基于高速多通道CCD預放電路的電源設計方案

　　電荷耦合器件(CCD)具有低噪聲、寬動(dòng)態(tài)范圍、高速以及線(xiàn)性響應等優(yōu)點(diǎn)。在高速成像應用中，CCD必須具有多通道輸出的能力。通過(guò)多通道并行輸出提高成像系統的速度。每個(gè)通道的速度也要保持較高的速度，通常每個(gè)通道的工作速度能達到25~40MHz.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(jìn)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(shí)，電路板走線(xiàn)會(huì )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(gè)放大器對信號進(jìn)行放大。當放大器數量較多時(shí)，電路板布局時(shí)就沒(méi)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(xiàn)寄生電容就會(huì )限制帶寬。所以只能通過(guò)高頻補償技術(shù)來(lái)擴展帶寬。需要注意到是，高頻補償時(shí)一定不要導致放大器工作不穩定。此外高速運算放大器設計不當也極易產(chǎn)生自激振蕩。因此，通過(guò)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(gè)通道應該是完全一致的，這可以保證各個(gè)通道導致的成像結果具有一致性。

　　因此，下面設計討論一個(gè)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(xiàn)進(jìn)行分析，如圖1所示。CCD輸出可以等效為電壓源V 和串聯(lián)等效電阻Rc .走線(xiàn)可以直接用寄生電容Cp 來(lái)表示。那么由于電阻和電容構成了低通電路，因此會(huì )限制帶寬。式(1)給出其傳遞函數。

　　可見(jiàn)存在一個(gè)極點(diǎn)s = -1/RgCp ,即系統在大于該極點(diǎn)對應頻率后，響應會(huì )按照每十倍頻程20dB下降。

　　2 CCD預放電路的電路板設計

　　高速運算放大器的電路板設計是電路實(shí)現的一個(gè)非常重要的部分。即使電路原理設計的再好，隨意的電路板設計也會(huì )使電路達不到要求甚至產(chǎn)生問(wèn)題。其中，高速運算放大器的穩定性會(huì )受到電路板設計的重要影響。電路板對電路性能的影響產(chǎn)生的主要原因是電路板的寄生參數問(wèn)題。例如一個(gè)運算放大器在電路實(shí)現后的等效電路如圖2所示。

　　運算放大器的反相端對地電容對放大器的穩定性具有較大的影響。因為反相端的對地電容和反饋電阻Rf 在反饋通路上形成了一個(gè)額外的極點(diǎn)，該極點(diǎn)使得相位延遲。相位延遲會(huì )使得在高頻時(shí)，負反饋變成了正反饋，從而導致自激振蕩。解決這一問(wèn)題的方法就是把這一寄生電容去除。在具體電路板實(shí)現時(shí)，就是把反饋端下面的地平面去除。一個(gè)雙通道的運算放大器布局布線(xiàn)圖如圖4所示。該放大器為DIP8封裝，其中2腳和6腳為兩個(gè)通道的反饋端。所以2腳和6腳下面的地平面要去除。而反饋電阻焊盤(pán)下面的地平面同樣也要去除。這樣反饋通道中的寄生電容就降到了最低，可以保證放大器的穩定工作。此外，放大器穩定工作和低噪聲工作的前提是電源要合理去耦。圖2中正負電源的去耦電容都盡可能近地靠近相應電源管腳放置。這樣可以有效地降低去耦電路的等效電感，在較寬的頻帶內提供足夠的去耦。

　　3 實(shí)驗結果

　　為了驗證設計，對設計的電路利用LTspice軟件進(jìn)行了電路仿真。CCD輸出等效電阻Rc 為300Ω。走線(xiàn)寄生電容Cp 為20 pF.其3 dB 帶寬只有26.5 MHz,其幅頻響應和相頻響應曲線(xiàn)如圖5所示。預放電路的帶寬應該為CCD 像素轉移頻率的4~5倍。因此如果像素時(shí)鐘頻率達到25 MHz,那么寄生電容就嚴重限制了電路帶寬。所以需要進(jìn)行高頻補償來(lái)展寬帶寬。這里Rf取值為1 kΩ，Rg 取值為0.28kΩ，Cg取值為4.7pF，這時(shí)就能滿(mǎn)足式要求。

　　圖3所示為補償后的頻率響應，可見(jiàn)帶寬擴展已經(jīng)超過(guò)了100MHz。

　　4 結論

　　本文所提出的高速多通道CCD預放電路設計方案，對于預放電路中存在的預放電路不能足夠靠近CCD的問(wèn)題以及高速運算放大器存在容易自激振蕩的問(wèn)題。方案針對上述兩個(gè)問(wèn)題，從電路原理和電路板設計的角度進(jìn)行了高速多通道CCD預放電路分析和設計。本方案從電路原理設計中應用高頻補償技術(shù)，有效地解決了帶寬限制問(wèn)題。通過(guò)電路板設計中去除運算放大器反饋端地平面的方法有效地避免了自激振蕩。因此，該設計方案可以有效地應用在高速多通道CCD成像電路中。