基于EMCCD的驅動(dòng)電路設計

2．2．2 Rφ2HV高壓倍增驅動(dòng)設計
Rφ2HV的幅值決定著(zhù)倍增倍數，是EMCCD的一項重要可調參數，必須在指定范圍內可調以滿(mǎn)足不同場(chǎng)合的應用。在設計Rφ2HV時(shí)，由于其驅動(dòng)電壓擺幅高，現有的專(zhuān)用驅動(dòng)芯片不能滿(mǎn)足其高壓驅動(dòng)要求，必須采用特殊方法實(shí)現。根據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。
如果采用方波脈沖，因為Rφ2HV為11 MHz，根據計算，其系統值將達2 W，CCD97上的功耗也將達到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展開(kāi)后，除了基波外，只有奇次諧波，在通過(guò)一個(gè)低通濾波器后，便能轉化成正弦波。因為FPGA只能產(chǎn)生TTL時(shí)序，這里通過(guò)先將TTL的方波轉化成正弦波，即可通過(guò)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的正弦信號后，通過(guò)第一級放大，這里采用National Semiconductor公司生產(chǎn)的LM6172來(lái)構成。LM6172為雙通道高速、低失真、低功耗的電壓反饋型放大器。通過(guò)將LM6172的雙放大器組合起來(lái)形成雙端輸入／雙端輸出以增加帶負載能力。
在設計中，把基本的放大參數預設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(guò)一個(gè)初次級電阻，比為1：4的高頻變換器達到輸出高電平為45 V、低電平為4 V的驅動(dòng)脈沖，供電電源為正負18 V的供電電源。為了使CCD97的增益可通過(guò)軟件控制調節，這里使用了MAXIN公司生產(chǎn)的數字電位計MAX5429，預設目標是電壓在40～50 V可調節。通過(guò)計算，反饋電阻參數如圖10所示。其中，MAX5429為10 KB，其有32個(gè)可編程節點(diǎn)，上電后自動(dòng)設置為節點(diǎn)16。在硬件電路設計完畢時(shí)，可通過(guò)ARM_RCS(片選信號)，ARM_RUD(節點(diǎn)控制信號)來(lái)調節輸出電壓，如圖10所示。這樣通過(guò)對ARM的對應I／O口編程就能實(shí)現對CCD97的增益調節。但是因為這里選用了并聯(lián)法，故調節時(shí)增益是非線(xiàn)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移脈沖，還需要各種幅值的控制信號輸入。
在該系統中，為了簡(jiǎn)化設計，固定ABD(抗曝光)，φRL、φRH high(視頻信號復位端)，DG high(行丟棄控制信號)，DD(電源)，OD(輸出放大器電源開(kāi)光)，RD(復位上電電源)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(lái)產(chǎn)生。信號OG為控制CCD97輸出的門(mén)控信號，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(kāi)關(guān)。系統要求ODH和ODL可控，在需要時(shí)關(guān)閉，這樣就要求通過(guò)模擬的開(kāi)關(guān)來(lái)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32 V，模擬輸入／輸出值為VDD+2 V，達到這里控制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 kΩ的負載。

3 結語(yǔ)
提出了一種新型的CCD驅動(dòng)電路，不僅可以達到幾十兆赫茲的驅動(dòng)頻率，而且編程方便，硬件電路簡(jiǎn)單，根據用戶(hù)需求，只要更換晶振或適當修改程序就能實(shí)現特定目的，具有很強的靈活性。通過(guò)仿真及實(shí)驗驗證，該方法切實(shí)可行，性?xún)r(jià)比高，不僅適用于CCD驅動(dòng)電路設計，對于其他需要多種邏輯信號的場(chǎng)合也同樣適用。