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)

[1] 張艷艷，饒長(zhǎng)輝，馬曉燠，等.基于電子倍增電荷耦合器件的哈特曼?夏克波前傳感器質(zhì)心探測(cè)誤差分析[J].物理學(xué)報(bào)，2010，59（8）：5?6.

[2] 余達(dá)，劉金國(guó)，郭永飛，等.微光EMCCD超高速成像研究進(jìn)展[J].科學(xué)通報(bào)，2013，58（36）：131?133.

[3] 韓露，熊平.EMCCD工作原理及性能分析[J].傳感器世界，2009（5）：24?28.

[4] 何家維，何昕，魏仲慧，等.電子倍增CCD星相機(jī)的設(shè)計(jì)[J].光學(xué)精密工程，2010，18（6）：1396?1403.

[5] 黃強(qiáng)強(qiáng).EMCCD驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)與優(yōu)化[D].南京：南京理工大學(xué)，2014.

[6] 包爾恒.MOSFET驅(qū)動(dòng)電路分析與設(shè)計(jì)[J].通信電源技術(shù)，2013，30（2）：34?37.

[7] 白玉棟，張守才.電子倍增CCD驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)[J].光電技術(shù)應(yīng)用，2013，28（3）：51?54.

[8] 謝宗寶，張濤，張晶晶.空間EMCCD成像系統(tǒng)中倍增高壓時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2011，11（17） 3945?3950.

[9] 金建輝，李彬華，陳小明.EMCCD電荷倍增驅(qū)動(dòng)電路分析與PCB設(shè)計(jì)[J].天文研究與技術(shù)，2012，9（3）：316?322.

[10] 張?jiān)?，方波，蔡子?實(shí)際應(yīng)用條件下Power MOSFET開(kāi)關(guān)特性研究（上）[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30（21）：175?178.