一種高速EM CCD 圖像傳感器CCD97時(shí)序驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)方法

EMCCD （ E lectr on Mult iply ing Charg e Co upledDevice） 是新一代高質(zhì)量微光成像器件。與傳統(tǒng)CCD（ Charg e Coupled Device） 相比， 它采用了片上電子增益技術(shù)， 利用片上增益寄存器使圖像信息在電子轉(zhuǎn)移過程中得到放大， 這使得它在很高的讀出速率下仍具有相對(duì)很低的讀出噪聲， 能在微光源下高分辨力成像。

　　EMCCD的這些特性使其在航天微光目標(biāo)探測(cè)、微光生命科學(xué)成像、軍用高性能夜視探測(cè)等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。EMCCD 驅(qū)動(dòng)電路是EMCCD 應(yīng)用的核心技術(shù)， 其性能直接影響到成像質(zhì)量。目前常用的時(shí)序產(chǎn)生方法有以下幾種：

　?。?1） 直接數(shù)字電路驅(qū)動(dòng)法。這種方法原理簡(jiǎn)單， 容易實(shí)現(xiàn)。但是邏輯設(shè)計(jì)較復(fù)雜， 調(diào)試非常困難， 而且在實(shí)際電路中因使用芯片較多， 為整個(gè)系統(tǒng)帶來不可靠性。

　?。?2） MCU 驅(qū)動(dòng)法。該方法是通過編程MCU 的I/ O端口來獲得CCD 驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)的。這種方法的靈活性好， 精度也可以很高， 對(duì)不同的CCD 器件只需要修改程序即可。由于CCD 的驅(qū)動(dòng)頻率為MHz 級(jí)， 使得選用MCU 器件的工作頻率必須很高（ 提高了硬件成本） , 同時(shí)因頻繁的中斷和任務(wù)調(diào)度使MCU 效率很低。

　?。?3） EPROM 驅(qū)動(dòng)法。這種驅(qū)動(dòng)電路一般由晶體震蕩器、計(jì)數(shù)電路和EPROM 存儲(chǔ)器構(gòu)成。這種驅(qū)動(dòng)時(shí)序產(chǎn)生方法， 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、明確， 調(diào)試容易， 缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)尺寸太大， 對(duì)于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)時(shí)序有較大困難。

　　（ 4） 專用IC 驅(qū)動(dòng)方法。這種方法就是利用CCD專用IC 來產(chǎn)生時(shí)序， 集成度高， 功能強(qiáng)， 使用方便。對(duì)攝像機(jī)等視頻領(lǐng)域應(yīng)用的CCD 或三元彩色CCD, 這種驅(qū)動(dòng)方法是首選。一般由相應(yīng)的CCD 廠家提供。

　　另一種更有效的方法就是使用CPLD, FPGA 等大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?shí)現(xiàn)。通過對(duì)該邏輯器件的編程，能實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜的時(shí)序邏輯， 且調(diào)試方便， 只使用一片集成電路以及少數(shù)外圍器件， 故可靠性高。本文即采用這種方法， 實(shí)現(xiàn)了CCD97 所需的12 路驅(qū)動(dòng)時(shí)序。

　　1 CCD97 簡(jiǎn)介

　　CCD97 是E2V 公司的背照式低照度CCD 圖像傳感器， 有效像素512 × 512, 像素大小16 μm × 16 μm, 它是幀轉(zhuǎn)移型CCD, 芯片采用反向輸出模式抑制暗電流，其靈敏度高， 噪聲控制方面精益求精， 由于采用新的輸出放大電路， 使它能在11 MHz 的像素讀出速率下， 以低于1 電子/ 像素的超低噪聲工作， 其量子效率高達(dá)92. 5%。它獲取圖像速度快， 具有正常CCD 和EMCCD雙讀出模式。在微光成像系統(tǒng)中更具有優(yōu)越性， 能實(shí)現(xiàn)真正意義上的24 h 實(shí)時(shí)監(jiān)控。

　　2 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

　　2. 1 CCD97 驅(qū)動(dòng)電路的要求

　　成像區(qū)向存儲(chǔ)區(qū)的轉(zhuǎn)移波形如圖1 所示。

圖1 成像區(qū)向存儲(chǔ)區(qū)的轉(zhuǎn)移波形

　　信號(hào)電荷在增益寄存器中的轉(zhuǎn)移波形如圖2 所示。

　　圖2 為信號(hào)電荷在增益寄存器中的轉(zhuǎn)移波形， 轉(zhuǎn)移脈沖RΦ2HV 的高電平必須先于RΦ1 和RΦ2 到達(dá)， 同時(shí)RΦ1 和RΦ2 需要交替變化。

