CN201533353U - 天文用ccd相机的ccd周边电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种双通道读出的天文用CCD相机的CCD周边电路，它由CCD周边的阻容网络和输出模拟信号前置放大电路组成，其中CCD器件为TH7899M，阻容网络构成CCD直流偏置电源的RC滤波电路，驱动时钟的接入采用电容网络。本实用新型所公开的CCD周边电路的结构和器件的选取原则，也可用于其它中高速读出的CCD器件及其周边电路的设计之中，整个电路简单实用，同时适合于全帧成像和帧转移成像。结合适当的布局和布线，可得到具有一定放大倍数的低噪声的CCD模拟输出信号。
Description
所属技术领域
本实用新型涉及一种天文用CCD相机的CCD周边电路，尤其是一种能用于天文观测的CCD相机在双通道读出模式下的CCD周边电路。
背景技术
CCD是一种光电转换器件，从上世纪70年代以来，作为光学图像的电子传感器，被广泛应用于各类光电成像系统中。在安全监控及电视摄像系统、民用和军用CCD照相机、科学级成像系统中，都有各种不同种类和不同级别的CCD器件。由于CCD是光电成像器件，要使其正常工作，除了要有一个优良的光学系统进行光学成像之外，还需要一个优良的外围电路与系统来支持它的电气运行。就CCD相机电路来说，主要包括CCD周边电路、偏置电源电路、时钟驱动电路、模拟信号处理电路、时序发生电路和数字控制电路等。在科学研究应用中，特别是在夜间天文观测用的CCD相机系统中，对成像性能的要求十分苛刻。为此，天文用CCD相机电路的设计，就以CCD器件为核心，采用一些特殊的技术与方法，以保证能达到或接近所选用的CCD器件本身的性能。也就是说，要在电路设计和制作的过程中，尽量减小CCD周边及其它辅助电路对其性能的影响。
CCD是相机或成像系统的心脏，其周边电路的好坏，直接影响整个CCD成像系统的性能，它是整个相机电路中十分重要的一部分。不同相机的CCD周边电路不尽相同，即使对于相同的CCD器件，随着现代半导体产品的更新和电子技术的发展，其周边电路在实现的技术方案上也会不断有一些新的发展和革新。
发明内容
本实用新型提供一种天文用CCD相机的CCD周边电路，该电路采用Atmel公司生产的CCD器件TH7899M作为相机的图像传感器，并以Texas Instruments公司生产的集成运算放大器OPA842为基础构建CCD模拟信号前置放大电路。
实用新型的技术方案是：天文用CCD相机的CCD周边电路，由CCD周边电路和输出模拟信号前置放大电路组成，具体由偏置电源RC滤波电路、CCD器件TH7899M、时钟驱动信号接入电容网络和以射极跟随器、隔直电容、运算放大器OPA842和限带RC环节等构成的前置放大器电路。CCD器件的直流电源端和其它偏置输入端通过阻容网络与外部输入电源相连接，其垂直、水平时钟输入端通过电容网络与外部输入驱动时钟相连接，其模拟信号输出端后接前置放大电路。
在这种天文用CCD相机的CCD周边电路中，与TH7899M的第1、2输出放大器相关的各偏置及电源输入端悬空、第1、2输出放大器的CCD模拟信号输出端也悬空；与TH7899M的第3、4输出放大器相关的各偏置和电源输入端均通过一个RC滤波电路接相应的外部偏置电源。CCD的水平、垂直时钟按TH7899M规定的第17种工作模式，与接入CCD的时钟输入引脚相接，且外部输入的水平、垂直驱动时钟都对地接有一个电容。
此外，这种天文用CCD相机的CCD周边电路中的前置放大电路则是由射极跟随器、隔直电容、运算放大器OPA842构成的同相放大器和限带RC环节顺序连接构成的。
