基于EMCCD的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

2．2．2 Rφ2HV高壓倍增驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
Rφ2HV的幅值決定著倍增倍數(shù)，是EMCCD的一項(xiàng)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(chǎng)合的應(yīng)用。在設(shè)計(jì)Rφ2HV時(shí)，由于其驅(qū)動(dòng)電壓擺幅高，現(xiàn)有的專用驅(qū)動(dòng)芯片不能滿足其高壓驅(qū)動(dòng)要求，必須采用特殊方法實(shí)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Rφ1變高，如果為正弦波，則要求其波峰要在Rφ1下降時(shí)到達(dá)。
如果采用方波脈沖，因?yàn)镽φ2HV為11 MHz，根據(jù)計(jì)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(hào)用傅里葉級(jí)數(shù)展開后，除了基波外，只有奇次諧波，在通過一個(gè)低通濾波器后，便能轉(zhuǎn)化成正弦波。因?yàn)镕PGA只能產(chǎn)生TTL時(shí)序，這里通過先將TTL的方波轉(zhuǎn)化成正弦波，即可通過一個(gè)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(hào)后，通過第一級(jí)放大，這里采用National Semiconductor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。
在設(shè)計(jì)中，把基本的放大參數(shù)預(yù)設(shè)為使輸入正弦信號(hào)放大到21 V，這樣產(chǎn)生的雙端信號(hào)經(jīng)過一個(gè)初次級(jí)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(dòng)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(jì)MAX5429，預(yù)設(shè)目標(biāo)是電壓在40～50 V可調(diào)節(jié)。通過計(jì)算，反饋電阻參數(shù)如圖10所示。其中，MAX5429為10 KB，其有32個(gè)可編程節(jié)點(diǎn)，上電后自動(dòng)設(shè)置為節(jié)點(diǎn)16。在硬件電路設(shè)計(jì)完畢時(shí)，可通過ARM_RCS(片選信號(hào))，ARM_RUD(節(jié)點(diǎn)控制信號(hào))來調(diào)節(jié)輸出電壓，如圖10所示。這樣通過對(duì)ARM的對(duì)應(yīng)I／O口編程就能實(shí)現(xiàn)對(duì)CCD97的增益調(diào)節(jié)。但是因?yàn)檫@里選用了并聯(lián)法，故調(diào)節(jié)時(shí)增益是非線性變化的。圖11為正弦信號(hào)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(hào)輸入。
在該系統(tǒng)中，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，固定ABD(抗曝光)，φRL、φRH high(視頻信號(hào)復(fù)位端)，DG high(行丟棄控制信號(hào))，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10ns，這里仍然采用EL7457來產(chǎn)生。信號(hào)OG為控制CCD97輸出的門控信號(hào)，它同時(shí)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(shí)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VDD+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(hào)輸出。其輸出需要外接5 kΩ的負(fù)載。

3 結(jié)語(yǔ)
提出了一種新型的CCD驅(qū)動(dòng)電路，不僅可以達(dá)到幾十兆赫茲的驅(qū)動(dòng)頻率，而且編程方便，硬件電路簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)特定目的，具有很強(qiáng)的靈活性。通過仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方法切實(shí)可行，性價(jià)比高，不僅適用于CCD驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，對(duì)于其他需要多種邏輯信號(hào)的場(chǎng)合也同樣適用。