每个成像系统都从一个图像传感器开始。来自传感器的信号必须在域内处理，转换为数字，并在数字域内进一步处理。这允许在存储、显示、传输和/或进一步处理之前对图像进行分析、操作和增强。成像应用程序通常涉及三个芯片——图像传感器、前端(AFE)和数字ASIC。AFE对从图像传感器接收的信号进行处理，并进行A/D转换。数字专用集成电路包含图像处理和定时电路。图1显示了一个典型成像系统的框图。数字图像处理专用集成电路(ASIC)之后的附加应用特定电路取决于成像系统是相机、扫描仪还是复印机。

前端。典型的AFE从输入钳开始。图像传感器输出信号的共模电平范围从0 V到9 V以上，因此信号必须与AFE交流耦合。输入钳位将信号的直流电平恢复到AFE供电范围内的最佳点。

采样函数跟随输入箝位。设计用于电荷耦合器件(ccd)的afe使用相关双采样器(CDS)。CDS对每个像素取两个样本，一个在复位级别，一个在视频级别，并在两者之间执行差分测量。CDS通过消除与CCD输出级相关的kT/C噪声和衰减低频漂移来提高信噪比(SNR)。商业红外(IR)成像应用中使用的接触式图像传感器(CIS)和焦平面阵列(FPA)通常输出单端接地参考信号，不需要差分测量。设计用于与这些传感器一起工作的afe使用采样保持放大器(SHA)代替CDS。粗黑电平偏移校正级与CDS或SHA集成在一起。

可编程(或可变)增益放大器(PGA或VGA)跟随CDS放大信号，并更好地利用A/D转换器(ADC)的全动态范围。如果在PGA之前没有进行黑电平偏移校正，成像系统的动态范围将受到影响。高速ADC将经过调理的图像信号转换为数字域，允许数字专用集成电路进行额外处理。

AFE通过标准串行端口编程，可以轻松地与大多数现成的微控制器或数字ASIC接口。pga增益寄存器、偏移校正寄存器和采样模式都是通过这个接口编程的。成像应用中AFE的选择取决于许多因素，包括:使用的传感器类型、动态范围、分辨率、速度、噪声和功率要求。这篇文章的目的是提供一个指南，使适当的AFE选择成像应用。

数字视频和静止相机应用

数码摄像机和静态相机是当今消费电子产品中增长最快的部分。相机制造商不断需要以更低的成本制造性能更高的相机，以保持竞争力。这种需求促使IC制造商提高电路集成水平，以减小相机组件的尺寸和成本。

这个过程的第一步是把所有的电路集成到一个芯片上。图2是数码相机的简化框图。尽管每个应用对采样率、噪声性能、功耗、图像分辨率和工作模式都有不同的要求，但AFE是建立和维护系统性能的关键环节。

需要速度。在标准视频应用中，VGA (640 × 480)分辨率是常见的，因此使用300千像素的ccd。使用ntsc标准的每秒30帧(fps)的传输速率和隔行CCD阵列，AFE必须以接近10兆赫的速率处理像素。对于更高清晰度的应用，如数字电视(DTV)，采用逐行扫描。使用300 kpixels的逐行扫描CCD，前端需要以接近20 MHz (300,000 × 30 × 2 = 18 MHz)的速度运行。

安全和高速分析等应用需要更高的速度。一个运行在36兆赫的AFE可以处理100帧/秒的360像素CCD。多功能数码相机和便携式摄像机，如具有静止拍摄功能的便携式摄像机和具有视频功能的数码相机，需要高分辨率的ccd(一百万像素或更高)来结合静止拍摄功能和高速视频功能。如果一台100万像素的摄像机能够以标准的30帧/秒的速度拍摄静止照片，那么它需要一个逐行扫描CCD，以便在拍摄静止照片时一次传输一整帧，而一台AFE至少可以以30 MSPS的速度运行。

