基于高速多通道CCD預放電路的設計方案

然而，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，本文提出的的電路設計方案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。

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。

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3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