一種高速EM CCD 圖像傳感器CCD97時序驅(qū)動電路的設(shè)計方法

    EMCCD （ E lectr on Mult iply ing Charg e Co upledDevice） 是新一代高質(zhì)量微光成像器件。與傳統(tǒng)CCD（ Charg e Coupled Device） 相比， 它采用了片上電子增益技術(shù)， 利用片上增益寄存器使圖像信息在電子轉(zhuǎn)移過程中得到放大， 這使得它在很高的讀出速率下仍具有相對很低的讀出噪聲， 能在微光源下高分辨力成像。

　　EMCCD的這些特性使其在航天微光目標(biāo)探測、微光生命科學(xué)成像、軍用高性能夜視探測等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。EMCCD 驅(qū)動電路是EMCCD 應(yīng)用的核心技術(shù)， 其性能直接影響到成像質(zhì)量。目前常用的時序產(chǎn)生方法有以下幾種：

　?。?1） 直接數(shù)字電路驅(qū)動法。這種方法原理簡單， 容易實現(xiàn)。但是邏輯設(shè)計較復(fù)雜， 調(diào)試非常困難， 而且在實際電路中因使用芯片較多， 為整個系統(tǒng)帶來不可靠性。

　?。?2） MCU 驅(qū)動法。該方法是通過編程MCU 的I/ O端口來獲得CCD 驅(qū)動脈沖信號的。這種方法的靈活性好， 精度也可以很高， 對不同的CCD 器件只需要修改程序即可。由于CCD 的驅(qū)動頻率為MHz 級， 使得選用MCU 器件的工作頻率必須很高（ 提高了硬件成本） , 同時因頻繁的中斷和任務(wù)調(diào)度使MCU 效率很低。

　　（ 3） EPROM 驅(qū)動法。這種驅(qū)動電路一般由晶體震蕩器、計數(shù)電路和EPROM 存儲器構(gòu)成。這種驅(qū)動時序產(chǎn)生方法， 結(jié)構(gòu)簡單、明確， 調(diào)試容易， 缺點是結(jié)構(gòu)尺寸太大， 對于實現(xiàn)復(fù)雜的驅(qū)動時序有較大困難。

　?。?4） 專用IC 驅(qū)動方法。這種方法就是利用CCD專用IC 來產(chǎn)生時序， 集成度高， 功能強， 使用方便。對攝像機等視頻領(lǐng)域應(yīng)用的CCD 或三元彩色CCD, 這種驅(qū)動方法是首選。一般由相應(yīng)的CCD 廠家提供。

　　另一種更有效的方法就是使用CPLD, FPGA 等大規(guī)模可編程邏輯器件實現(xiàn)。通過對該邏輯器件的編程，能實現(xiàn)任意復(fù)雜的時序邏輯， 且調(diào)試方便， 只使用一片集成電路以及少數(shù)外圍器件， 故可靠性高。本文即采用這種方法， 實現(xiàn)了CCD97 所需的12 路驅(qū)動時序。

　　1  CCD97 簡介

　　CCD97 是E2V 公司的背照式低照度CCD 圖像傳感器， 有效像素512 × 512, 像素大小16 μm  × 16 μm, 它是幀轉(zhuǎn)移型CCD, 芯片采用反向輸出模式抑制暗電流，其靈敏度高， 噪聲控制方面精益求精， 由于采用新的輸出放大電路， 使它能在11 MHz 的像素讀出速率下， 以低于1 電子/ 像素的超低噪聲工作， 其量子效率高達(dá)92. 5%。它獲取圖像速度快， 具有正常CCD 和EMCCD雙讀出模式。在微光成像系統(tǒng)中更具有優(yōu)越性， 能實現(xiàn)真正意義上的24 h 實時監(jiān)控。

　　2  驅(qū)動電路的設(shè)計

　　2. 1 CCD97 驅(qū)動電路的要求

　　成像區(qū)向存儲區(qū)的轉(zhuǎn)移波形如圖1 所示。

圖1  成像區(qū)向存儲區(qū)的轉(zhuǎn)移波形

　　信號電荷在增益寄存器中的轉(zhuǎn)移波形如圖2 所示。

　　圖2 為信號電荷在增益寄存器中的轉(zhuǎn)移波形， 轉(zhuǎn)移脈沖RΦ2HV 的高電平必須先于RΦ1 和RΦ2 到達(dá)， 同時RΦ1 和RΦ2 需要交替變化。

圖2 增益寄存器信號電荷轉(zhuǎn)移時序相位關(guān)系

　　幀轉(zhuǎn)移時序如下：

　　IΦ 與SΦ 為幀轉(zhuǎn)移脈沖， RΦ1, 2, 3 為行轉(zhuǎn)移脈沖。IΦ 與SΦ 的典型工作頻率為1 MHz, R Φ 的工作頻率為11 MHz。

