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彩色SXGA 数字图像传感器 Motorola 公司的 MCM20027 彩色 SXGA 数字图像传感器是固态有源 CMOS 图像传感器 (ACITM),它在单一芯片上集成有完整的模拟图像采集、模/数转换和数字信号处理系统的功 能,实现真正的“片上相机”(“ camera on a chip”)。MCM20027 简化和详细框图示于图1 和图 2。图像传感器由1280×1024 有源元件的格式像素阵列组成。图像的大小是完全可编程的, 由用户确定所需视窗。像素的间距为6.0μm。像素所采用的光电二极管结构具有高灵敏度和 低噪声的特点。标准微透镜进一步提高了灵敏度。传感器为彩色输出或做为单色图像传感器 提供Bayer 图形彩色滤光片阵列(CFA)。 集成的定时和编程控制使视频或静止图像捕护模式支持连续扫描模式。帧速率是可编程 的,而且保持主时钟频率恒定。用户可编程的行和列起始停止。使视窗可达最小1×1 像素视 窗。多像素增量中的二次取样也可执行视窗操作以便数字图像放大。 像素阵列的模拟视频输出由片上的模拟信号处理流水线进行处理。相关双取样(CDS)能去 掉传感器复位噪声而不需要在每个有效视频帧捕获和减去复位帧。帧速率箝位(FRC)使能实 时光黑电平校准和补偿校正。可编程模拟增益由曝光或总增益构成, 以把信号强度变化映射 到 ADC 输入范围内,而白色补偿执行模拟范围的白色补偿。ASP(模拟信号处理)信号链路包 括:列运放(1.5× 固定增益);列 DOVA(1.5× 固定增益); 白色补偿 PGA(0.88-2.82x);G10bal PGA(0.67×-5.92x);G10bal DOVA(2.0×固定增益)。这些数字可编程放大器(DPGA)提供自动 白色补偿(AWB)及总增益调节的实时彩色增益校正,可在每列和全程进行补偿校准。存储在 片上寄存器中的值可用于每列补偿校正。10 位冗余符号数(RSD)ADC 变换模拟数据为10 位 数字字流。全差分模拟信号处理流水线用以改进抗噪声度、信噪比和系统动态范围。 传感器用工业标准2 线I2C 兼容串行接口。它工作在单3.3V 电源,不需要另外的偏置,只 需要单个主时钟(工作频率高达13.5MHz)。此传感器是48 引脚陶瓷LCC 封装。 MCM20027 的设计考虑到标准视频编码器的接口要求。除10 位 Bayer 编码数据流外， 传感器输出有效的帧、行和编码所需的像素同步信号。传感器具有与各种商用视频图像处理 器的接口,为不同标准视频格式提供编码。 MCM20027 是一种精巧和特别灵活的单片解决方案,它简化了图像感测,处理、数字变换 和数字信号处理的系统设计任务,不愧是一款高性能、低成本、低功率IC。 MCM20027 图像传感器的图像感测和捕获结构如下。 传感器接口 像素结构 MCM20027 传感器由 1280×1024 有源像素阵列组成并支持连续模式。像素的基本操作 靠光电效应实现。由于其物理特性,硅能够检测光电子。光电子产生正比于入射光光强和波 长的电子-空穴时。应用适当的偏置可使用户捕捉电子和测量有用参量(如电压)的电荷。 像素结构也要求一行中的所有像素具有共同的复位、传送和行选择控制。此外,所有的像 素具有共同的电源(VDD)和地(Vss)连接。一个最佳的单元结构能提供低噪声、最大占空因数、 抗散焦特性。光电元件所用的光电二极管专利和传送门器件能增强整个可见光谱范围和非滞 后操作的灵敏度。 除成像像素外,还有在成像部分边缘的暗和伪像素。暗像素由光屏蔽打底像素(在下层对 光电不灵敏)覆盖。这些像素为量测暗电平补偿提供传感器手段,在信号处理链路下游执行自 动黑色电平校准时用暗电平补偿。在阵列边缘提供的伪像素可消除由于光管道进入有效像素 邻近的暗像素所引起的不精确测量。这些像素的输出将被去掉。 照相术语中的电子快门,也称之为电子光定时是一种标准特性。像素积分时间可在给定帧 读出时间的百分之几到整个帧时间的较宽范围内变化。 彩色分离和占空因数放大 MCM20027 系列提供单片聚合物彩色滤光片阵列(CFA)选择方案。超平面化工艺和专用的 滤光片技术的结合, 使 CFA 具有优异的光谱和传输特性。标准选择方案是基本的 (RGB)“Bayer”图形(见图3),但是,也有能生成包含辅助(CMYG)镶嵌结构的定制CFA 的功能。 可选用微透镜阵列(图4)得到较高的灵敏度。此透镜组阵列可改进传感器占空因数(孔径 比)1.5