CN103873790B - 一种高压方波驱动信号发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种高压方波驱动信号发生装置，该装置包括通用计算机、单片机、现场可编程逻辑门阵列、驱动器、高压可调电源、上、下钳位电路、P型、N型DMOS管、第一限流电阻、第二限流电阻、第三限流电阻，底部电源，驱动器将现场可编程逻辑门阵列输出的方波驱动信号源进行幅度、驱动能力放大，并通过上、下钳位电路将放大后信号的顶部和信号的底部分别钳位到高压可控电源和底部电源后去控制一对超高速DMOS对管开启和关断，从而产生频率在0‑20MHz内控制的高压方波信号。本发明使电子倍增型CCD60的帧频达到1000Hz以上，相比同类相机频率提高1倍，用于驱动电子倍增电荷耦合器件高频、高压电子增益寄存器产生电子增益。

Description

一种高压方波驱动信号发生装置

技术领域

本发明属于微光成像技术领域，涉及一种高压方波驱动信号发生装置，主要用于驱动电荷耦合器件特有的电子增益寄存器产生电子增益。

背景技术

电子倍增电荷耦合器件(Electron Multiplying Charge Couple Device，EMCCD)是近十年来在CCD图像传感器领域的一项新技术，其在硅片上单独集成了数百级电子倍增寄存器，利用相邻两个栅极所形成的高压电场可在电子域将信号电子放大1000倍以上，获得非常高的灵敏度，特别适合于微光成像。相比于传统带像增强器的CCD，其结构和体积大大简化，在某些重量和体积敏感的应用场合具有较大优势。但电子倍增电荷耦合器件需要一种特有的低电压为4.0V、高电压在20V-49V范围内可调的正弦波或方波驱动信号来产生电子增益，该要求在电路具体实现时非常困难。对于某些电子倍增电荷耦合器件来说，其像素时钟频率达到了18MHz以上，这进一步增加了实现电子倍增电荷耦合器件高压增益驱动的难度。

电子倍增电荷耦合器件的高压增益驱动信号可以是正弦波或者方波，正弦波对CCD产生的功耗小，干扰小，可获得更小的CCD噪声，但对时序关系及电路带宽要求更为苛刻；方波功耗稍大，干扰更强，但对时序关系要求较为宽松，并且实现方法较正弦波容易。因此，目前市面上的EMCCD相机绝大部分是采用高压方波的方法来实现对电子增益的控制。

电子倍增电荷耦合器件的外围驱动电路是国内外微光成像领域的研究热点，特别是用于驱动电子倍增电荷耦合器件产生电子增益的高压正弦波或方波的产生方法。他们主要针对E2V公司的CCD97，CCD201等像素时钟约为10MHz的电子倍增电荷耦合器件研究低频驱动装置，而对于CCD60等像素时钟频率可达到18MHz的高压增益驱动电路涉足极少。他们采用的方法主要是通过一对互补的高速DMOS对管交替开关产生高压方波信号，但受限于高速DMOS对管的开关频率以及功耗急剧加大导致DMOS对管瞬时失效的问题而无法达到20MHz以上的驱动频率。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对电子倍增电荷耦合器件现有高压方波驱动装置无法达到20MHz驱动频率而导致60型号电荷耦合器件无法达到理论帧频1000帧/秒的问题，发明了一种信号驱动频率可达到20MHz、信号幅度达到45V的电子倍增电荷耦合器件高压方波驱动信号发生装置。