圖2 增益寄存器信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移時(shí)序相位關(guān)系

　　幀轉(zhuǎn)移時(shí)序如下：

　　IΦ 與SΦ 為幀轉(zhuǎn)移脈沖， RΦ1, 2, 3 為行轉(zhuǎn)移脈沖。IΦ 與SΦ 的典型工作頻率為1 MHz, R Φ 的工作頻率為11 MHz。

　　在I 1, 2 和I 3, 4 反向時(shí)序下， 將成像區(qū)圖像信號(hào)逐行轉(zhuǎn)移至存儲(chǔ)區(qū)。需要轉(zhuǎn)移的行數(shù)為512+ 8+ 8= 528。

　　行轉(zhuǎn)移時(shí)序圖：

　　與幀轉(zhuǎn)移結(jié)束， 在轉(zhuǎn)移時(shí)序R 1, 2, 3 以及R HV的時(shí)序作用下， 存儲(chǔ)區(qū)的圖像以行為單位進(jìn)行轉(zhuǎn)移， 逐像素通過移位寄存器組， 然后從讀出放大器讀出（ EMCCD讀出模式） , 其操作時(shí)序如圖3 所示。

圖3行轉(zhuǎn)移時(shí)序圖

　　CCD97 所需的電壓和波形如表1所示。

表1 CCD97 時(shí)序信號(hào)的電壓需求

　　由CPLD, FPGA 等可編程器件發(fā)生的時(shí)序邏輯冒充為TT L 型， 要想它能驅(qū)動(dòng)CCD97 工作， 必須按照表1進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

　　2. 2驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)：

　　該系統(tǒng)選用的FPGA 芯片為Altera 公司Cyclone系列的FPGAEP1C3T 100, 其有100 個(gè)管腳封裝， I/ O的電源為3. 3 V , 內(nèi)核電壓為1. 5 V, 有1 個(gè)鎖相環(huán)（ PLL） , 2 個(gè)專用全局時(shí)鐘輸入管腳CLK0、CLK1, 5 個(gè)雙重用途時(shí)鐘管腳DPCLK。EP1C3T100 是SRAM 型的可編程邏輯器件， 本身并不能固化程序， 因此需要通過一片F(xiàn)LASH 結(jié)構(gòu)的配置芯片來存儲(chǔ)邏輯配置信息。

　　從Altera 公司提供的數(shù)據(jù)手冊(cè)， 可知Cy clo ne 系列的FPGA 僅支持EPCS1, EPCS4 以及EPCS16。而選用的EP1C3T 100 中， 其原始二進(jìn)制文件大小為627 376 b, 使用EPCS1（ 1 048 576 b） 的配置芯片。使用EPCS 配置芯片在主動(dòng)串行模式（ A S） 下（ MSEL[ 0. . 1] 置地） , 即可實(shí)現(xiàn)上電后， 將存儲(chǔ)器件中的數(shù)據(jù)傳送到EP1C3T100 中。系統(tǒng)通過ARM 加載驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)FPGA 的配置， 驅(qū)動(dòng)FPGA 產(chǎn)生CCD 的工作時(shí)序。本系統(tǒng)選用Atmel 公司的AT 91RM9200 的處理器。它是基于ARM920T 內(nèi)核， 主頻為180 MHz, 運(yùn)行性能可達(dá)200 MIPS, 擁有獨(dú)立的16 KB 指令和數(shù)據(jù)Cache, 并配備有16 KB 的SRAM 以及128 KB的ROM。

　　EP1C3T 100 芯片內(nèi)含1 個(gè)PLL, 外接40 MHz 有源晶振為PLL 提供時(shí)鐘。時(shí)鐘模塊通過Quartus 的megafunct ions 下的altpll 配置生成。采用非補(bǔ)償模式， 輸入/ 輸出時(shí)鐘比為5 ：1, 輸出的2 路時(shí)鐘c0, c1 均為200 MHz。其中c0 為clk_gen 模塊提供基礎(chǔ)時(shí)鐘。

　　同時(shí)c1 產(chǎn)生相位需要調(diào)整的RΦ2HV, 用以滿足CCD97 增益寄存器轉(zhuǎn)移過程中的嚴(yán)格時(shí)序要求。

　　在FPGA 時(shí)序發(fā)生設(shè)計(jì)中， 依照CCD97 工作的流程， 進(jìn)行逆序設(shè)計(jì)。從最高頻率的像素移位讀出時(shí)鐘到行轉(zhuǎn)移時(shí)鐘最后到幀轉(zhuǎn)移這樣的流程進(jìn)行設(shè)計(jì)?？驁D如圖4 所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)時(shí)序設(shè)計(jì)框圖