CN106878640A - 一种emccd驱动电路 - Google Patents

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Abstract

一种EMCCD驱动电路，驱动电路由前级电平转换电路、后级功率放大电路、EMCCD读出电路、A/D转换电路与驱动信号高电平电压电路组成。电路结构紧凑，减小了芯片占用面积的同时提高了采样精度，增加了信号带负载能力，电路工作稳定，适应性好，降低了功耗。

Description

一种EMCCD驱动电路
所属技术领域
本发明涉及一种EMCCD驱动电路，适用于微光夜视领域。
背景技术
在低照度环境下微弱的光或者能量低到不能引起视觉反应的光称为微光。在微光条件下，对目标信号的获取仅依靠自身发射的微弱可见光或目标反射的微弱光，人眼对这类信号的识别、分辨和作用距离都受到很大限制。微光成像技术的工作核心是将微弱的自然光增强至人眼能直接观察的程度。与主动红外成像技术不同，微光成像技术以被动方式工作，无需人工照明，依靠微光照明景物成像，隐蔽性好。微光成像系统主要由光学镜头、图像传感器、微光增强系统和显示器四部分组成，而作为核心器件的图像传感器，对微光成像技术的发展有直接的影响。随着科学技术的发展，CCD传感器己经取得了很大的进步。通过改进半导体制造工艺，提高了传感器响应灵敏度，降低了器件的输出噪声，更有利于对微弱信号的探测，响应范围逐渐从可见光向微光方向发展，这些都为微光夜视技术提供了重要保障。目前主要有两种CCD传感器应用于微光成像领域:一是CCD与像增强器藕合得到的ICCD，即图像增强电荷耦合器件；二是电子轰击电荷祸合器件((EBCCD)。
电子倍增CCD CEMCCD)采用了一种全新的微弱光信号探测技术，在水平移位寄存器之后加入增益寄存器，实现了信号的“片上增益”，使信号在读出过程中就得到了倍增增强，减小了放大器的读出噪声对信号的影响，实现高灵敏度成像探测。与ICCD和EBCCD相比，EMCCD使用寿命更长，且具有优越的信噪比和量子效率。EMCCD驱动电路和模拟前端设计直接决定了EMCCD的成像效果的好坏。
发明内容
本发明提供一种EMCCD驱动电路，电路结构紧凑，减小了芯片占用面积的同时提高了采样精度，电路工作稳定，适应性好，降低了功耗。
本发明所采用的技术方案是：在电路中加入前级电平转换电路，将FPGA输出信号电压值由+3.3V和OV转换为+5V和0V，并提高了信号的输出电流，增加了信号带负载能力。前级电平转换电路设计中选用MAX999作为电平转换芯片，选用74LVC2T45作为扩流芯片。
所述后级功率放大电路中选用参数匹配的ZVP2106和ZVN2106作为功率驱动芯片，具有漏源极耐压值高(60V )，导通电阻小(3欧)，驱动能力强(5OOmA)等特点。漏源极接入的并联电阻限制了MOS管漏极电流，防止电流异常对MOS管造成损坏，起到保护作用。P型MOS管的开启电压VGS(th)<-1.5V, N型MOS管的开启电压VGS(th)>+0.8V。静态时，倍增极高电平电压(R2HV- HI)与倍增极低电平电压(R2HV-LO)之间的二极管与电阻形成了电压钳位电路，1SS226二极管两端的压差约为1.4V,1SS193二极管两端的压差约为0.7V，从而保证了P型MOS管的栅极比倍增极高电平电压低0.7V，即P型MOS管的VGS=-0.7V；同理N型MOS管的VGS=+0.7V。两管都未能达到开启阈值，MOS管工作在夹断区。
所述EMCCD读出电路中，CCD97输出特性阻抗高达350欧，在输出信号和A/D采样电路之间加入跟随放大器来实现阻抗匹配。前置跟随放大器采用功率放大电路中常用的共集电极电路，为了防止容性负载对频率带宽造成影响，选用高频特性好的三极管。共集电极电路具有电压跟随的特点，输入电阻大，输出电阻小，提高了信号带负载能力，减小传输过程中引入的噪声。此外，前置跟随放大器将CCD97与A/D采样电路隔离，在整机调试时，可以通过示波器测量共集电极电路的输出信号，避免直接测量CCD97输出管脚的信号，防止错误操作造成短路，损坏CCD芯片。
所述A/D转换电路选用一款高速A/D转换芯片ADC08D1000。该芯片是具有双通道结构，低功耗，高速8位A/D转换芯片，单通道的最高采样率达到1.3 Gsps，在500 MHz信号输人的情况下实际有效位数是7.4位。由于ADC的采样信号输入为差分方式，所以在信号进入ADC08D1000前，要将信号经过差分放大器(AD8132 )将其转换为差分信号，这时需要保持ADC的共模输出电压Vcom和差分放大器AD8132的共模输出电压一致。
所述驱动信号高电平电压电路中，LT1963的最大输出电压为+20V，不满足CCD97的直流偏置电压OD的要求(+28V )，因此先采用DC-DC式稳压电路升压至+30V，再采用LM317来产生CCD97所需的直流偏置电压。LM317作为最常用的线性稳压器，具有最简单的三端稳压形式，输出电压在+1.2V～-37V范围内连续可调。LM317具有使用简单、稳压性能好、噪声低、纹波抑制比高等特点。
本发明的有益效果是：电路结构紧凑，减小了芯片占用面积的同时提高了采样精度，电路工作稳定，适应性好，降低了功耗。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的前级升压扩流电路。
图2是本发明的后级功率放大电路。
图3是本发明的EMCDD读出电路。
图4是本发明的A/D转换电路。
图5是本发明的驱动信号高电平电压电路。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1，前级电平转换电路设计中选用MAX999作为电平转换芯片，选用74LVC2T45作为扩流芯片。在电路中加入前级电平转换电路，将FPGA输出信号电压值由+3.3V和OV转换为+5V和0V，并提高了信号的输出电流，增加了信号带负载能力。
如图2，后级功率放大电路中选用参数匹配的ZVP2106和ZVN2106作为功率驱动芯片，具有漏源极耐压值高(60V )，导通电阻小(3欧)，驱动能力强(5OOmA)等特点。漏源极接入的并联电阻限制了MOS管漏极电流，防止电流异常对MOS管造成损坏，起到保护作用。P型MOS管的开启电压VGS(th)<-1.5V, N型MOS管的开启电压VGS(th)>+0.8V。静态时，倍增极高电平电压(R2HV- HI)与倍增极低电平电压(R2HV-LO)之间的二极管与电阻形成了电压钳位电路，1SS226二极管两端的压差约为1.4V,1SS193二极管两端的压差约为0.7V，从而保证了P型MOS管的栅极比倍增极高电平电压低0.7V，即P型MOS管的VGS=-0.7V；同理N型MOS管的VGS=+0.7V。两管都未能达到开启阈值，MOS管工作在夹断区。
如图3，EMCCD读出电路中，CCD97输出特性阻抗高达350欧，在输出信号和A/D采样电路之间加入跟随放大器来实现阻抗匹配。前置跟随放大器采用功率放大电路中常用的共集电极电路，为了防止容性负载对频率带宽造成影响，选用高频特性好的三极管。共集电极电路具有电压跟随的特点，输入电阻大，输出电阻小，提高了信号带负载能力，减小传输过程中引入的噪声。此外，前置跟随放大器将CCD97与A/D采样电路隔离，在整机调试时，可以通过示波器测量共集电极电路的输出信号，避免直接测量CCD97输出管脚的信号，防止错误操作造成短路，损坏CCD芯片。
如图4，A/D转换电路选用一款高速A/D转换芯片ADC08D1000。该芯片是具有双通道结构，低功耗，高速8位A/D转换芯片，单通道的最高采样率达到1.3 Gsps，在500 MHz信号输人的情况下实际有效位数是7.4位。由于ADC的采样信号输入为差分方式，所以在信号进入ADC08D1000前，要将信号经过差分放大器(AD8132 )将其转换为差分信号，这时需要保持ADC的共模输出电压Vcom和差分放大器AD8132的共模输出电压一致。
如图5，驱动信号高电平电压电路中，LT1963的最大输出电压为+20V，不满足CCD97的直流偏置电压OD的要求(+28V )，因此先采用DC-DC式稳压电路升压至+30V，再采用LM317来产生CCD97所需的直流偏置电压。LM317作为最常用的线性稳压器，具有最简单的三端稳压形式，输出电压在+1.2V～-37V范围内连续可调。LM317具有使用简单、稳压性能好、噪声低、纹波抑制比高等特点。