(二)技术方案

本发明提供的一种高压方波驱动信号发生装置，主要包括通用计算机、单片机、现场可编程逻辑门阵列、驱动器、高压可调电源、上钳位电路、下钳位电路、P型DMOS管、N型DMOS管、第一限流电阻、第二限流电阻、第三限流电阻，底部电源，其中：单片机连接PC机，接收并对PC机发送的命令字和信号参数进行译码，通过地址总线和数据总线输出译码后的命令字和电压幅度调整参数数据；现场可编程逻辑门阵列连接单片机，接收单片机发送的译码后的命令字，控制现场可编程逻辑门阵列生成并输出频率、相位、占空比可调的方波驱动信号；驱动器连接现场可编程逻辑门阵列，接收并放大方波驱动信号的幅度，对方波驱动信号进行扩流，用于增强方波驱动信号的驱动能力；第一限流电阻输入端连接驱动器输出端，对输入的方波驱动信号进行波形调整和限流，并输出波形调整和限流的方波驱动信号；高压可调电源输入端连接单片机输出端，接收单片机发送的电压幅度调整参数数据，用于调整输出电压幅度；高压可调电源输出端连接上钳位电路、P型DMOS管的源极，用于为上钳位电路、P型DMOS管提供可调幅度电压；底部电源与下钳位电路、N型DMOS管的源极连接，用于为下钳位电路、N型DMOS管提供工作电压；上钳位电路、下钳位电路的输入端分别连接第一限流电阻的输出端，接收经过波形调整和限流的方波驱动信号，用于驱动上钳位电路和下钳位电路；上钳位电路将输入的方波驱动信号的顶部钳位到高压可调电源输出的可调幅度电压上，下钳位电路将输入的方波驱动信号的底部钳位到底部电源上，生成并输出两路直流分量不同、交流分量相同的方波驱动信号；P型DMOS管连接上钳位电路，接收顶部被钳位到高压可调电源输出电压上的方波驱动信号，控制P型DMOS管不断开启和关断生成并输出高压方波信号的高电平部分；N型DMOS管连接下钳位电路，接收底部被钳位到底部电源输出电压上的方波驱动信号，控制N型DMOS管不断开启和关断生成并输出高压方波信号的低电平部分；第二限流电阻连接P型DMOS管的漏极，接收P型DMOS管输出的高压方波信号的高电平部分，对P型DMOS管生成的高压方波信号的高电平部分进行整形和限流；第三限流电阻连接N型DMOS管的漏极，接收N型DMOS管输出的高压方波信号的低电平部分，对N型DMOS管生成的高压方波信号的低电平部分进行整形和限流。

(三)有益效果

本发明将电子倍增电荷耦合器件高压方波驱动信号频率从原来的10MHz提高到20MHz以上，相比原有装置驱动频率提高了100％，可将60型号的电荷耦合器件的拍摄帧频从500帧/秒提高到最高理论帧频1000帧/秒，相比国外同类相机提升了1倍，可满足目前E2V公司所有电子倍增电荷耦合器件产品对高压增益信号的驱动要求，具有非常好的通用性。

附图说明

图1是本发明高压方波驱动信号发生装置结构示意图；

图2是本发明中实施例20V～49V可调电源产生框图；

图3是本发明中上钳位电路及下钳位电路；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明是针对电子倍增电荷耦合器件(EMCCD)的实施例，本领域技术人员通过本发明下面的实施例，能实现任一电子倍增电荷耦合器件的高压电子增益控制，产生电子增益，下面仅以驱动60型号电子倍增电荷耦合器件的高压方波驱动信号为例介绍实施例：

如图1示出本发明高压方波驱动信号发生装置结构框图；一种高压方波驱动信号发生装置，主要包括通用计算机、单片机、现场可编程逻辑门阵列、驱动器、高压可调电源、上钳位电路、下钳位电路、P型DMOS管、N型DMOS管、第一限流电阻、第二限流电阻、第三限流电阻，底部电源，DMOS为高速扩散型金属氧化物半导体，其中：

