1036×1010像素CCD图像传感器TC281

    摘要：TC281是美国德州仪器公司（TI）生产的1036×1010像素CCD图像传感器。本文介绍了它的主要特点、引脚功能和结构原理，并给出了它的典型应用电路。

    关键词：TC281 CCD 图像传感器 像素

1 概述

TC281是一种帧传输电荷耦合器件（CC）图象传感器，它具有高清晰度的图像探测能力，可应用于图像处理，如机器人视觉、医学X射线分析和计量学等。它在水平和垂直方向上的图像感测区域范围均为8mm，对角线为11.3mm，传感器图像区域为8μm2像素。暗基准信号可从定位于图像区域和存储区域之间的10个暗其准行中获得，有28个暗其准像素定位在每个水平行的左边沿，另外8个暗基准像素定位在每个水平行的右边沿。

TC281存储器由1010行组成，每行有1036像素。该区域远见卓识金属层保护以避免光的照射。在传感器图像区域产生的光电荷能在110μs之内将图像传输到存储器区域。在图像捕获完成（集参时间）并传输到存储器后，便由后输荷完成对图像的读出。读出时，每次读出一行并将其送入定位在存储区域下面的串行寄存器。而串行寄存器包含1036个有效像素和9个虚拟像素。最大的串行寄存器数据率为每秒40兆像素。如果必须清除存储区域内所有电荷，则可使电荷快速通过串行寄存器，并传输到位于寄存器下面的清除漏极。

高效电荷容量检测（BCD）节点把电荷从每个像素转换为一个输出电压，并经过一个低噪声二级源极跟随放大器进行放大，其目的是在送到输出端之前进一步缓冲该电压信号。这种传感器很容易实现每秒30帧的读出率。传感器的霜保护是基于一个先进的横向溢出漏极（ALOD）。当合适的直流偏置用于溢出漏极时，反霜功能被激活。这种保护能够清除图像区域的全部电荷。这一点的实现是靠提供至少1μs持续时间的单个10V脉冲信号到溢出漏极来完成的。

TC281图像传感器使用TI公司专用的先进虚拟阶段（AVP）技术、横向溢出漏极和BCD检测节点。这些特征可给TI图像检测设备提供高蓝色响应、近IR高灵敏度、低暗电流、高光响应一致性和单相时钟。TC281工作温度范围为-10℃～40℃。

2 主要特点和引脚功能

TC281采用双列直插封装，其引脚排列如图1所示，各引脚的功能如表1所列。TC281的主要特点如下：

●分辨率高，为固态帧传输图像传感器；

●图像区域对角线为11.3mm；

●具有1000（H）×1000（V）有效像素数；

●每秒可扫描30帧；

●8μm2像素区域；

●暗（无照）电流低；

●反霜先进的横向溢出漏极；

●具有单脉冲图像区域清除能力；

●具有超过60dB的动态范围；

●灵敏度和量子效率很高；

●可通过TI先进的BCD节点技术进行非破坏性电荷检测；

●近红外（IR）高灵敏度和高蓝色响应；

●无图像老化、图像残留、图像失真、图像滞后或颤噪效应等现象。

表1 TC281引脚功能

3 结构原理

TC281图像传感器由图像感测区域、LAOD、存储区域、串行寄存器和带缓冲放大器的BCD节点5个基本功能块组成，其原理方框图如图2所示。

图像感测区域包含1036×1010像素数。金属遮不屏在感测区域可覆盖左边沿上的28个像素、右边沿上的8个像素和感测区域底部的10行。暗像素信号在视频信号处理期间用作暗参考。暗参考以相同的速率积累暗电流作为有效地址，以代表真实的黑电平信号。当光在图像区域内进入有效光地址时，将产生电子空穴对，其电子将在像素势阱被收集。该势阱的有限电荷存储容量由像素设计决定。当亮像素超过产生的电子数极限时，电子将溢出到附近的像素而引起图像模糊。为避免这些现象的产生，可让感测区域内每行的一对象素分担横向溢出漏极结构，并利用这一结构提供从1000到1不良现象的防护墙。

3.2 先进的横向溢出漏极

先进的横向溢出漏极结构由两个相邻的像素分担，该结构还可以在传感器中提供若干单一特性。可通过改变漏极直流偏压来控制光圈保护电平，并将其转化为热阱容量。

在标称直流偏置电平上，用最小持续时间为1μs/10V脉冲可使图像区域内的电荷被彻底清除。这个特性可使帧与帧之间的集成时间得到精确控制。在集成开始前，单个脉冲清除能力通常消除像素的积累电荷（单面涂片）也能减少涂片。在并行传输期间，建议用2V负脉冲来防止由于与列像素势阱能量的轻微变化所导致的图像不清楚。

3.3 存储区域

当电荷在读出前被存储时，用金属遮光屏盖住存储区域可防止电荷进一步集成。长期休眠后，在单一射击模式下使用传感器时，必须清除多重存储区域以确保全部电荷的移动（见图3）。

3.4 串行寄存器

串行寄存器可以40MHz的最大速率从传感器区域传输数据，这样便可以以每秒30帧的帧频完成1000×1000像素的读出。数据将在SRG时钟脉冲的下降沿被传输到BCD节点。

数据也能从并行方向的串行寄存器传输到清除漏极，并允许部分行读出。这种工作模式计时指的是在对TRG计时的同时，将下一行从存储器传输到串行寄存器。为提高设备灵敏度，在列内的多重像素贮藏器可在寄存器读出前，通过多重行传输到串行寄存器被执行。这种工作模式一睥计时如图4所示。切记不要转移太多行，也不要超过串行寄存器的势阱容量。在水平贮藏用于传感器时，可通过适当的复位脉冲空指令在BCD检测节点来完成。

3.5 大量电荷检测节点和输出放大器

TC281图像传感器使用专门的TI电荷检测设备呼叫暗电荷检测节点。在这个节点，信号电子包被传输到一只单独设计的P沟道MOS晶体管下面，并在此处调制晶体阈值电压。被检测的阈值电压的变化代表期望的输出信号。在检测完成后，可通过复位脉冲电荷从这个节点消除。BCD电荷检测的主要优点之一是电荷感测的非破坏性。由于非破坏性读出不产生复位噪声，因此不必进行CDS后处理。另外BCD电荷检测还具有速度高和噪声低的优点。

使用时，建议将射极输出器的输出缓冲用于TI图象传感器，同时把射极输出器交流耦合到其它的信号处理电路。因为用交流耦合可消除传感器输出在直流稳定性和传感器输出直流电平的变化。

4 应用电路

图5为TC281的典型应用电路，其中电路的供给电压VDD应选12V，VCC应为2V，VAA可采用-100电源，而VTST的取值范围在5～8V之间。另外，在该电路中，还需要注意以下三点：

A.建议用TC281来设计交流耦合系统；

B.尽量采用用户自定义计时器输入；

C.不显示电源退耦电容。