高速多通道CCD預放電路設計

摘要：高速成像應用中，CCD的輸出通道數較多，且每個(gè)通道的速度也很高。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)很難使放大器靠近CCD放置。較長(cháng)的電路板走線(xiàn)產(chǎn)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(shí)采用了高頻補償方法解決了帶寬限制的問(wèn)題。在電路板設計時(shí)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(guān)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(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25～40 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(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y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20 dB下降。

為了不讓該極點(diǎn)限制帶寬，必須使用零點(diǎn)來(lái)抵消這一極點(diǎn)。實(shí)現這一功能的電路如圖2所示。該電路的傳遞函數由式(2)給出。該電路引入了一個(gè)零點(diǎn)s=-1／(Rg+Rf)Cg。所以只有讓該零點(diǎn)等于上述極點(diǎn)即可實(shí)現高頻補償。即滿(mǎn)足式(3)即可。該電路在引入零點(diǎn)的同時(shí)也引入了一個(gè)極點(diǎn)s=-1／RgCg，所以需要使該極點(diǎn)頻率盡可能高，也即Rg的值要足夠大。

反饋網(wǎng)絡(luò )的傳遞函數由式(4)給出：

電路中的反饋網(wǎng)絡(luò )并不會(huì )使放大器不穩定。因為反饋網(wǎng)絡(luò )有一個(gè)極點(diǎn)，使得相位會(huì )產(chǎn)生延遲，但是反饋網(wǎng)絡(luò )的零點(diǎn)則使相位產(chǎn)生超前。因此反饋網(wǎng)絡(luò )使得相位先產(chǎn)生一定的延遲，然后在高頻處回到了零相位。這樣不會(huì )對放大器產(chǎn)生穩定性問(wèn)題。