单片机连接PC机，接收并对PC机发送的命令字和信号参数进行译码，通过地址总线和数据总线输出译码后的命令字和电压幅度调整参数数据；现场可编程逻辑门阵列连接单片机，接收单片机发送的译码后的命令字，控制现场可编程逻辑门阵列生成并输出频率、相位、占空比可调的方波驱动信号；驱动器连接现场可编程逻辑门阵列，接收并放大方波驱动信号的幅度，对方波驱动信号进行扩流，用于增强方波驱动信号的驱动能力；第一限流电阻输入端连接驱动器输出端，对输入的方波驱动信号进行波形调整和限流，并输出波形调整和限流的方波驱动信号；高压可调电源输入端连接单片机输出端，接收单片机发送的电压幅度调整参数数据，用于调整输出电压幅度；高压可调电源输出端连接上钳位电路、P型DMOS管的源极，用于为上钳位电路、P型DMOS管提供可调幅度电压；底部电源与下钳位电路、N型DMOS管的源极连接，用于为下钳位电路、N型DMOS管提供工作电压；上钳位电路、下钳位电路的输入端分别连接第一限流电阻的输出端，接收经过波形调整和限流的方波驱动信号，用于驱动上钳位电路和下钳位电路；上钳位电路将输入的方波驱动信号的顶部钳位到高压可调电源输出的可调幅度电压上，下钳位电路将输入的方波驱动信号的底部钳位到底部电源上，生成并输出两路直流分量不同、交流分量相同的方波驱动信号；P型DMOS管连接上钳位电路，接收顶部被钳位到高压可调电源输出电压上的方波驱动信号，控制P型DMOS管不断开启和关断生成并输出高压方波信号的高电平部分；N型DMOS管连接下钳位电路，接收底部被钳位到底部电源输出电压上的方波驱动信号，控制N型DMOS管不断开启和关断生成并输出高压方波信号的低电平部分；第二限流电阻连接P型DMOS管的漏极，接收P型DMOS管输出的高压方波信号的高电平部分，对P型DMOS管生成的高压方波信号的高电平部分进行整形和限流；第三限流电阻连接N型DMOS管的漏极，接收N型DMOS管输出的高压方波信号的低电平部分，对N型DMOS管生成的高压方波信号的低电平部分进行整形和限流。

现场可编程逻辑门阵列输出的方波驱动信号的特性可根据实际需要进行控制，通用计算机通过串口发送命令字控制单片机访问现场可编程逻辑门阵列内部的方波驱动信号的频率、相位、占空比参数寄存器，用于改变输出的方波驱动信号的频率、相位、占空比参数寄存器的参数。所述高压方波驱动信号的电压幅度是通过通用计算机控制单片机去访问可调高压电源内部的幅度控制寄存器实现。通过时钟同源的方法使高压方波驱动信号与电荷耦合器件的水平驱动信号、垂直驱动信号之间具有稳定的时序关系。驱动器将现场可编程逻辑门阵列输出的3.3V电压方波驱动信号的幅度放大为10V电压、驱动能力增强至3A电流，用于加快对P型DMOS管、N型DMOS管的输入电容及寄生杂散电容的充放电速度，从而有效提升P型DMOS管、N型DMOS管的实际开关频率。上钳位电路及下钳位电路的输入采用同一个信号源即第一限流电阻输出的经过调整和限流的方波驱动信号，确保第一限流电阻输出的方波驱动信号被上、下钳位后，生成具有完全相同的上升、下降时间和相位的控制信号，用于直接控制后续超高速P型DMOS管和N型DMOS管的开、关，从而产生高压方波信号。高压可调电源的输出电压调节范围为20V-49V，确保输出高压方波驱动信号的高电平在20V-49V范围内，用于保证电子倍增电荷耦合器件的电气安全；部电源电压设置为4.0V，以使输出的方波驱动信号的低电平维持在4.0V。所述P型DMOS管、N型DMOS管的耐温达150℃、耐压达100V、开关速度达25MH，用于保证该装置的工作频率达到20MHz以上。在N型DMOS管、P型DMOS管的漏极分别引入第二限流电阻和第三限流电阻，用于防止在N型DMOS管、P型DMOS管同时导通时出现巨大电流浪涌而损毁。上钳位电路与下钳位电路、P型DMOS管与N型DMOS管、第二限流电阻与第三限流电阻分别呈对称布局，保证第一限流电阻输出的信号经过两个对称的电路，减小因电路不对称性造成高压方波驱动信号失真。

