EMCCD图像传感器CCD97时序驱动电路的设计2

　　它的驱动频率为11 MHz, 输出的上升时间不需要串接电阻调节， 可达10 ns。同理， FPGA_CLKR1, FPΦGA_CLKR2, FPGA_CLKR3 为FPGA 产生的10 MHz的驱动时序， ARM _ROE 为ARM 产生的门控信号。

　　这里还产生了一路控制行数据丢弃DG( Dump Gate) 门控信号。该信号的摆幅同RΦ1, 2, 3。以上电路的连接均通过Mult isim 仿真， 仿真波形如图8、图9 所示。

　　图8 IΦ , SΦ 仿真波形

　　图9 R Φ仿真波形

　　2. 2. 2 RΦ2HV 高压倍增驱动设计

　　RΦ2HV 的幅值决定着倍增倍数， 是EMCCD 的一项重要可调参数， 必须在指定范围内可调以满足不同场合的应用。在设计RΦ2HV 时， 由于其驱动电压摆幅高，现有的专用驱动芯片不能满足其高压驱动要求， 必须采用特殊方法实现。根据E2V 的文档， RΦ2HV 的波形即可以是正弦波， 也可以是方波。如果为方波， 则其高电平要先于R Φ1 变高， 如果为正弦波， 则要求其波峰要在RΦ1 下降时到达。

　　如果采用方波脉冲， 因为RΦ2HV 为11 MHz, 根据计算， 其系统值将达2 W, CCD97 上的功耗也将达到1 W; 如果采用正弦波形式， 可使CCD97 上的功耗降到100 mW。在此， 采用正弦波方式产生RΦ2HV。

　　周期矩形脉冲信号用傅里叶级数展开后， 除了基波外， 只有奇次谐波， 在通过一个低通滤波器后， 便能转化成正弦波。因为FPGA 只能产生T TL 时序， 这里通过先将T TL 的方波转化成正弦波， 即可通过一个7 阶的巴特沃斯滤波器， 将20 MHz 以后的高频分量衰减， 保留基频。在得到10 MHz 的正弦信号后， 通过第一级放大， 这里采用Natio nal Semiconducto r 公司生产的LM6172 来构成。LM6172 为双通道高速、低失真、低功耗的电压反馈型放大器。通过将LM6172 的双放大器组合起来形成双端输入/ 双端输出以增加带负载能力。

　　图10 RΦ2HV 驱动发生电路

　　在设计中， 把基本的放大参数预设为使输入正弦信号放大到21 V, 这样产生的双端信号经过一个初次级电阻， 比为1 ：4 的高频变换器达到输出高电平为45 V、低电平为4 V 的驱动脉冲， 供电电源为正负18 V的供电电源。为了使CCD97 的增益可通过软件控制调节， 这里使用了MAXIN 公司生产的数字电位计MAX5429, 预设目标是电压在40~ 50 V 可调节。通过计算， 反馈电阻参数如图10 所示。其中， MAX5429 为10 KB, 其有32 个可编程节点， 上电后自动设置为节点16。在硬件电路设计完毕时， 可通过ARM_RCS( 片选信号) , ARM_RUD( 节点控制信号) 来调节输出电压，如图10 所示。这样通过对ARM 的对应I/ O 口编程就能实现对CCD97 的增益调节。但是因为这里选用了并联法， 故调节时增益是非线性变化的。图11 为正弦信号输入( 经滤波器输出) 经LM6172 以及高频变换器后输出的仿真波形。

　　2. 2. 3 CCD97 外围电路

　　CCD97 除了需要外部的各种高摆幅转移脉冲， 还需要各种幅值的控制信号输入。

　　在该系统中， 为了简化设计， 固定ABD( 抗曝光) ,ΦRL、ΦRH high( 视频信号复位端) , DG high ( 行丢弃控制信号) , DD( 电源) , OD( 输出放大器电源开光) , RD( 复位上电电源) 的值为典型值， 分别为18 V, 0 V,10 V, 18 V, 24 V, 28 V, 17 V。ΦRL, ΦRH 的典型脉冲宽度为10 ns, 这里仍然采用EL7457 来产生。信号OG为控制CCD97 输出的门控信号， 它同时控制两种模式的输出， 而ODH, ODL 分别为控制CCD 模式和EMCCD模式放大器输出的电源开关。系统要求ODH和ODL 可控， 在需要时关闭， 这样就要求通过模拟的开关来控制ODH, ODL 的电压是+ 28 V 还是接地。

　　这里采用ADI 公司的ADG453, 它的VDD到GND 端的输入电压可达32 V, 模拟输入/ 输出值为V DD+ 2 V, 达到这里控制ODH, ODL 的通断要求( 28 V ) 。其中CCD 和EMCCD 端口分别为该CCD 的视频信号输出。

　　其输出需要外接5 k Ω 的负载。

　　图11 RΦ2H V 的仿真波形

　　3 结 语

　　提出了一种新型的CCD 驱动电路， 不仅可以达到几十兆赫兹的驱动频率， 而且编程方便， 硬件电路简单，根据用户需求， 只要更换晶振或适当修改程序就能实现特定目的， 具有很强的灵活性。通过仿真及实验验证，该方法切实可行， 性价比高， 不仅适用于CCD 驱动电路设计， 对于其他需要多种逻辑信号的场合也同样适用。