在當(dāng)今數(shù)字化的時(shí)代，圖像信號(hào)處理技術(shù)在眾多領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，無論是數(shù)字彩色復(fù)印機(jī)、掃描儀，還是其他圖像處理應(yīng)用，都對(duì)圖像信號(hào)處理器提出了更高的要求。今天，我們就來深入探討一款備受矚目的產(chǎn)品——LM98620 10 - Bit 70 MSPS 6 通道成像信號(hào)處理器。

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一、LM98620 概述

LM98620 是一款專為高性能數(shù)字彩色復(fù)印機(jī)、掃描儀及其他圖像處理應(yīng)用而設(shè)計(jì)的全集成式解決方案。它采用 10 - Bit 分辨率和 70 MSPS 的信號(hào)處理速度，憑借創(chuàng)新的六通道架構(gòu)，結(jié)合相關(guān)雙采樣（CDS）或采樣保持（SH）類型的采樣技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高速信號(hào)處理。

1.1 關(guān)鍵特性

• 單電源供電：支持 3.3 V 單電源運(yùn)行，簡化了電源設(shè)計(jì)。
• 高通道速率：每個(gè)通道的速率可達(dá) 35 MHz，確保了高速的數(shù)據(jù)處理能力。
• ESD 保護(hù)增強(qiáng)：在時(shí)序、控制和 LVDS 引腳處采用了增強(qiáng)的 ESD 保護(hù)，提高了設(shè)備的可靠性。
• 低功耗設(shè)計(jì)：采用低功耗 CMOS 設(shè)計(jì)，降低了系統(tǒng)的功耗。
• 獨(dú)立增益和偏移校正：每個(gè)通道都有獨(dú)立的 1x 到 10x（8 位）可編程增益放大器（PGA）和 ±4 位粗調(diào)和 ±10 位細(xì)調(diào)的模擬偏移校正 DAC，可實(shí)現(xiàn)精確的增益和偏移調(diào)整。
• 數(shù)字校準(zhǔn)功能：具備數(shù)字白電平自動(dòng)校準(zhǔn)和數(shù)字黑電平自動(dòng)校準(zhǔn)功能，可自動(dòng)設(shè)置 PGA 值和偏移校正值，以達(dá)到選定的目標(biāo)電平。
• LVDS 輸出：提供 12 至 16 端子（可選）的 LVDS 串行數(shù)據(jù)輸出，支持 4 線串行接口。

1.2 應(yīng)用領(lǐng)域

• 數(shù)字彩色復(fù)印機(jī)和掃描儀：為這些設(shè)備提供高質(zhì)量的圖像信號(hào)處理，確保清晰、準(zhǔn)確的圖像復(fù)制和掃描。
• 其他圖像處理應(yīng)用：如工業(yè)檢測、醫(yī)療成像等領(lǐng)域，也能發(fā)揮其高性能的優(yōu)勢(shì)。

二、詳細(xì)技術(shù)分析

2.1 輸入處理

許多傳感器輸入信號(hào)的共模電壓與 LM98620 輸入電路的共模電壓不同，因此在應(yīng)用中常采用交流耦合來阻斷源與 AFE 輸入之間的直流電壓差。輸入鉗位電路用于將 AFE 輸入設(shè)置在合適的共模電壓上。

• 初始粗調(diào)鉗位：可使用 PIB（無源輸入偏置）和/或 AIB（有源輸入偏置）電路進(jìn)行初始粗調(diào)鉗位。設(shè)置 PIB 使能位可將 1 kΩ 上拉和下拉電阻連接到輸入，使其快速充電至 $V_{DDA} / 2$；設(shè)置 AIB 位可通過低阻抗開關(guān)將 VCLPEXT 參考電壓連接到輸入。但在正常操作期間，必須禁用 AIB 和 PIB。
• 圖像捕獲期間的黑電平鉗位：在圖像捕獲期間，通過低阻抗開關(guān)將輸入引腳連接到內(nèi)部參考電壓進(jìn)行黑電平鉗位。鉗位會(huì)定期開啟，以校正直流輸入電壓的任何下降，并最小化轉(zhuǎn)換誤差。鉗位開關(guān)會(huì)在輸入信號(hào)的“黑”部分開啟，此時(shí)輸入處于已知電壓電平。鉗位將輸入連接到約 1.65 V 的參考電平，也可在 VCLPEXT 引腳施加客戶提供的參考電壓。