如图2示出本发明中实施例20V～49V高压可调电源框图，该高压可调电源包括：DC-DC开关电源、高压线性稳压器LDO、高压数字电位器；单片机MCV连接高压线性稳压器LDO、高压数字电位器，高压线性稳压器连接高压数字电位器、DC-DC电源。采用一个升压型(Boost)DC-DC电源将电子倍增CCD相机系统的电源电压升压到52V，在后面接一级高压线性稳压器LDO，并在高压线性稳压器LDO的可调节端串接一个高压数字电位器，PC机通过串口控制单片机MCU对数字电位器的幅度控制寄存器值进行设置，从而控制高压线性稳压器LDO的输出电压在20V～49V之间变化，从而控制该装置输出的高压方波驱动信号幅度在20V～49V之间变化；

如图3示出本发明中上钳位电路及下钳位电路，上钳位电路包括隔直电容C1，钳位二极管D1和钳位电阻R1，下钳位电路包括直电容C2，钳位二极管D2和钳位电阻R2，V1表示高压可调电源，V2表示底部电源。驱动器输出的方波信号分为两路，分别进入C1和C2进行隔直处理，去掉信号中的直流分量；C1的输出端连接到钳位二极管D1的正极和R1，D1的负极和R1的另一端连接到V1，利用二极管的单向导通特性，可将C1输出的交流信号的顶部固定在V1输出的电压信号上，输出到上部P型DMOS管控制上部的P型DMOS管的开启和关闭；C2的输出端连接到钳位二极管D2的负极和R2，D2的正极和R2的另一端连接到V2，利用二极管的单向导通特性，可将C2输出的交流信号的底部固定在V2输出的电压信号上，输出到下部N型DMOS管控制下部的N型DMOS管的开启和关闭。当输入驱动器输出的方波驱动信号为高电平时，下部N型DMOS管栅极、源极电压差大于栅源导通电压，N型DMOS管导通，上部P型DMOS管栅源电压相等，P型DMOS管关闭，从而输出低电平4.0V；当方波信号为低电平时，下部N型DMOS管栅极电压等于源极电压，N型DMOS管关闭，而上部P型DMOS管栅极电压小于源极电压，P型DMOS管导通，从而输出高电平20V～49V；这样，在驱动器输出的方波驱动信号的任一高低电平时刻都只有一个DMOS管导通，从而输出一个确定电平值，而在驱动器输出的方波驱动信号的上升或下降边沿，由于选择的是互补式DMOS对管，可以保证在一个DMOS管慢慢关闭时，另一个DMOS管慢慢开启，确保输出方波信号的上升或下降边沿的平滑性。

尽管互补式DMOS对管在确定的高低电平值时只有一个导通，但在输入方波信号的上升沿或下降沿的某一小段时刻，两个DMOS管可能会同时导通，这样将会导致巨大的电流浪涌使DMOS对管功耗激增，产生较大热量而损坏DMOS对管，因此在DMOS对管的漏极各增加一个限流电阳.，可大大减小同时导通时的峰值电流，可防止DMOS对管因发热量大而失效。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种高压方波驱动信号发生装置，其特征在于：主要包括通用计算机、单片机、现场可编程逻辑门阵列、驱动器、高压可调电源、上钳位电路、下钳位电路、P型DMOS管、N型DMOS管、第一限流电阻、第二限流电阻、第三限流电阻，底部电源，其中：

单片机连接PC机，接收并对PC机发送的命令字和信号参数进行译码，通过地址总线和数据总线输出译码后的命令字和电压幅度调整参数数据；

现场可编程逻辑门阵列连接单片机，接收单片机发送的译码后的命令字，控制现场可编程逻辑门阵列生成并输出频率、相位、占空比可调的方波驱动信号，通过时钟同源的方法使高压方波驱动信号与电荷耦合器件的水平驱动信号、垂直驱动信号之间具有稳定的时序关系；

驱动器连接现场可编程逻辑门阵列，接收并放大方波驱动信号的幅度，对方波驱动信号进行扩流，用于增强方波驱动信号的驱动能力；

第一限流电阻输入端连接驱动器输出端，对输入的方波驱动信号进行波形调整和限流，并输出波形调整和限流的方波驱动信号；

高压可调电源输入端连接单片机输出端，接收单片机发送的电压幅度调整参数数据，用于调整输出电压幅度；高压可调电源输出端连接上钳位电路、P型DMOS管的源极，用于为上钳位电路、P型DMOS管提供可调幅度电压；

