高速多通道CCD預放電路設計

摘要：高速成像應用中，CCD的輸出通道數(shù)較多，且每個通道的速度也很高。多通道輸出需要多個放大器對信號進行放大。當放大器數(shù)量較多時，電路板布局時很難使放大器靠近CCD放置。較長的電路板走線產生的寄生電容和CCD輸出電阻形成的低通電路嚴重限制了帶寬。因此，在電路設計時采用了高頻補償方法解決了帶寬限制的問題。在電路板設計時采用去除運算放大器反饋端地平面的方法避免了放大電路自激振蕩。
關鍵詞：高速CCD；預放電路；寄生電容；高頻補償

0 引言
電荷耦合器件(CCD)具有低噪聲、寬動態(tài)范圍、高速以及線性響應等優(yōu)點。在高速成像應用中，CCD必須具有多通道輸出的能力。通過多通道并行輸出提高成像系統(tǒng)的速度。每個通道的速度也要保持較高的速度，通常每個通道的工作速度能達到25～40 MHz。CCD的輸出電阻并不是很小，一般情況下其輸出電阻可以達到300 Ω左右。因此需要預放電路進行阻抗變換，使輸出電阻變小。且要使預放電路盡可能靠近CCD。因為如果預放電路和CCD有一定距離時，電路板走線會存在一定的寄生電容。該寄生電容和CCD輸出電阻形成一階低通電路，從而限制電路的帶寬。然而，CCD多通道輸出需要多個放大器對信號進行放大。當放大器數(shù)量較多時，電路板布局時就沒有足夠的空間使放大器靠近CCD放置。放大器不能靠近CCD放置，走線寄生電容就會限制帶寬。所以只能通過高頻補償技術來擴展帶寬。需要注意到是，高頻補償時一定不要導致放大器工作不穩(wěn)定。此外高速運算放大器設計不當也極易產生自激振蕩。因此，通過電路板設計中去除運算放大器反饋端地平面的方法避免自激振蕩。

1 多通道CCD預放電路設計
多通道CCD預放電路中各個通道應該是完全一致的，這可以保證各個通道導致的成像結果具有一致性。因此，下面設計討論一個通道的設計，其他通道采用完全相同的設計即可。首先對CCD輸出電阻和電路板走線進行分析，如圖1所示。CCD輸出可以等效為電壓源y和串聯(lián)等效電阻Rc。走線可以直接用寄生電容Cp來表示。那么由于電阻和電容構成了低通電路，因此會限制帶寬。式(1)給出其傳遞函數(shù)。

可見存在一個極點s=-1／RgCp，即系統(tǒng)在大于該極點對應頻率后，響應會按照每十倍頻程20 dB下降。

為了不讓該極點限制帶寬，必須使用零點來抵消這一極點。實現(xiàn)這一功能的電路如圖2所示。該電路的傳遞函數(shù)由式(2)給出。該電路引入了一個零點s=-1／(Rg+Rf)Cg。所以只有讓該零點等于上述極點即可實現(xiàn)高頻補償。即滿足式(3)即可。該電路在引入零點的同時也引入了一個極點s=-1／RgCg，所以需要使該極點頻率盡可能高，也即Rg的值要足夠大。

反饋網絡的傳遞函數(shù)由式(4)給出：

電路中的反饋網絡并不會使放大器不穩(wěn)定。因為反饋網絡有一個極點，使得相位會產生延遲，但是反饋網絡的零點則使相位產生超前。因此反饋網絡使得相位先產生一定的延遲，然后在高頻處回到了零相位。這樣不會對放大器產生穩(wěn)定性問題。