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        高頻非對(duì)稱(chēng)EMCCD增益驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

        2015-12-02 21:20:58賴(lài)積斌任國(guó)強(qiáng)王明富廖育富
        現(xiàn)代電子技術(shù) 2015年22期

        賴(lài)積斌++任國(guó)強(qiáng)+王明富++廖育富

        摘 要: 自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展,對(duì)波前傳感器中的電子倍增CCD的工作頻率提出了更高的要求;而目前所設(shè)計(jì)的電子倍增CCD增益驅(qū)動(dòng)電路工作頻率普遍不高,且穩(wěn)定性不好,驅(qū)動(dòng)波形變形嚴(yán)重。針對(duì)E2V公司的產(chǎn)品CCD220對(duì)增益驅(qū)動(dòng)電路的要求,將傳統(tǒng)圖騰柱法的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)改為非對(duì)稱(chēng),設(shè)計(jì)了一種頻率高達(dá)40 MHz,且波形穩(wěn)定性較好的方波增益驅(qū)動(dòng)電路。利用Cadence對(duì)電路進(jìn)行了PSpice仿真,證明了設(shè)計(jì)的可行性。

        關(guān)鍵詞: 電子倍增CCD; 工作頻率; 波形穩(wěn)定性; CCD220; 非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)

        中圖分類(lèi)號(hào): TN710?34; TP391.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 1004?373X(2015)22?0111?04

        0 引 言

        20世紀(jì)50年代,為了解決動(dòng)態(tài)像差擾動(dòng)問(wèn)題,提出了自適應(yīng)光學(xué)的概念,指出利用測(cè)量和矯正的方法克服這種動(dòng)態(tài)擾動(dòng)像差的設(shè)想。

        一般的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)[1]中包括三個(gè)基本組成部分:波前傳感器,波前控制器和波前矯正器。波前傳感器是自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的重要組成部分,系統(tǒng)的控制信號(hào)的產(chǎn)生以及對(duì)波前畸變的實(shí)時(shí)矯正,都要依賴(lài)于波前傳感器。波前傳感器主要由微透鏡陣列和CCD兩部分構(gòu)成。在各種電荷耦合器件(Charge Couple Device,CCD)中,近年來(lái)又發(fā)展出一種電子倍增電荷耦合器件(Electronic Multiplying CCD,EMCCD)應(yīng)用于波前傳感器。其噪聲小、速度快和使信號(hào)倍增的特點(diǎn)能讓波前傳感器在微弱光下也能很好的工作。而要想使EMCCD有效工作,其增益驅(qū)動(dòng)電路是重中之重。

        增益驅(qū)動(dòng)電路有兩種實(shí)現(xiàn)方法:方波法和正弦波法。因?yàn)榉讲ǚㄒ讓?shí)現(xiàn)且時(shí)序編程可調(diào),受噪聲影響小等優(yōu)點(diǎn)而應(yīng)用普遍。但是目前方波法增益驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)其允許的工作頻率不夠高,只能達(dá)到20 MHz左右,且波形變形嚴(yán)重,無(wú)法很好的滿(mǎn)足今后對(duì)增益驅(qū)動(dòng)信號(hào)高頻率高穩(wěn)定性的需求,為此需要對(duì)更高頻率的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

        1 EMCCD原理及CCD220特性

        EMCCD成像器件結(jié)構(gòu)是由圖1所示[2]組成的:產(chǎn)生信號(hào)電荷的成像區(qū),存儲(chǔ)電荷的存儲(chǔ)區(qū),以及接收電荷的輸出寄存器,再?gòu)妮敵黾拇嫫鬓D(zhuǎn)移到獨(dú)立的倍增寄存器,以及在倍增寄存器元件中通過(guò)高壓電場(chǎng)轉(zhuǎn)移電荷時(shí)獲得倍增的方法和倍增寄存器后的讀出放大電路。

        如圖2所示,倍增寄存器中信號(hào)電荷的倍增[3]是因?yàn)樵诟邏弘妶?chǎng)的作用下,被加速成為“熱載流子”,然后在受控電極之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移時(shí)發(fā)生碰撞電離,得到了更多的載流子。每次轉(zhuǎn)移的電荷倍增值很低,一般為1%,但由于實(shí)際要求有多次轉(zhuǎn)移,所以信號(hào)的總增益比較大。

