凭借着高的感光度和优良的画质,CCD(Charge Coupled Device)照相机有着广泛的应用。它可应用于光学成像卫星中,这种卫星通过使用多普段相机、红外相机、或可见光相机来对地面目标进行高精度的拍照。很久以前,光学成像卫星使用的是胶卷,并通过胶卷的回收来获得图像。而目前,光学成像卫星都使用CCD照相机来进行拍照,不仅分辨率高,还可以实时地进行图像的传输。CCD照相机的图像处理系统可分为四个模块:CCD图像传感器、CCD模拟前端、数字信号处理器、时钟驱动器。其中,CCD模拟前端处于模拟和数字的交界处,直接决定着拍照后照片的画面质量,因此是整个图像处理系统中至关重要的一个模块。此外,随着工艺的进步,CCD图像传感器的采样速率和采样精度越来越高,急需设计出一种高速高精度的模拟前端电路以配合着一起使用。而且为了大大降低图像处理系统的体积、功耗、重量,模拟前端电路的高集成度也是必不可少的,高集成度可使以前用板级电路才能实现的功能在模拟前端中就得以实现。目前,国外高性能CCD模拟前端芯片通常拥有12到14位的采样精度,40MHz以下的采样速率。相比之下,国内暂时没有生产出自己的CCD模拟前端芯片,同时又面临对华禁运。这使得高性能CCD模拟前端的研究变得非常紧迫并且极为重要。为此,国家划拨了大量资金启动了国家重大科技专项(高性能光学相机集成电子学),用于研发高性能的CCD模拟前端芯片。为了完成此重大专项,本论文设计了14位40MHz的CCD模拟前端芯片,从而与国外高性能产品的指标齐平。本文模拟前端芯片集成了8个模块:DC复原电路、CDS(Correlated Double Sampling)电路、VGA(Variable Gain Amplifier)电路、ADC(Analog to Digital Converter)电路、带隙基准电路、精确时钟产生器、水平驱动器、寄存器阵列。其中,DC复原电路用于把CCD信号的基准电压复位到1.5V。新的CDS与VGA一体化电路使得以前用两个电路才能实现的功能可以在一个电路中就得以实现,极大地降低了芯片的复杂性、面积、功耗。VGA增益范围是0到18dB,并可提供512种不同增益值,增益值与编程值之间满足线性关系。流水线ADC的数字输出编码是14bit二进制数,这个二进制数中最高位用于判断是否存在溢出,而低13位则是CCD信号的模数转换结果。带隙基准电路的新结构改善了基准电压的温度系数,并将产生的基准电压供给CDS、VGA、ADC电路使用。精确的时钟产生器用于把主时钟周期划分为48等份,从而以编程方式把关键时钟边沿精确地设置到所需的位置。水平驱动器用于产生水平时钟,以供给CCD图像传感器使用。寄存器阵列用于对整个模拟前端芯片进行编程,从而改变模拟前端中各模块的工作状态、时钟的上升下降沿位置、时钟驱动器的驱动强度、光学黑色电平钳位、VGA增益、数字输出信号的编码格式(二进制码/格雷码)等。基于SMIC 0.35μm 3.3V CMOS工艺,仿真结果表明,CDS与VGA一体化电路在0dB VGA增益时,SNR为102.49dB,ENOB为14.03bit。流水线ADC的SNR为78.94dB,ENOB为12.63bit。带隙基准电路的温度系数为12ppm/°C。性能均达到了系统要求。最后,流片测试结果表明,此CCD模拟前端芯片工作一切正常,并且芯片面积为2.89×3.48mm~2(含Pad)。在搭建了CCD照相机并进行拍照验证后,照片的PSNR(Peak Signal-to-Noise Ratio)为43dB。与国外高性能产品相比,本文在PSNR、采样精度、集成度方面具有一定优势。