高分辨率。从历史上看，用于消费市场的摄像机和数码相机需要10位的信号强度分辨率。图像处理技术的最新进步创造了更高分辨率的需求，以允许额外的图像编辑和操作，并确保图像完整性的最小损失。除了现有的用于相机市场的高速10位afe外，Devices最近还开发了AD9842和AD9844 12位afe，以满足更高分辨率的要求。

噪声和非线性。AFE内产生的噪声必须最小化，因为它直接影响成像系统的动态范围。系统的动态范围是通过比较可处理的最大信号和最小可解析信号来确定的。AFE噪声由来自信号处理电路的宽带噪声加上A/D转换器的量化噪声组成。

由于成像信号很少是纯正弦波，传统的转换器规格，如信噪比和信噪比失真(SINAD)并不能直接适用于成像系统。相反，信噪比可以用一种稍微不同的方式来定义，即基于宽带噪声。AFE的宽带噪声可以通过使用“固定输入直方图”测试来测量。在理想的系统中，固定的输入应该产生单一的输出代码。系统中的噪声会产生一系列的编码;根据它们的分布，可以统计计算噪声的均方根值。然后可以将宽带噪声的均方根值与成像仪噪声进行比较，从而计算出系统的整体信噪比。

AFE的线性度对成像系统的性能也很重要。微分非线性(DNL)是指相邻数字电平之间的实际码宽与理想码宽(量子步长)之差。如果转换器有较大的DNL误差，它可以将亮度的平滑变化转换为人眼可见的“步骤”或线条。可接受的DNL性能通常为0.5个最低有效位(lsb)。积分非线性(INL)也很重要。INL中的突变，集中在少数代码周围，可能导致明显的图像伪影。但是，如果INL的传递函数是平滑的，那么非线性将逐渐扩散到转换器的整个范围，并且适度的误差将不那么令人反感。然而，较大的“平滑”INL误差有时会导致数字图像处理中的错误，从而导致最终图像中的彩色伪影。

自动黑电平偏移校正。理想情况下，当没有光线照射到CCD上时，CCD的复位和视频电平将是相同的。然而，固有的CCD暗电流导致黑电平偏移可以超过100毫伏。为了利用ADC的最大动态范围，必须在对信号施加任何增益之前对该偏移量进行校正。AFE包括一个自动黑电平校正回路，该回路对黑电平进行采样，确定黑电平偏移，并在增益级之前对信号进行适当的偏移校正。

对于面积ccd阵列，暗电流会随线而变化，因此必须对阵列中的每条线进行此过程。AFE自动完成此操作，因此不需要存储整个区域的校准系数。CCD阵列在每行的开始处提供光学黑色像素，以允许自动黑电平校正环路确定逐行所需的校正。

像素率增益调整。CCD中的像素本身并不能区分颜色。为了将入射光分离成一系列颜色，彩色滤光片以马赛克图案分别放置在CCD阵列的每个像素上。具体图案和颜色的选择取决于生产厂家。

CCD阵列通常以串行方式从单个通道输出数据。彩色信息从CCD输出的顺序取决于滤波模式和扫描技术。例如，使用拜耳滤波器的逐行扫描CCD将按以下顺序输出数据:

该数组中每个颜色的响应度将是不同的。例如，对于白光，绿色像素可能比红色或蓝色像素强得多。为了使每个像素能够利用ADC的全动态范围，在ADC之前需要一个可变增益放大器(VGA)。这个VGA必须能够以像素率将增益设置切换到每种颜色的适当值。如果VGA不能以像素率改变增益，则增益必须固定，以便“最强”颜色将利用ADC的全动态范围。在此增益设置下，相对于“较强”的颜色，“较弱”的颜色将具有较小的动态范围和信噪比。

Devices通过开发像素率增益放大器(PxGA (TM))解决了这个问题。AD9841和AD9842是10位和12位20 mhz fe，使用PxGA技术以像素率分别将增益系数切换到VGA。以带拜耳滤波器的逐行扫描CCD为例，每个R、G和B像素都有自己的增益系数，允许每种颜色利用ADC的全动态范围，从而最大化信噪比。此外，域中任何非线性的影响将被降低，因为所有颜色都以相似的幅度进行处理。

