CCD 信號(hào)處理的相關(guān)采樣

    CCD 信號(hào)處理，重要的話題就是相關(guān)雙采樣 (CDS)。該術(shù)語(yǔ)指的是在兩個(gè)不同時(shí)刻重復(fù)采樣波形的過(guò)程，每對(duì)樣本用于產(chǎn)生單個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。
    相關(guān)雙采樣的好處是降噪。您可以將其視為差分信號(hào)的一種形式：我們不是從同一電壓信號(hào)的互補(bǔ)版本中減去一個(gè)電壓信號(hào)，而是暫時(shí)劃分單端波形并從第二個(gè)瞬時(shí)電壓中減去一個(gè)瞬時(shí)電壓。

    在 CCD 波形的情況下，采集兩個(gè)瞬時(shí)電壓，一個(gè)捕獲參考（又稱復(fù)位）電平，另一個(gè)捕獲數(shù)據(jù)電平：

    降噪
    與差分信號(hào)一樣，相關(guān)雙采樣是一種降低噪聲的強(qiáng)大方法，因?yàn)楫?dāng)從一個(gè)電壓中減去另一個(gè)電壓時(shí)，任何影響參考電平和數(shù)據(jù)電平的噪聲源都將被消除。
    CCD 信號(hào)中的主要噪聲源稱為 kTC 噪聲，它是與電容相關(guān)的熱噪聲。kTC 噪聲幅度在給定像素的參考部分和數(shù)據(jù)部分期間是相同的，因此通過(guò)相關(guān)雙采樣將其消除。
    一般來(lái)說(shuō)，CDS 衰減噪聲源的功效取決于帶寬，換句話說(shuō)，取決于噪聲信號(hào)變化的速度。個(gè)樣本與第二個(gè)樣本之間存在一定的時(shí)間間隔，如果噪聲信號(hào)的值在此期間發(fā)生顯著變化，則噪聲不會(huì)通過(guò)減法去除。
    CCD 會(huì)產(chǎn)生相關(guān)雙采樣無(wú)法消除的高頻噪聲，但該技術(shù)可減少低頻噪聲的影響，例如閃爍（AKA 1/f）噪聲、緩慢的電源變化和熱漂移。
    實(shí)現(xiàn)相關(guān)雙采樣

    “采樣”一詞可能會(huì)讓您想到模數(shù)轉(zhuǎn)換，就好像 CDS 是通過(guò)采集兩個(gè) ADC 采樣來(lái)實(shí)現(xiàn)的。然而，CCD 系統(tǒng)在模擬領(lǐng)域執(zhí)行這種雙重采樣。電路實(shí)現(xiàn)有多種；下面顯示的內(nèi)容很簡(jiǎn)單，有助于說(shuō)明一般概念。

    該電路由兩個(gè)采樣保持 (S/H) 塊和一個(gè)差分放大器組成。采樣保持操作捕獲某一特定時(shí)刻的信號(hào)電壓電平，然后保持該值。

    基本的 S/H 解決方案只是一個(gè)帶有 FET 的電容器，該 FET 將電容器與輸入信號(hào)分開(kāi)：

    采樣控制脈沖會(huì)打開(kāi) FET，并允許電容器充電至輸入電壓。只要電容器的另一個(gè)端子連接到高阻抗節(jié)點(diǎn)，就不會(huì)發(fā)生明顯的放電，因此電容器上的電壓保持（幾乎）恒定足夠長(zhǎng)的時(shí)間，以執(zhí)行所需的任何其他信號(hào)處理任務(wù)。
    通過(guò)集成專用采樣保持 IC 可以實(shí)現(xiàn)更高的性能（或至少減少設(shè)計(jì)工作量）。一些示例包括 Texas Instruments 的 LFx98x 系列、Analog Devices 的 SMP04 以及 Maxim 的 DS1843。
    在CDS電路中，一個(gè)S/H塊在t參考處觸發(fā)（即，在像素波形的參考電平部分期間的某個(gè)時(shí)刻），另一個(gè)在t數(shù)據(jù)處觸發(fā)（即，在數(shù)據(jù)期間的某個(gè)時(shí)刻）。 - 級(jí)部分）。然后，差分放大器從參考電平中減去數(shù)據(jù)電平，并產(chǎn)生單個(gè)輸出電壓，以供進(jìn)一步處理。