本实用新型的有益效果是：用TH7899M作为光电成像器件，用简单的RC网络作为其偏置电源的滤波电路，用射极跟随器、隔直电容和集成运算放大器OPA842构成的CCD模拟信号前置放大器，整个电路简单实用，同时适合于全帧成像和帧转移成像。结合适当的布局和布线，可得到具有一定放大倍数的低噪声的CCD模拟输出信号。
下面结合附图详细说明本实用新型的具体结构，但本实用新型的结构不限于附图所示。
附图说明
图1是CCD周边电路功能框图。
图2是TH7899M CCD器件的周边电路图。
图3是TH7899M的模拟信号前置放大器电路图。
具体实施方式
图1中，由多个RC滤波电路组成的阻容网络1，CCD器件2为TH7899M，由多个电容器组成的电容网络3，由射极跟随器、隔直电容、运算放大器OPA842和限带RC环节等顺序构成的前置放大器电路4，外部偏置电源输入端5，外部驱动时钟输入端6，放大后的CCD模拟信号输出端7。
CCD周边电路的实施例如图2所示，电路的核心是CCD器件TH7899M，使用其片上输出放大器3、4作为CCD模拟输出通道，另外2个片上输出放大器1、2则不使用。因此，TH7899M中与片上输出放大器1、2关联的偏置电源输入引脚VDD1、VDD2、VDR1、VDR2、VGL1、VGL2、VGS1、VGS2、VS1、VS2均悬空；而与片上输出放大器3、4关联的偏置电源输入引脚VDD3、VDD4、VDR3、VDR4、VGL3、VGL4、VGS3、VGS4、VS3、VS4分别通过简单的RC滤波网络与相应的偏置电源输入端连接，VS3、VS4接地；VEDA、VEDB则并接后经同一个RC滤波网络与相应的偏置电源输入端连接；与片上输出放大器1、2关联的水平转移时钟驱动输入引脚LB1、LB2、LB3、LB4、LB5、LB6、R1、R2、S1、S2均通过一个RC滤波电路接水平的高电平偏置电源；时钟驱动输入引脚的连接采用TH7899M说明书确定的第17种工作模式(帧转移成像模式之一)相同，即与片上输出放大器3、4关联的水平转移时钟驱动输入引脚LA1、LA3、LA5连接第一相水平时钟HL1_A，LA2、LA4、LA6接第二相水平时钟HL2_A，R3、R4接水平复位时钟HR34，S3、S4连接水平和阱时钟HS34；CCD的垂直转移时钟驱动输入引脚PA1、PB1、TA连接垂直时钟VMA，PA2、PB2连接垂直时钟VMD，PA3、PB3连接垂直时钟VMC，PA4、PB4连接垂直时钟VMB，PC1、PD1连接垂直时钟VPA，PC2、PD2连接垂直时钟VPD，PC3、PD3连接垂直时钟VPC，PC4、PD4连接垂直时钟VPB，TB通过一个RC滤波电路连接垂直的低电平偏置电源；与片上输出放大器1、2关联的输出引脚VOS1、VOS2悬空，与片上输出放大器3、4关联的输出引脚VOS3、VOS4则连接其后的前置放大电路；其余引脚接地。引入的水平、垂直时钟都对地连接有一个小电容，用于调节时钟的上升沿和下降沿。
通过对比TH7899M的说明书可知，该子电路中驱动时钟输入引脚的连接方式，同时满足TH7899M的第14种工作模式(全帧成像模式之一)，因此，可以很方便地使TH7899M同时兼备全帧成像和帧转移成像运行的条件，所以这种周边电路的连接方式，同时适合于TH7899M的全帧成像和帧转移成像电路设计。
图2所示CCD周边电路中电阻、电容的选取：每一个RC滤波电路环节的电阻器电阻值应根据CCD工作时该引脚的电流值确定，而电容器的电容值则应根据工作频率确定。例如对于接VDD3、VDD4的电阻，由于这2个引脚的电流可达10mA，故电阻值可取100Ω或更小一点，对工作在中高读出频率的电路，电容可选为0.1uF。与水平、垂直驱动时钟信号相连接的电容，可根据实际调试情况决定，例如当某个时钟的上升沿或下降沿宽度(时间)窄时，加大该时钟所连接的电容，延长电平转换的过渡过程。