        實(shí)現(xiàn)倍增所需的高壓電場(chǎng)是在倍增寄存器中由相鄰電極間大電位差形成的[4]。Ф2加上40~50 V的高幅值時(shí)鐘脈沖,而Фdc保持低直流偏壓,一般取作4 V。其余兩個(gè)電極都有典型幅值為10 V的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖。Ф2的高電平與直流偏壓之間的電位差決定了高壓電場(chǎng)的強(qiáng)度,從而調(diào)控倍增因子。為了調(diào)整倍增因子,可以調(diào)節(jié)高幅值脈沖的高電平或直流偏壓。但一般而言,由于Фdc的值不能過(guò)小以免過(guò)剩電荷溢出,因此為了調(diào)整倍增因子,可以調(diào)節(jié)高幅值脈沖的高電平。

        CCD220特性:通過(guò)查詢(xún)CCD220的datasheet可知,增益驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率至少要達(dá)到13.6 MHz,可以提高到15 MHz或更高;高壓電源最低20 V,平均45 V,最高50 V;低壓電源最低-2 V,平均4 V,最高5 V;方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)的上升沿和下降沿時(shí)間要低于25 ns;方波時(shí)序要求如圖3所示,RФ2HV要在RФ1變成低電平之前達(dá)到高電平;由電壓與增益倍數(shù)的關(guān)系可知,要想在放大倍數(shù)為1 000時(shí),保持倍數(shù)波動(dòng)在5%以?xún)?nèi),則增益電壓需要穩(wěn)定在正負(fù)30 mV以?xún)?nèi);倍增寄存器是容性負(fù)載,電容為107 pF,輸入電阻為5 Ω。

        2 增益驅(qū)動(dòng)電路

        傳統(tǒng)的方波驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)是用圖騰柱法[5],采用具有參數(shù)對(duì)稱(chēng)的MOS管[6]。如圖4所示,其原理為輸入時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)MOS管,當(dāng)輸入時(shí)鐘信號(hào)由高變低時(shí),MOS管柵源電壓變低,使得PMOS管導(dǎo)通,NMOS管截止,輸出高電壓[7]VH+;當(dāng)輸入時(shí)鐘信號(hào)由低變高時(shí),MOS管柵源電壓變高,使得NMOS管導(dǎo)通,PMOS管截止,輸出低電壓[8]VL-;NMOS管和PMOS管這樣交替導(dǎo)通,使得輸出信號(hào)類(lèi)似方波一樣高低變化,以驅(qū)動(dòng)EMCCD倍增寄存器實(shí)現(xiàn)電子倍增的功能。

        圖4是所查文獻(xiàn)中利用對(duì)稱(chēng)管TP2104和TN2106設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路[9],及其輸出波形??梢钥闯鲈?0 MHz時(shí),所得波形不好,抖動(dòng)非常厲害。

        通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),影響驅(qū)動(dòng)電路工作頻率的因素在于MOS管的參數(shù)及其外圍電路的設(shè)計(jì)。MOS的參數(shù)需要考慮的主要是較大的耐壓VDS,較小的VGS(th),RDS(on),Ciss-Crss,tr,ton(delay),tf,toff(delay);外圍電路需要考慮的主要是驅(qū)動(dòng)MOS管的電壓和電流應(yīng)較大。

        查詢(xún)datasheet可知,雖然TP2104和TN2106的其他參數(shù)較好,但由于Ciss-Crss較大,MOS管的開(kāi)關(guān)能力不強(qiáng)[10],因此無(wú)法做到很高的頻率。發(fā)現(xiàn)對(duì)稱(chēng)的MOS管參數(shù)無(wú)法做到全部符合要求,主要是P管在起制約作用,鑒于此,提出了一種前人沒(méi)有用過(guò)的方法,即選擇非對(duì)稱(chēng)MOS管來(lái)設(shè)計(jì)電路,這樣就可以分開(kāi)選擇P管和N管,使兩管的參數(shù)都能較好地滿(mǎn)足需求。將MOS管參數(shù)擬定在VDS為±60 V以上,較小的VGS(th),RDS(on)<5 Ω,Ciss-Crss<20 pF,tr+ton(delay)<20 ns,tf+toff(delay)<40 ns,設(shè)計(jì)了一種頻率高達(dá)40 MHz,穩(wěn)定度非常好的方波增益驅(qū)動(dòng)電路。

