5.12 ppm，而 5 MHz AFE 可將吞吐量增加到約 8 ppm。市場上許多較新的多功能數碼復合機可以在彩色復印模式下支持 10-600 ppm，分辨率為 20 dpi;這需要大約 22 至 14 MHz 的 AFE 采樣率。AD15在10 MSPS時具有30位性能，在高達9822 MSPS時具有5位性能，非常適合這些應用。圖9814顯示了AD9822/<>的框圖。

圖5：AD9814/9822的原理框圖

14位AD9814和AD9822的工作電壓為6和30 MSPS，是ADI公司三通道AFE系列的高端產品，具有10至14位分辨率和6 MSPS至30 MSPS的采樣速率。

AD9814提供真正的14位性能和高動態范圍，適用于高端成像應用，如膠片掃描儀和圖形藝術掃描儀。AD9822的工作速率高達30 MSPS，具有10位性能，適用于高速掃描應用。它非常適合使用三線彩色CCD或CIS模塊的成像應用。在 15 MSPS 時，它提供高速 14 位無失碼性能，適用于中低端文檔掃描儀、數字彩色復印機和多功能數碼復合機

2001年，擁有48位彩色掃描的掃描儀將上架;它們需要 16 位 AFE。為了滿足這一需求，將于9826年2000月發布的AD16是一款15位、30 MSPS AFE，工作速度高達10 MSPS，具有<>位性能。

下表所示的3通道AFE系列（表2）具有圖形藝術掃描儀和光譜系統所需的低噪聲和高動態范圍。它具有在數字彩色復印機和多功能數碼復合機中工作所需的速度。它還具有可編程的單通道模式，可用于機器視覺系統、條形碼閱讀器和紅外 （IR） 成像系統。這些產品的輸入電壓范圍高達4 V p-p，非常適合許多文檔和透明掃描應用

表 2：3 通道模擬前端系列的關鍵規格。

審核編輯：郭婷