CN110505420B - 一种低功耗emccd高压正弦驱动信号发生电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低功耗EMCCD高压正弦驱动信号发生电路，包括二级线圈、NMOS管、LCR振荡电路与二极管；方波时序信号输入NMOS管的栅极，NMOS管的漏极与初级线圈输入端连接；二级线圈次级线圈输出端经LCR振荡回路输出正弦波，通过控制二级线圈初级回路的输入电压调整输出的正弦波高电平；通过调整二极管的偏置电压调整输出的正弦波低电平；通过控制NMOS管栅极驱动信号频率、相位调整正弦波信号的频率、相位；通过调整驱动信号的占空比和LCR回路的电容C调整正弦波波形。简化了高压正弦波驱动信号的产生，功耗低、结构简单、调整方便；可用于EMCCD器件的高压增益驱动，实现电子倍增，从而实现信号的放大。
Description
技术领域
本发明涉及一种EMCCD驱动信号发生电路，属于电子技术领域。
背景技术
电子倍增电子耦合器件(Electron Multiplying Charge Couple Device，EMCCD)在传统CCD水平转移寄存器之后增加了增益移位寄存器，使得信号电荷在转移的过程中发生碰撞电离，从而实现了信号电荷的放大。为了实现电荷的碰撞电离，增益寄存器栅极上需施加一个低电平4V，高电平20V～40V可调的驱动信号。目前，广泛采用的电路结构有推挽输出的方波驱动电路，数字频率合成器DDS和变压器组成的正弦波驱动电路两种。然而，推挽输出结构的方波驱动电路随着电压与频率的增大，功耗急剧增加，功率MOS管发热现象严重，在11MHz、40V条件下，带负载后电路功耗接近3W，这限制了电路的可靠性与使用寿命。DDS和变压器组成的正弦波电路，是利用FPGA与DAC产生特定频率的正弦信号，再通过变压器实现正弦波信号的放大，后端处理需要一系列的滤波、去噪、放大等模拟电路，在频率、相位与峰峰值的调整上比较复杂。
发明专利“EMCCD的功率驱动电路-CN109413312A”中，采用高速DAC加二级放大器的方法实现EMCCD高压正弦驱动信号，相比采用方波可有效降低电路功耗，方便实现幅值和相位的调节，但由于电路本身的特征，仅适合于频率较低的信号。
发明专利“一种高压正弦波驱动信号发生装置-CN103872985B”中，采用DDS和变压器为核心，通过低通滤波、高压放大电路和钳位电路的设计，将DDS产生的幅值为1V的差分信号转变为可满足EMCCD电子倍增需求的4V～49V的高频正弦驱动信号。但该电路的高压放大模块需要外接50V高压电源，在采用电池供电的便携式EMCCD相机组件的设计中，最大供电电压为12V，因此该电路不适用于小型化便携式的EMCCD相机组件。
发明专利“一种电子倍增CCD正弦驱动方法-CN102231809B”中，基于DDS的数字、模拟混合电路技术，通过高频高压放大电路实现正弦波的线性放大，同时可以通过调整正弦波码流，实现驱动信号相位的精确修正。该设计方法中采用的高频高压放大电路的核心元件为运算放大器，其在输出高频(10MHz)和高压(45V以上)信号的状态下，电路功耗较大。
电子倍增CCD相机外围驱动技术是当前国内外微光和超灵敏成像领域的研究热点，但受制于高压增益驱动电路的功耗与复杂度等问题，无法满足高读出速率、相机小型化等应用需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种低功耗EMCCD高压正弦驱动信号发生电路。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种低功耗EMCCD高压正弦驱动信号发生电路，包括二级线圈、连接在二级线圈初级回路的NMOS管和连接在二级线圈次级回路的LCR振荡电路与二极管；
方波时序信号输入至NMOS管的栅极，NMOS管的漏极与初级线圈输入端连接；
二级线圈次级线圈输出端经LCR振荡回路输出正弦波；通过控制二级线圈初级回路的输入电压调整输出的正弦波高电平；通过调整二极管的偏置电压调整输出的正弦波低电平。
进一步地，通过控制输入NMOS管的栅极上的方波信号的频率和相位调整产生的所述正弦波的频率和相位。
进一步地，通过调整NMOS的栅极信号的占空比和LCR回路中的电容C调整所述正弦波的波形。
进一步地，方波时序信号由FPGA单元产生。
进一步地，NMOS管采用增强型NMOS管。
进一步地，所述二级线圈采用双孔磁环线圈。
进一步地，NMOS管导通期间，二级线圈互感耦合，在次级线圈内形成电流，对次级回路LCR振荡电路中的电容进行充电，形成次级回路的初始电压，并补偿次级回路中损失的能量，维持次级线圈的振荡。
本发明所达到的有益效果：
本发明的低功耗高压正弦驱动信号发生电路，简化了高压正弦波驱动信号的产生方法，具有功耗低、结构简单、调整方便的优点。正弦波频率、峰峰值、相位快速可调，在20MHz、40V条件下，电路功耗低至150mW，可用于EMCCD器件的高压增益驱动，实现电子倍增功能，从而实现信号的放大。
附图说明
图1为低功耗高压正弦驱动电路的原理框图；
图2为本发明的电路图，并标出了输入信号S1与输出信号Vout；
图3为双孔磁环线圈及其磁场分布示意图；
图4为MOS管导通时的电路示意图；
图5为MOS管关断时的电路示意图；