        3 仿真驗(yàn)證

        利用Cadence中的Orcad Capture CIS畫(huà)原理圖和PSpice做仿真,通過(guò)篩選和對(duì)比,首先選擇對(duì)稱(chēng)管VP1310和VN1310做仿真,其電路圖和仿真波形如圖5和圖6所示??梢钥闯銎湓?0 MHz頻率時(shí),波形并不好,高壓處過(guò)于尖銳,無(wú)法滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求。分析原因可知,雖然VP1310和VN1310的其他參數(shù)都很好,但是VP1310的RDS(on)較大,達(dá)到了19 Ω,使得給容性負(fù)載的充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng),無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)充好電穩(wěn)定在高壓。

        然后選擇對(duì)稱(chēng)管ZVP2106和ZVN2106做仿真,其仿真波形如圖7所示,可以看出其在20 MHz頻率時(shí),波形變形嚴(yán)重,無(wú)法使用。分析原因可知,雖然ZVP2106和ZVN2106的其他參數(shù)都很好,但是它們Ciss-Crss的較大,高于55 pF,使得MOS管的開(kāi)通時(shí)間過(guò)長(zhǎng),無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)開(kāi)通。ZVP3306和ZVN3306,ZVP3310和ZVN3310,ZVP4424和ZVN4424的情況類(lèi)似。

        因此最終決定選擇參數(shù)非對(duì)稱(chēng)的MOS管TP0610和VN2001設(shè)計(jì)電路,其各方面參數(shù)都比較好,電路圖見(jiàn)圖8。

        第一次將工作頻率設(shè)定為30 MHz,其輸出波形如圖9所示,可以看出其上升沿和下降沿都非常陡,在10 ns以?xún)?nèi),在保持高電平和低電平期間電壓也無(wú)明顯的變化,波形穩(wěn)定性較好,而且還有提升頻率的潛能。

        第二次將工作頻率設(shè)定為40 MHz,其輸出波形如圖10所示,雖然波形變差了一些,但還是能夠滿(mǎn)足CCD220的要求,證明了非對(duì)稱(chēng)法設(shè)計(jì)電路的可行性。TP0610和VN1310,TP0610和VN0120也能做到30 MHz,但在各部分參數(shù)對(duì)比下,它們并沒(méi)有VN2001好。

        4 結(jié) 語(yǔ)

        本文從提升EMCCD方波法增益驅(qū)動(dòng)電路的工作頻率出發(fā),介紹了EMCCD的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和倍增原理及CCD220的特性。分析了傳統(tǒng)圖騰柱法增益驅(qū)動(dòng)電路的工作原理,指出前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路的輸入電壓和電流及MOS管本身的參數(shù)決定了驅(qū)動(dòng)電路的工作頻率上限。鑒于P管是影響電路性能的主要因素,因此提出了一種新的方法,即選擇非對(duì)稱(chēng)管設(shè)計(jì)電路,根據(jù)參數(shù)選擇要求,利用Cadence中的Orcad Capture CIS畫(huà)原理圖和PSpice做仿真,先后驗(yàn)證了在電路中使用對(duì)稱(chēng)管和非對(duì)稱(chēng)管后,得到的波形圖。對(duì)比后得知,利用非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)出頻率高達(dá)40 MHz,波形穩(wěn)定性較好的電子倍增CCD增益驅(qū)動(dòng)電路,為今后EMCCD方波法增益驅(qū)動(dòng)電路更高的工作頻率設(shè)計(jì)提供了有用的參考。下一步將畫(huà)PCB板,制版完成后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

        參考文獻(xiàn)

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