CCD 输出信号是如何产生的，它确定了每个像素中包含的三个波形特征，即复位毛刺、复位电平和数据电平。

当我想到这种不规则的、重复的电压变化可以以某种方式转化为二维图像，可以与我们的视觉感知相媲美，甚至在某些方面优于我们的视觉感知时，我不禁惊叹于人类的聪明才智现实。胶片的功能同样令人惊奇，但我们无法像在示波器上查看 CCD 波形那样在分子水平上观察胶片中发生的事情。

相关双采样

说到 CCD 信号处理，重要的话题就是相关双采样 (CDS)。该术语指的是在两个不同时刻重复采样波形的过程，每对样本用于产生单个数据点。

相关双采样的好处是降噪。您可以将其视为差分信号的一种形式：我们不是从同一电压信号的互补版本中减去一个电压信号，而是暂时划分单端波形并从第二个瞬时电压中减去一个瞬时电压。

在 CCD 波形的情况下，获取两个瞬时电压，一个捕获参考（也称为复位）电平，另一个捕获数据电平：

降噪

与差分信号一样，相关双采样是降低噪声的一种有效方法，因为当一个电压从另一个电压中减去时，任何影响参考电平和数据电平的噪声源都将被消除。

CCD 信号中的一个主要噪声源称为 kTC 噪声，它是与电容相关的热噪声。kTC 噪声幅度在给定像素的参考和数据部分期间是相同的，因此它被相关双采样消除。

一般来说，CDS 衰减噪声源的功效取决于带宽——换句话说，它取决于噪声信号变化的速度。个样本和第二个样本之间有一定的时间间隔，如果在此期间噪声信号的值发生显着变化，则不会通过减法去除噪声。

CCD 会产生相关双采样无法消除的高频噪声，但该技术可降低低频噪声的影响，例如闪烁 (AKA 1/f) 噪声、缓慢的电源变化和热漂移。

实施相关双采样

术语“采样”可能会让您想到模数转换，就好像 CDS 是通过获取两个 ADC 样本来实现的。然而，CCD 系统在模拟领域执行这种双重采样。有多种电路实现；下面显示的一个很简单，有助于说明一般概念。

该电路由两个采样保持 (S/H) 模块和一个差分组成。采样保持操作在特定时刻捕获信号的电压电平，然后保持该值。

基本的 S/H 解决方案只是一个带有 FET 的，该 FET 将电容器与输入信号分开：

采样控制脉冲打开 FET 并允许电容器充电至输入电压。只要另一个电容器连接到高阻抗节点，就不会发生明显的放电，因此电容器上的电压保持（几乎）恒定足够长的时间以执行所需的任何其他信号处理任务。

集成专用采样保持 IC 可实现更高性能（或至少减少设计工作量）。一些示例包括 Texas Instruments 的 LFx98x 系列、Analog Devices 的 SMP04 和 Maxim 的 DS1843。

在 CDS 电路中，一个 S/H 块在 t参考触发（即在像素波形的参考电平部分的某个瞬间），另一个在 t数据触发（即在数据期间的某个瞬间）级部分）。然后，差分放大器从参考电平中减去数据电平，并产生一个准备好进行进一步处理的输出电压。

CCD 信号处理器

CCD 模拟信号处理和 A/D 转换还有许多其他方面，但我认为它们不值得详细讨论——老实说，我们中很少有人需要从一组分立 IC 中创建定制的 CCD 接口. 高度集成的解决方案是可用的，它们提供了无与伦比的便利性和性能。

我们将通过对 CCD 信号链其他部分的简要说明来结束本文，并借助 Analog Devices 的 CCD 信号处理器 AD9845B 的数据表提供一些帮助。

图表取自 AD9845B数据表。

• 通过首先交流耦合信号然后施加直流恢复电压来移动直流偏移。
• 信号根据 ADC 的满量程范围进行放大。
• 光学黑钳子电路使用来自遮光像素的信息，通过消除暗电流引起的偏移来改善动态范围。
• 正确同步的模数转换产生数字像素数据，ADC 分辨率根据 CCD 的动态范围选择。

结论

我们探索了相关双采样，并对典型的 CCD 信号处理系统进行了高层次的研究。下一篇文章将继续图像技术系列，其中包含与应用相关的有趣 CCD 主题。