图3是采用具有4色滤波的CCD阵列的PxGA的一个例子。

AD984x前端系列

AD984x系列是一组高速、低功耗CMOS前端，适用于使用面阵ccd阵列的成像应用。它们在高达36 MHz的速度下具有行业级的低噪声、非线性和功耗。AD984x系列是低压、高速、便携式成像应用的理想选择，如数码静止相机和数字摄像机，以及任何其他使用隔行扫描或逐行扫描区域ccd阵列的成像系统(包括机器视觉、安全摄像机、科学光谱、视频会议和数字复印机)。

信号链由输入箝位、相关双采样器(CDS)、像素率增益放大器(AD9841和AD9842上的PxGA)、数字控制可变增益放大器(VGA)、自动或可编程黑电平偏移校准和A/D转换器组成。图4显示了AD9841/9842产品的框图，其中包含一个PxGA。AD9845A是一款采用PxGA技术的12位30 msps AFE，计划于2000年12月发布。

10位AD9840、AD9841和AD9843具有极低的噪声(~0.2 LSB rms输出噪声，74 db信噪比)，工作速度高达36 MHz，是逐行扫描CCD和高帧率视频应用的理想选择。12位AD9842和AD9844的信噪比为77 db，是高端高分辨率应用的理想选择。对于电池供电的应用，AD9840提供最低的功耗，在20 MHz时为75 mW，在36 MHz时为140 mW。虽然AD984x afe是单通道产品，但其数字输出总线具有三状态输出，因此多个afe可以用于多通道高速应用。表1列出了关键规格。

辅助模式AD984x系列afe提供2个辅助输入，用于除标准CCD输入外需要其他功能的应用。AUX1采样，偏置，放大(0至36db可变增益)，并将交流耦合连续波形转换为数字，用于成像系统的诊断等应用。AUX2采样视频型波形，如NTSC或PAL信号，提供黑电平箝位，0至18db可变增益，和A/D转换。

表1:AD984X系列前端的关键规格。
(全部包括PGA数字控制和2个辅助视频输入)

扫描，彩色复印& &;非常高端的成像应用

有许多具有AFE需求的成像应用，虽然相似，但与相机市场不同。扫描仪、彩色复印机、传真机、条形码阅读器和专业成像应用程序(如图形艺术扫描仪和科学成像系统)都有自己的一套要求。主要的区别在于所使用的图像传感器和连接到AFE后端的接口。这些系统的前端可能有不同的输入要求、偏移校正技术、动态范围要求和速度要求，最好使用不同类型的AFE，而不是数字静止相机和便携式摄像机市场使用的AFE。

多通道的要求。在区域ccd阵列中，彩色图像是通过在每个像素上放置滤光片而产生的，像素值从单个通道串行输出。在线性CCD阵列或CIS模块中，使用三个线性阵列来创建彩色图像;每一种颜色(R、G或B)用一条线。这三个阵列的输出从三个输出通道同时传输。彩色扫描应用程序，如文件扫描仪，多功能外设(MFP)和数字彩色复印机使用这种类型的成像仪。对于这些类型的应用，理想的AFE将有三个采样通道同时工作。

线性CCD阵列的黑电平偏移校正。与使用区域CCD阵列的相机应用程序不同，与线性CCD阵列接口的AFE不需要自动黑电平校正环路。由于只有一条高达几千像素的线，因此可以在每次扫描开始时执行单个黑线校准以确定一次黑电平偏移。然后可以将黑电平偏移校正因子作为DAC的输入字编程到AFE中，这将对整个扫描的每个像素应用粗黑电平偏移校正。该电路比相机AFE中使用的自动黑电平校准环路更容易实现。

高端扫描。专业扫描应用程序使用当今最好的ccd。图形艺术扫描仪和胶片扫描仪也可以使用冷却机制来控制CCD的温度，最大限度地提高信噪比。积分次数只要合理，就能最大限度地提高CCD输出信号的动态范围，提高信噪比。在这些应用中通常可获得高达4 V的CCD信号，因此可以实现真正的13位或14位性能。在任何成像系统中，AFE都不应该成为性能的限制因素，因此对于这些高端应用来说，真正的14位AFE是必要的。AD9814提供了真正的14位无缺失码解决方案，14位水平(89 dB信噪比)的rms噪声为0.55 lsb，输入范围为4 v。