2.2 增益和偏移控制

• 增益控制：PGA 提供 1x 到 10x 的增益范圍，分辨率為 8 位，增益曲線為 $Gain = 283 / (283 - M)$，其中 M 是 8 位增益設(shè)置值（0 到 255）。此外，CDS/SH 階段提供 1x 或 2x 的增益，使整體通道增益達(dá)到 1x 到 20x（0 dB 到 26 dB）。
• 偏移控制：在 ADC 之前提供模擬偏移校正，使用兩個(gè)偏移 DAC 提供粗調(diào)（CDAC）和細(xì)調(diào)（FDAC）偏移。偏移 CDAC 提供 ±280 mV 的范圍，分辨率為 ±4 位；偏移 FDAC 提供 ±110 mV（大 FDAC 范圍）或 ±59.5 mV（小 FDAC 范圍）的范圍，分辨率為 ±10 位。
• 黑電平校準(zhǔn)：可通過手動(dòng)或自動(dòng)兩種方法進(jìn)行黑電平校正。手動(dòng)方法適用于處理系統(tǒng)中所需的黑電平校正環(huán)在 LM98620 外部的情況，由外部處理器控制黑電平偏移寄存器；自動(dòng)方法則通過啟用黑電平偏移自動(dòng)校準(zhǔn)位，使用 CDAC 和 FDAC 來使輸出收斂到所需的黑電平目標(biāo)。
• 白電平校準(zhǔn)：白校準(zhǔn)環(huán)允許 LM98620 自動(dòng)設(shè)置增益，以達(dá)到所需的最大 ADC 輸出。通過數(shù)字輸入引腳或配置寄存器位啟動(dòng)循環(huán)，處理定義的白像素范圍內(nèi)的輸出數(shù)據(jù)。在處理過程中，執(zhí)行移動(dòng)窗口平均，并將窗口平均值與先前的峰值白值進(jìn)行比較，更新峰值白值。如果 AGC_ONB 輸入被脈沖觸發(fā)，白校準(zhǔn)環(huán)將在掃描開始時(shí)運(yùn)行固定數(shù)量的行。

2.3 功能模式

LM98620 有多種功能模式，不同模式下的輸入信號(hào)組合和處理方式有所不同。

• AFEPHASEn 與輸入信號(hào)的組合：在 SHP/SHD 輸入模式下，SHP 和 SHD 輸入分別與選定的 AFEPHASEn 信號(hào)進(jìn)行與運(yùn)算，生成內(nèi)部 CLAMP 和 SAMPLE 信號(hào)；在 SAMPLE 和 HOLD 輸入模式下，SAMPLE 和 HOLD 輸入生成的采樣控制脈沖由 AFEPHASEn 信號(hào)的低電平周期進(jìn)行門控，生成內(nèi)部使用的 SAMPLE 信號(hào)。
• 6 通道和 3 通道模式：在 6 通道模式下，每個(gè)傳感器像素周期有兩個(gè)完整的 ADCCLK 周期，允許兩個(gè) AFE 通道復(fù)用至單個(gè) ADC，有 4 種可能的 AFEPHASEn 時(shí)序；在 3 通道模式下，每個(gè)像素周期只有一個(gè) MCLK 和 ADCCLK 周期，因此只有 2 種 AFEPHASEn 選擇。
• 同步模式：LM98620 有三種主要的操作模式，在 6 通道模式使用 ADC 速率 MCLK 時(shí)，需要 CLPIN 輸入信號(hào)與 MCLK 結(jié)合，以確保內(nèi)部采樣相位與像素速率輸入信號(hào)同步。

2.4 編程與寄存器配置

編程對(duì)于 LM98620 的正常運(yùn)行至關(guān)重要，需要對(duì)多個(gè)寄存器進(jìn)行初始化和配置。

• 使用黑像素平均值：在大多數(shù)應(yīng)用中，應(yīng)設(shè)置黑像素平均值位。在白環(huán)操作期間，從 ADC_MAX 中減去黑像素平均值，得到當(dāng)前的白值，用于與目標(biāo)白像素值進(jìn)行比較。在啟動(dòng)白環(huán)之前，需要初始化多個(gè)寄存器，如 PK_DET_ST、PKDET_WID、AGCDuration、AGCTarget 等。
• 采樣時(shí)序控制：采樣時(shí)序通過內(nèi)部 AFEPHASEn 信號(hào)和編程的內(nèi)部采樣時(shí)序信號(hào)進(jìn)行控制，也可使用外部采樣時(shí)序信號(hào)。不同的輸入時(shí)序模式由寄存器 0x00、0x02、0x04 和 0x05 中的位進(jìn)行選擇。
• DLL 基于的采樣時(shí)序設(shè)置：內(nèi)部 DLL 設(shè)置確定內(nèi)部生成的采樣脈沖的位置，僅適用于 SH2b 時(shí)序模式。通過設(shè)置寄存器位選擇采樣模式，AFEPHASE 寄存器設(shè)置粗采樣時(shí)序框架，Sample Trailing Edge Position 寄存器設(shè)置采樣脈沖的結(jié)束位置。
• 外部采樣時(shí)序輸入：不同模式下，內(nèi)部采樣或鉗位和采樣時(shí)序信號(hào)的生成方式不同。在 SH1a 和 CDSa 模式下，由選定的 AFEPHASEn 信號(hào)生成；在 SH1b 和 CDSb 模式下，輸入信號(hào)由內(nèi)部 AFEPHASEn 信號(hào)進(jìn)行門控；在 SH2 模式下，SAMPLE 和 HOLD 時(shí)序信號(hào)直接輸入到 AFE 的采樣階段；在 SH3 模式下，SAMPLE 和 HOLD 時(shí)序信號(hào)不僅直接輸入到 AFE 的采樣階段，還用于設(shè)置后續(xù)階段的內(nèi)部 AFEPHASE 時(shí)序。
• LVDS 數(shù)據(jù)輸出：AFE 數(shù)據(jù)通過串行化的 LVDS 接口輸出，有多種串行化模式可供選擇，如 6 對(duì)模式可使用標(biāo)準(zhǔn)的 DS90CR218A 或 DS90CR364 解串器 IC，5 對(duì)模式可使用單個(gè) 5 通道解串器，可通過斷開未使用的數(shù)據(jù)對(duì)和 TXCLK 對(duì)來降低功耗和成本。
• 輸出數(shù)據(jù)測試模式：可生成四種基本類型的測試模式，包括固定模式、水平漸變模式、垂直漸變模式和晶格模式。通過設(shè)置多個(gè)寄存器，如 PK_DET_ST、PK_DET_WID、PATSW、PATMODE 等，可控制測試模式的輸出。
• 串行接口：串行控制接口基于常見的 Microwire 接口，有特定的時(shí)序細(xì)節(jié)。在設(shè)備上電并施加穩(wěn)定的 MCLK 后，必須將串行接口模式（寄存器 0x01，位 3）設(shè)置為 1 以進(jìn)行正常操作。串行寫和讀操作有各自的命令格式和時(shí)序要求。

