[发明专利]一种低噪声电荷耦合器件前端模拟视频信号预处理装置

说明书

技术领域

本发明属于微光成像领域，涉及一种可显著降低电荷耦合器件电磁干扰噪声的电荷耦合器件前端模拟视频信号预处理装置，主要应用于电荷耦合器件的前端模拟视频信号预处理过程。

背景技术

电子倍增电荷耦合器(Electron Multiplying Charge Couple Device，EMCCD)是近十年来在电荷耦合器件图像传感器领域出现的一项新技术，其在硅片上单独集成了数百级电子倍增寄存器，利用相邻两个栅极所形成的高压电场可在信号电子被读出放大器转换为信号电压之前将信号电子放大1000倍以上，从而抑制由于读出放大器和电路噪声所引入的增益后噪声，获得非常高的灵敏度，特别适合于微光成像。相比于传统带像增强器的电荷耦合器件，其结构和体积大大简化，在某些重量和体积敏感的应用场合具有较大优势。

电荷耦合器件所需要的水平驱动信号约为12V，垂直驱动信号约为10V，为获得电子增益所必须的高压驱动信号幅度甚至达到了45V，而驱动频率最大可达到18MHz以上，这些驱动信号具有幅度大、频率高的特点，在电荷耦合器件内部将会形成强大的电磁干扰，串到电荷耦合器件输出的模拟视频信号上，形成较大的串扰噪声，大大增加了电荷耦合器件在高频工作条件下的读出噪声。同时，电子倍增电荷耦合器件为工作在可抑制表面暗电流的反转模式下，必须将其参考地设计为4.5V，相比于其他普通电荷耦合器件的0V参考地抬高了4.5V，这进一步加剧了驱动信号对电荷耦合器件前端模拟视频信号的串扰。

面对这种串扰噪声，最好的方法是将干扰源与被干扰模拟视频信号进行彻底隔离，阻断干扰路径。在电荷耦合器件外围电路中可以相对容易实现信号的隔离与阻断，但面对已经封装成型的电荷耦合器件传感器，其内部采用特殊焊接工艺将硅片上的管脚与封装管脚对接起来，管脚间距约为0.6mm，根本无法在电荷耦合器件内部形成有效隔离层对电磁干扰进行屏蔽，导致无法从源头上阻止该电磁串扰噪声的形成，只能在后续模拟视频信号处理过程中采用特殊手段来降低这种干扰噪声。

传统的电荷耦合器件前端模拟信号预处理方法为：以电子系统的0V地平面作为参考地，采用前端射极跟随器+相关双采样+模数转换的方法来完成将电荷耦合器件模拟信号转换为数字信号的任务。但该方法只能消除电荷耦合器件读出放大器的复位噪声而无法消除由于驱动信号电磁干扰而串扰到电荷耦合器件前端模拟视频信号中的噪声。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决电荷耦合器件由于高频、大幅度驱动信号的电磁干扰而在前端模拟视频输出信号中串入较大噪声的问题，发明了一种低噪声电荷耦合器件前端模拟视频信号预处理装置，利用电荷耦合器件模拟视频信号以及参考地电压信号受到相似电磁干扰的特性，采用差分结构消除这两个信号中的相同电磁干扰噪声分量，相比传统电荷耦合器件前端模拟信号预处理方法噪声可降低50％以上。

(二)技术方案

本发明提供一种低噪声电荷耦合器件前端模拟视频信号预处理装置，包括第一极跟随器、第二射极跟随器、差分放大电路、滤波耦合电路、电荷耦合器件专用处理器电路，其中：第一射极跟随器的输入端与电荷耦合器件的模拟输出管脚连接，用于输出含有电磁串扰分量的电荷耦合器件模拟信号；第二射极跟随器的输入端与电荷耦合器件参考地管脚端连接，用于输出含有电磁串扰分量的电荷耦合器件参考地电压信号；差分放大电路的输入端分别连接第一射极跟随器、第二射极跟随器的输出端，用于输出消除电磁串扰分量的差分信号；滤波耦合电路的输入端与差分放大电路的输出端连接，用于输出滤除高频噪声和隔直后的模拟差分信号；电荷耦合器件专用处理器电路的输入端与滤波耦合电路的输处端连接，用于输出数字图像。

(三)有益效果

本发明主要利用电荷耦合器件模拟视频信号以及参考地电压信号会受到相似电磁干扰的特性，提供了基于一种差分放大结构的模拟视频信号预处理装置，相对现有电荷耦合器件模拟信号预处理装置具有以下优点：

(1)本发明利用差分放大结构创造性地将受到相似电磁干扰的电荷耦合器件模拟视频信号以及电荷耦合器件参考地电压信号进行差分相减，可将由于电磁干扰而引起的串扰噪声降低50％以上；

(2)在信号传输过程中采用差分走线方式输出电荷耦合器件模拟视频信号以及电荷耦合器件参考地电压信号，可防止信号在传输过程中受到干扰，因为即使在信号传输过程中受到外界干扰，但由于这两个信号受到的干扰相同，也可利用后续差分放大电路消除；