Low-to-mid-range扫描。低端扫描仪已经从几年前的30位彩色系统(10位/通道)发展到36位甚至42位彩色系统(12位和14位/通道)。虽然这些低端扫描仪中的ccd无法达到高端扫描仪的14位性能，但数字后处理算法仍然需要ADC的14位分辨率。AD9822是AD9814的低成本版本，是这些应用的理想选择;它在14位电平(80 db信噪比)下提供1.5 lsb rms噪声性能。

速度要求。独立扫描器的扫描速度历来受到主机接口的限制，无论是EPP、USB还是SCSI。由于扫描仪每秒最多只能向主机传输几兆字节的数据，因此图像传感器和AFE只需以每秒几百万像素或更少的速度运行。大多数用于扫描仪应用的afe提供6 MHz的采样率，对应于2 MHz/color。在数字复印机中，不需要主机接口。扫描的最大采样率将受到数字图像处理和打印引擎速度的限制，这两者目前的操作速度都比主机接口快得多。展望未来，IEEE-1394(火线，ILink)开始获得市场认可，USB 2.0规范正在形成。主机接口可能以高达800mhz的频率运行，不再是现在的瓶颈。

要更仔细地查看AFE的速度需求，请考虑典型的复制规范。对于标准复制，300点/英寸(dpi)扫描就足够了。对于信件大小的文档，300dpi的彩色扫描产生大约3000万像素。考虑到一些处理开销，以6 MHz (2 MHz/color)的采样速率扫描大约需要6秒，而页面速率为每分钟10页(ppm)。为了达到20ppm，需要12mhz的采样率，这是目前大多数扫描仪afe采样率的两倍。

多功能外设(MFP)将扫描仪/传真/复印机功能集成在一个单元中，通常需要比平板文档扫描仪更快的AFE，但它仍然需要作为高质量的扫描仪(600 dpi或更高)。在这种情况下，信件大小的文档所需的分辨率大约是1.2亿彩色像素。对于该分辨率，6 mhz AFE只能产生约2.5 ppm，而12 mhz AFE将吞吐量提高到约5 ppm。市场上许多较新的mfp可以支持8- 10ppm的彩色复制模式，分辨率为600 dpi;这需要大约20到22 MHz的AFE采样率。AD9822具有15 MSPS时的14位性能和高达30 MSPS时的10位性能，是这些应用的理想选择。图5显示了AD9814/9822的框图。

14位AD9814和AD9822工作频率分别为6和30 MSPS，是Devices系列三通道afe的高端产品，具有10至14位分辨率和6至30 MSPS的采样率。

AD9814提供真正的14位性能和高动态范围，适用于高端成像应用，如胶片扫描仪和图形艺术扫描仪。AD9822的工作速度高达30 MSPS，具有10位性能，适用于高速扫描应用。它非常适合使用三线性彩色ccd或CIS模块的成像应用。在15 MSPS时，它提供高速14位无丢失代码性能，适用于中低端文档扫描仪，数字彩色复印机和mfp

2001年，拥有48位彩色扫描功能的扫描仪将上市;它们需要一个16位的AFE。为了满足这一需求，将于2000年11月发布的AD9826是一款16位、15 MSPS的AFE，其运行速度高达30 MSPS，性能为10位。

3通道afe系列，如下表(表2)所示，具有图形艺术扫描仪和光谱系统所需的低噪声和高动态范围。它具有在数字彩色复印机和MFPs中工作所需的速度。它还具有可编程的单通道模式，可用于机器视觉系统，条形码阅读器和红外(IR)成像系统。这些产品的输入电压范围高达4 V p-p，这是许多文档和透明扫描应用的理想选择

表2:三通道前端系列的关键规格。