三、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

3.1 應(yīng)用信息

白環(huán)提供二進(jìn)制搜索和增量搜索兩種收斂到目標(biāo)值的技術(shù)。二進(jìn)制搜索算法旨在快速收斂到目標(biāo)值，在初始操作期間允許通道增益有較大變化，后期切換到增量搜索模式以實(shí)現(xiàn)低誤差；增量或線性搜索算法旨在提供低誤差，但收斂速度較慢，通道增益的變化始終以 1 lsb 為增量，以實(shí)現(xiàn)低過沖和高收斂精度。

3.2 典型應(yīng)用設(shè)計(jì)

• 設(shè)計(jì)要求：所有電源供應(yīng)電壓應(yīng)來自干凈的線性穩(wěn)壓器輸出，避免使用開關(guān)電源。在 RxIN+/- 引腳附近放置 100 Ω 終端電阻。
• 詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟
  • 電源供應(yīng)：為模擬、數(shù)字和 LVDS 電源提供 3.3 V 電源，建議使用通用的 LDO 穩(wěn)壓器，并使用 EMI 濾波設(shè)備和專用去耦電容來隔離總線之間的噪聲。
  • 輸入時(shí)序信號(hào)：提供多種輸入時(shí)序信號(hào)，如 MCLK、CLPIN、BLKCLP、AGC_ONB、SHP/SAMPLE 和 SHD/HOLD 等，用于控制輸入鉗位、指示黑像素開始、啟動(dòng)白校準(zhǔn)等操作。
  • 通用邏輯輸入：可選的通用邏輯輸入可用于從成像板向數(shù)據(jù)處理模塊傳輸?shù)退贁?shù)字狀態(tài)信息。
  • CCD 信號(hào)：CCD 信號(hào)通過 0.1 uF 電容交流耦合到 AFE 輸入。
  • 串行控制接口：數(shù)據(jù)處理模塊通過串行控制接口與 LM98620 通信，包括 SENB、SCLK、SDI 和 SDO 等信號(hào)。
  • LVDS 數(shù)據(jù)連接：串行化的 LVDS 數(shù)據(jù)對(duì)連接到 FPGA 或 LVDS 解串器芯片。
  • 寄存器配置：根據(jù)需要調(diào)整和重新配置配置寄存器設(shè)置。

四、電源供應(yīng)與布局建議

4.1 電源供應(yīng)建議

OS 輸入在芯片未供電或剛上電時(shí)，通過 PMOS 器件鉗位到 VBSSAB，以防止傳感器電路的瞬態(tài)損壞。通過將高電平施加到 OVPB 輸入引腳并將 OVP 使能位設(shè)置為默認(rèn)狀態(tài) 0，可禁用保護(hù)鉗位電路。

4.2 布局指南

• 使用推薦的電源配置圖為設(shè)備供電。
• 在每個(gè)電源引腳旁邊放置去耦電容，并靠近接地平面。
• 使用多層電路板，以方便布線并提供低電感接地平面。
• 注意過孔電感，必要時(shí)增加過孔數(shù)量和/或直徑以降低電感。
• 在敏感節(jié)點(diǎn)下方使用接地平面“禁止區(qū)域”，以最小化寄生電容。

五、總結(jié)

LM98620 作為一款高性能的圖像信號(hào)處理器，憑借其豐富的功能、卓越的性能和靈活的配置選項(xiàng)，為數(shù)字彩色復(fù)印機(jī)、掃描儀及其他圖像處理應(yīng)用提供了強(qiáng)大的支持。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體需求合理選擇功能模式、進(jìn)行寄存器配置，并遵循電源供應(yīng)和布局建議，以確保設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和最佳性能。希望本文能為電子工程師們?cè)谠O(shè)計(jì)和應(yīng)用 LM98620 時(shí)提供有價(jià)值的參考。你在使用 LM98620 過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。