前置放大电路的实施例如图3所示，该电路的输入就是CCD输出信号Vccdout，首先进入由R3、R4、R9和Q1组成的射极跟随器。由于射极跟随器的放大倍数约为0.96(略小于1)，信号幅度会稍稍减小，但使用射极跟随器作为CCD信号的缓冲器，有利于CCD信号的提取并对CCD片上输出放大器起到保护作用。射极跟随器后连接隔直电容C11，可去除Vccdout中的直流成份，以便后级同相放大器进行模拟信号的放大。前置放大电路的末级是由集成运算放大器OPA842和电阻R11、R16连接成的标准同相放大器。该放大器放大后的模拟信号经电阻R6、电容C61、射频同轴连接器J1和屏蔽线输出到后续的模拟信号处理电路中。通过前置放大电路后的模拟输出信号V_out与关系Vccdout大致为 。为减小白噪声的影响，使用限带RC环节，即图中R6和C61。
由于CCD器件使用两路模拟图像信号输出VOS3、VOS4，所以实施时必须有两个前置放大电路。每个前置放大器电路中主要的器件选择如下：
射极跟随器中三极管和电阻的选取：TH7899M的模拟信号输出端可看作一个具有10.5V直流并叠加了交变模拟图像信号(小信号)后串联一个约230Ω电阻的实际信号源。对于其后接的射极跟随器，输入电阻一般应大于10kΩ，电压放大倍数在0.95至0.97之间；三极管Q1应具有良好的中高频率电流放大能力，其电流放大倍数应在300至400之间，小信号输入阻抗在10kΩ左右。由此可以推算出图3中R9应在500Ω至800Ω之间为宜，R4在R9的五分之一附近取值，R3在R4的五分之一附近取值。
图3中，隔直电容C11的大小根据CCD读出频率决定，通常可选1uF或0.1uF。R10是射极跟随器的交流负载电阻，一般取值为10kΩ。
经过同相放大器(见图3)的模拟图像信号被放大了
倍。这里反馈电阻R11和增益电阻R16应根据CCD交变模拟图像信号的最大幅值、射极跟随器的放大倍数和后续模拟信号处理电路的最大输入信号幅值共同决定。
在此前置放大电路中，当没有OPA842的情况下，集成运算放大器可用OPA642替代。
限带RC环节中阻容参数的确定：由于射频同轴连接器J1接屏蔽线，图3中R6是就选为屏蔽线的端接电阻，其电阻值由所用的屏蔽线决定，通常是50Ω或75Ω，而电容C61则由CCD读出频率决定的该RC环节的最大截止频率(应等于
)来近似估算。
在图2、图3中，除CCD器件和插座之外，其它均应选用表贴封装的元器件。图3中的电源滤波电路是必需的，极性电容器选用钽电容，磁珠和电容的参考应根据电路的工作频率来确定。
Claims (4)
1.一种天文用CCD相机的CCD周边电路，其特征是：CCD器件(2)为TH7899M，其直流电源端和其它偏置输入端通过阻容网络(1)与外部输入电源(5)相连接，其垂直、水平时钟输入端通过电容网络(3)与外部输入驱动时钟(6)相连接，其模拟信号输出端后连接前置放大电路(4)。
2.根据权利要求1所述的天文用CCD相机的CCD周边电路，其特征是：与TH7899M的第1、2输出放大器相关的各偏置及电源输入端悬空、第1、2输出放大器的CCD模拟信号输出端也悬空；与TH7899M的第3、4输出放大器相关的各偏置和电源输入端均通过一个RC滤波电路连接相应的外部偏置电源。
3.根据权利要求1所述的天文用CCD相机的CCD周边电路，其特征是：水平、垂直时钟按TH7899M规定的第17种工作模式，与接入CCD的时钟输入引脚相接，且外部输入的水平、垂直驱动时钟都对地接有一个电容。
4.根据权利要求1所述的天文用CCD相机的CCD周边电路，其特征是：所述的前置放大电路(4)由射极跟随器、隔直电容、运算放大器OPA842构成的同相放大器和限带RC环节顺序连接构成。
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