Claims (8)

1.一种EMCCD驱动电路，其特征是：所述的EMCCD驱动电路由前级电平转换电路、后级功率放大电路、EMCCD读出电路、A/D转换电路与驱动信号高电平电压电路组成。
2.根据权利要求1所述的一种EMCCD驱动电路，其特征是：所述前级电平转换电路设计中选用MAX999作为电平转换芯片，选用74LVC2T45作为扩流芯片。
3.根据权利要求1所述的一种EMCCD驱动电路，其特征是：所述的后级功率放大电路选用参数匹配的ZVP2106和ZVN2106作为功率驱动芯片。
4.根据权利要求1所述的一种EMCCD驱动电路，其特征是：所述的后级功率放大电路中，漏源极接入的并联电阻限制了MOS管漏极电流，防止电流异常对MOS管造成损坏，起到保护作用。
5.根据权利要求1所述的一种EMCCD驱动电路，其特征是：所述EMCCD读出电路中，CCD97输出特性阻抗高达350欧，在输出信号和A/D采样电路之间加入跟随放大器来实现阻抗匹配。
6.根据权利要求1所述的一种EMCCD驱动电路，其特征是：所述述EMCCD读出电路中，前置跟随放大器采用功率放大电路中常用的共集电极电路，为了防止容性负载对频率带宽造成影响，选用高频特性好的三极管。
7.根据权利要求1所述的一种EMCCD驱动电路，其特征是：所述述A/D转换电路选用一款高速A/D转换芯片ADC08D1000。
8.根据权利要求1所述的一种EMCCD驱动电路，其特征是：所述驱动信号高电平电压电路中，先采用DC-DC式稳压电路升压至+30V，再采用LM317来产生CCD97所需的直流偏置电压。
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CN111988546A (zh) * 2020-09-15 2020-11-24 哈尔滨工程大学 一种倍增ccd倍增增益及读出噪声测量方法

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