底部电源与下钳位电路、N型DMOS管的源极连接，用于为下钳位电路、N型DMOS管提供工作电压；

上钳位电路、下钳位电路的输入端分别连接第一限流电阻的输出端，接收经过波形调整和限流的方波驱动信号，用于驱动上钳位电路和下钳位电路；上钳位电路将输入的方波驱动信号的顶部钳位到高压可调电源输出的可调幅度电压上，下钳位电路将输入的方波驱动信号的底部钳位到底部电源上，生成并输出两路直流分量不同、交流分量相同的方波驱动信号，上钳位电路及下钳位电路的输入采用同一个信号源即第一限流电阻输出的经过调整和限流的方波驱动信号，确保第一限流电阻输出的方波驱动信号被上、下钳位后，生成具有完全相同的上升、下降时间和相位的控制信号，用于直接控制后续超高速P型DMOS管和N型DMOS管的开、关，从而产生高压方波信号；

P型DMOS管连接上钳位电路，接收顶部被钳位到高压可调电源输出电压上的方波驱动信号，控制P型DMOS管不断开启和关断生成并输出高压方波信号的高电平部分；

N型DMOS管连接下钳位电路，接收底部被钳位到底部电源输出电压上的方波驱动信号，控制N型DMOS管不断开启和关断生成并输出高压方波信号的低电平部分；

第二限流电阻连接P型DMOS管的漏极，接收P型DMOS管输出的高压方波信号的高电平部分，对P型DMOS管生成的高压方波信号的高电平部分进行整形和限流；

第三限流电阻连接N型DMOS管的漏极，接收N型DMOS管输出的高压方波信号的低电平部分，对N型DMOS管生成的高压方波信号的低电平部分进行整形和限流。

2.根据权利要求1所述的高压方波驱动信号发生装置，其特征在于：现场可编程逻辑门阵列输出的方波驱动信号的特性可根据实际需要进行控制，通用计算机通过串口发送命令字控制单片机访问现场可编程逻辑门阵列内部的方波驱动信号的频率、相位、占空比参数寄存器，用于改变输出的方波驱动信号的频率、相位、占空比参数寄存器的参数。

3.根据权利要求1所述的高压方波驱动信号发生装置，其特征在于：所述高压方波驱动信号的电压幅度是通过通用计算机控制单片机去访问可调高压电源内部的幅度控制寄存器实现。

4.根据权利要求1所述的高压方波驱动信号发生装置，其特征在于：驱动器将现场可编程逻辑门阵列输出的3.3V电压方波驱动信号的幅度放大为10V电压、驱动能力增强至3A电流，用于加快对P型DMOS管、N型DMOS管的输入电容及寄生杂散电容的充放电速度，从而有效提升P型DMOS管、N型DMOS管的实际开关频率。

5.根据权利要求1所述的高压方波驱动信号发生装置，其特征在于：高压可调电源的输出电压调节范围为20V-49V，确保输出高压方波驱动信号的高电平在20V-49V范围内，用于保证电子倍增电荷耦合器件的电气安全；电源电压设置为4.0V，以使输出的方波驱动信号的低电平维持在4.0V。

6.根据权利要求1所述的高压方波驱动信号发生装置，其特征在于：所述P型DMOS管、N型DMOS管的耐温达150℃、耐压达100V、开关速度达25MH，用于保证该装置的工作频率达到20MHz以上。

7.根据权利要求1所述的高压方波驱动信号发生装置，其特征在于：在N型DMOS管、P型DMOS管的漏极分别引入第二限流电阻和第三限流电阻，用于防止在N型DMOS管、P型DMOS管同时导通时出现巨大电流浪涌而损毁。

8.根据权利要求1所述的高压方波驱动信号发生装置，其特征在于：上钳位电路与下钳位电路、P型DMOS管与N型DMOS管、第二限流电阻与第三限流电阻分别呈对称布局，保证第一限流电阻输出的信号经过两个对称的电路，减小因电路不对称性造成高压方波驱动信号失真。