一種高速EM CCD 圖像傳感器CCD97時序驅(qū)動電路的設(shè)計方法

　　這里還產(chǎn)生了一路控制行數(shù)據(jù)丟棄DG（ Dump Gate） 門控信號。該信號的擺幅同RΦ1, 2, 3。以上電路的連接均通過Mult isim 仿真， 仿真波形如圖8、圖9 所示。

圖8 IΦ , SΦ 仿真波形

圖9 R Φ仿真波形

　　2. 2. 2 RΦ2HV 高壓倍增驅(qū)動設(shè)計

　　RΦ2HV 的幅值決定著倍增倍數(shù)， 是EMCCD 的一項重要可調(diào)參數(shù)， 必須在指定范圍內(nèi)可調(diào)以滿足不同場合的應(yīng)用。在設(shè)計RΦ2HV 時， 由于其驅(qū)動電壓擺幅高， 現(xiàn)有的專用驅(qū)動芯片不能滿足其高壓驅(qū)動要求， 必須采用特殊方法實現(xiàn)。根據(jù)E2V 的文檔， RΦ2HV 的波形即可以是正弦波， 也可以是方波。如果為方波， 則其高電平要先于R Φ1 變高， 如果為正弦波， 則要求其波峰要在RΦ1 下降時到達(dá)。

　　如果采用方波脈沖， 因為RΦ2HV 為11 MHz, 根據(jù)計算， 其系統(tǒng)值將達(dá)2 W, CCD97 上的功耗也將達(dá)到1 W; 如果采用正弦波形式， 可使CCD97 上的功耗降到100 mW。在此， 采用正弦波方式產(chǎn)生RΦ2HV。

　　周期矩形脈沖信號用傅里葉級數(shù)展開后， 除了基波外， 只有奇次諧波， 在通過一個低通濾波器后， 便能轉(zhuǎn)化成正弦波。因為FPGA 只能產(chǎn)生T TL 時序， 這里通過先將T TL 的方波轉(zhuǎn)化成正弦波， 即可通過一個7 階的巴特沃斯濾波器， 將20 MHz 以后的高頻分量衰減， 保留基頻。在得到10 MHz 的正弦信號后， 通過第一級放大， 這里采用Natio nal Semiconducto r 公司生產(chǎn)的LM6172 來構(gòu)成。LM6172 為雙通道高速、低失真、低功耗的電壓反饋型放大器。通過將LM6172 的雙放大器組合起來形成雙端輸入/ 雙端輸出以增加帶負(fù)載能力。

圖10 RΦ2HV 驅(qū)動發(fā)生電路

　　在設(shè)計中， 把基本的放大參數(shù)預(yù)設(shè)為使輸入正弦信號放大到21 V, 這樣產(chǎn)生的雙端信號經(jīng)過一個初次級電阻， 比為1 ：4 的高頻變換器達(dá)到輸出高電平為45 V、低電平為4 V 的驅(qū)動脈沖， 供電電源為正負(fù)18 V的供電電源。為了使CCD97 的增益可通過軟件控制調(diào)節(jié)， 這里使用了MAXIN 公司生產(chǎn)的數(shù)字電位計MAX5429, 預(yù)設(shè)目標(biāo)是電壓在40~ 50 V 可調(diào)節(jié)。通過計算， 反饋電阻參數(shù)如圖10 所示。其中， MAX5429 為10 KB, 其有32 個可編程節(jié)點， 上電后自動設(shè)置為節(jié)點16。在硬件電路設(shè)計完畢時， 可通過ARM_RCS（ 片選信號） , ARM_RUD（ 節(jié)點控制信號） 來調(diào)節(jié)輸出電壓，如圖10 所示。這樣通過對ARM 的對應(yīng)I/ O 口編程就能實現(xiàn)對CCD97 的增益調(diào)節(jié)。但是因為這里選用了并聯(lián)法， 故調(diào)節(jié)時增益是非線性變化的。圖11 為正弦信號輸入（ 經(jīng)濾波器輸出） 經(jīng)LM6172 以及高頻變換器后輸出的仿真波形。

　　2. 2. 3 CCD97 外圍電路

　　CCD97 除了需要外部的各種高擺幅轉(zhuǎn)移脈沖， 還需要各種幅值的控制信號輸入。

　　在該系統(tǒng)中， 為了簡化設(shè)計， 固定ABD（ 抗曝光） ,ΦRL、ΦRH high（ 視頻信號復(fù)位端） , DG high （ 行丟棄控制信號） , DD（ 電源） , OD（ 輸出放大器電源開光） , RD（ 復(fù)位上電電源） 的值為典型值， 分別為18 V, 0 V,10 V, 18 V, 24 V, 28 V, 17 V。ΦRL, ΦRH 的典型脈沖寬度為10 ns, 這里仍然采用EL7457 來產(chǎn)生。信號OG為控制CCD97 輸出的門控信號， 它同時控制兩種模式的輸出， 而ODH, ODL 分別為控制CCD 模式和EMCCD模式放大器輸出的電源開關(guān)。系統(tǒng)要求ODH和ODL 可控， 在需要時關(guān)閉， 這樣就要求通過模擬的開關(guān)來控制ODH, ODL 的電壓是+ 28 V 還是接地。

　　這里采用ADI 公司的ADG453, 它的VDD到GND 端的輸入電壓可達(dá)32 V, 模擬輸入/ 輸出值為V DD+ 2 V, 達(dá)到這里控制ODH, ODL 的通斷要求（ 28 V ） 。其中CCD 和EMCCD 端口分別為該CCD 的視頻信號輸出。

　　其輸出需要外接5 k Ω 的負(fù)載。

圖11 RΦ2H V 的仿真波形

　　3 結(jié) 語

　　提出了一種新型的CCD 驅(qū)動電路， 不僅可以達(dá)到幾十兆赫茲的驅(qū)動頻率， 而且編程方便， 硬件電路簡單，根據(jù)用戶需求， 只要更換晶振或適當(dāng)修改程序就能實現(xiàn)特定目的， 具有很強的靈活性。通過仿真及實驗驗證，該方法切實可行， 性價比高， 不僅適用于CCD 驅(qū)動電路設(shè)計， 對于其他需要多種邏輯信號的場合也同樣適用。