图6为最终测试的正弦波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明是一种低功耗高压正弦驱动信号发生电路，包括增强型NMOS管、双孔磁环线圈、LCR振荡电路和二极管电平钳位电路，如图1、图2和图3所示。FPGA单元产生的方波时序连接到NMOS管栅极，NMOS管的漏极与初级线圈连接，NMOS管的源极接地；通过控制NMOS管栅极上方波信号的频率和相位来调整正弦波的频率和相位；NMOS的栅极信号的占空比和LCR回路中的电容C决定着正弦波的波形；NMOS管导通期间，双孔磁环线圈互感耦合，在次级线圈内形成电流，对次级LCR回路中的电容进行充电，形成次级的初始电压，并补偿次级中损失的能量，维持次级的振荡；通过控制双孔磁环线圈初级的输入电压来调整正弦波的高电平；通过调整二极管的偏置电压来调整正弦波的低电平。本发明简化了高压正弦波驱动信号的产生方法，具有功耗低、结构简单、调整方便的优点。正弦波频率、峰峰值、相位快速可调，在20MHz、40V条件下，电路功耗低至150mW，可用于EMCCD器件的高压增益驱动，实现电子倍增功能，从而实现信号的放大。
初级回路与激励信号源连接，次级回路与负载相连接。回路之间的耦合程度由耦合系数k表示，其中M为线圈互感系数，L1为初级线圈电感值，L2为次级线圈电感值。k定义为耦合回路的公共电抗(或电阻)X12的绝对值与初级、次级回路中同性质的电抗(或电阻)X11、X22的几何中项之比，由磁芯磁导率、绕线直径和绕线匝数决定。这里考虑到磁芯饱和的问题，耦合线圈的绕制采用NXO-100的磁芯，初级匝数2匝，次级3匝，初级线径0.35mm，次级0.25mm。
选取增强型NMOS管Q1作为初级的开关器件。将NMOS视为理想器件，在电路分析中不考虑rds、cds、rgs、cgs、vdg，图2电路中的NMOS管(即Q1)可以简化成一个开关，电路近似为图4和图5。
如图4所示，NMOS管Q1栅极施加方波驱动信号VIN。该信号由FPGA产生，占空比与频率通过FPGA编程调整。当方波信号为高电平时(一个方波周期内高电平持续时间为TON)，Q1导通，VIN加在初级线圈的电感L1(线圈初级ab)两端形成电流i1，次级线圈的电感L2(线圈次级a’b’)上产生感生电动势，并对次级电容C1进行充电。
初级线圈与次级线圈的互感系数为M，次级线圈连接负载，假设其等效电阻为R2。根据基尔霍夫定律可得
根据上面两个公式可得
Q1导通时间内，次级电流i2对次级电容C1进行充电，建立Q1关断前次级电容C1上的初始电压。与此同时，补偿了因Q1关断时间内，负载上消耗的能量，维持正弦波等幅振荡。
如图5所示，当方波信号为低电平时(一个方波周期内低电平持续时间为TOFF)，Q1关断，次级电容C1上的电荷经过电感L2和负载等效电阻R2放电。
由基尔霍夫定律可得
对i2微分一次得
这里令衰减系数固有角频率/>则
求解该方程，并代入初始条件：t＝0时，(V为双孔磁环线圈次级在Q1关断前的初始电压，与TON有关，即与驱动信号占空比有关)得
当即/>此时/>为虚数，可令/>ω为角频率，此时电流为
它的振荡频率为
δ＝0，既满足R2＝0时，次级电流i2等幅振荡。在实际情况中，由于负载的存在，在0＜t＜TOFF这个时间段内，电流必然是振幅衰减的正弦波，且处于负半轴。L2和C1在nH和nF数量级，所以振荡频率很高，必要时考虑对线圈进行屏蔽处理，减小噪声影响。
负载的存在会消耗能量，使得幅度下降，固定周期的开关信号以及可控的占空比，使得正弦波能重新进入正半轴。
假设次级线圈的电感值L2固定，负载等效电阻R2固定，则NMOS栅极信号的占空比、频率与电容C1决定着正弦波的频率与波形。
根据步骤4中推导，正弦波低电平在负半轴，EMCCD正弦波驱动信号要求低电平与直流电平RΦDC(EMCCD器件工作所需的一路直流偏置电平，由其他驱动电路提供)相同，图2的钳位二极管D1，将正弦波低电平钳位在直流电平V2，从而满足驱动信号的要求。
最终的测试波形如图6所示。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种低功耗EMCCD高压正弦驱动信号发生电路，其特征是，包括二级线圈、连接在二级线圈初级回路的NMOS管和连接在二级线圈次级回路的LCR振荡电路与二极管；
方波时序信号输入至NMOS管的栅极，NMOS管的漏极与初级线圈输入端连接；
二级线圈次级线圈输出端经LCR振荡回路输出正弦波；通过控制二级线圈初级回路的输入电压调整输出的正弦波高电平；通过调整二极管的偏置电压调整输出的正弦波低电平；
通过控制输入NMOS管的栅极上的方波信号的频率和相位调整产生的所述正弦波的频率和相位；
通过调整NMOS的栅极信号的占空比和LCR回路中的电容C来调整所述正弦波的波形。
2.根据权利要求1所述的一种低功耗EMCCD高压正弦驱动信号发生电路，其特征是，方波时序信号由FPGA单元产生。
3.根据权利要求1所述的一种低功耗EMCCD高压正弦驱动信号发生电路，其特征是，NMOS管采用增强型NMOS管。
4.根据权利要求1所述的一种低功耗EMCCD高压正弦驱动信号发生电路，其特征是，所述二级线圈采用双孔磁环线圈。
5.根据权利要求1所述的一种低功耗EMCCD高压正弦驱动信号发生电路，其特征是，NMOS管导通期间，二级线圈互感耦合，在次级线圈内形成电流，对次级回路LCR振荡电路中的电容进行充电，形成次级回路的初始电压，并补偿次级回路中损失的能量，维持次级线圈的振荡。
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