　　在I 1, 2 和I 3, 4 反向時序下， 將成像區(qū)圖像信號逐行轉(zhuǎn)移至存儲區(qū)。需要轉(zhuǎn)移的行數(shù)為512+ 8+ 8= 528。

　　行轉(zhuǎn)移時序圖：

　　與幀轉(zhuǎn)移結(jié)束， 在轉(zhuǎn)移時序R 1, 2, 3 以及R HV的時序作用下， 存儲區(qū)的圖像以行為單位進(jìn)行轉(zhuǎn)移， 逐像素通過移位寄存器組， 然后從讀出放大器讀出（ EMCCD讀出模式） , 其操作時序如圖3 所示。

圖3行轉(zhuǎn)移時序圖

　　CCD97 所需的電壓和波形如表1所示。

表1  CCD97 時序信號的電壓需求

　　由CPLD, FPGA 等可編程器件發(fā)生的時序邏輯冒充為TT L 型， 要想它能驅(qū)動CCD97 工作， 必須按照表1進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

　　2. 2驅(qū)動電路的設(shè)計：

　　該系統(tǒng)選用的FPGA 芯片為Altera 公司Cyclone系列的FPGAEP1C3T 100, 其有100 個管腳封裝， I/ O的電源為3. 3 V , 內(nèi)核電壓為1. 5 V, 有1 個鎖相環(huán)（ PLL） , 2 個專用全局時鐘輸入管腳CLK0、CLK1, 5 個雙重用途時鐘管腳DPCLK。EP1C3T100 是SRAM 型的可編程邏輯器件， 本身并不能固化程序， 因此需要通過一片F(xiàn)LASH 結(jié)構(gòu)的配置芯片來存儲邏輯配置信息。

　　從Altera 公司提供的數(shù)據(jù)手冊， 可知Cy clo ne 系列的FPGA 僅支持EPCS1, EPCS4 以及EPCS16。而選用的EP1C3T 100 中， 其原始二進(jìn)制文件大小為627 376 b, 使用EPCS1（ 1 048 576 b） 的配置芯片。使用EPCS 配置芯片在主動串行模式（ A S） 下（ MSEL[ 0. . 1] 置地） , 即可實現(xiàn)上電后， 將存儲器件中的數(shù)據(jù)傳送到EP1C3T100 中。系統(tǒng)通過ARM 加載驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)對FPGA 的配置， 驅(qū)動FPGA 產(chǎn)生CCD 的工作時序。本系統(tǒng)選用Atmel 公司的AT 91RM9200 的處理器。它是基于ARM920T 內(nèi)核， 主頻為180 MHz, 運行性能可達(dá)200 MIPS, 擁有獨立的16 KB 指令和數(shù)據(jù)Cache, 并配備有16 KB 的SRAM 以及128 KB的ROM。

　　EP1C3T 100 芯片內(nèi)含1 個PLL, 外接40 MHz 有源晶振為PLL 提供時鐘。時鐘模塊通過Quartus 的megafunct ions 下的altpll 配置生成。采用非補償模式， 輸入/ 輸出時鐘比為5 ：1, 輸出的2 路時鐘c0, c1 均為200 MHz。其中c0 為clk_gen 模塊提供基礎(chǔ)時鐘。

　　同時c1 產(chǎn)生相位需要調(diào)整的RΦ2HV, 用以滿足CCD97 增益寄存器轉(zhuǎn)移過程中的嚴(yán)格時序要求。

　　在FPGA 時序發(fā)生設(shè)計中， 依照CCD97 工作的流程， 進(jìn)行逆序設(shè)計。從最高頻率的像素移位讀出時鐘到行轉(zhuǎn)移時鐘最后到幀轉(zhuǎn)移這樣的流程進(jìn)行設(shè)計?？驁D如圖4 所示。

圖4  驅(qū)動時序設(shè)計框圖

　　2. 2. 1   I Φ, S Φ, RΦ 驅(qū)動設(shè)計：

　　在設(shè)計I Φ, SΦ 以及RΦ驅(qū)動電路時， 統(tǒng)一采用Elantec 半導(dǎo)體公司的EL7457。它是高速四通道CMOS 驅(qū)動器， 能工作在40 MHz, 并提供2 A 的峰值驅(qū)動能力， 以及超低的等效阻抗（ 3Ω ） , 它具有3 態(tài)輸出， 并通過OE 控制， 這對于CCD 的驅(qū)動來說， 容易實現(xiàn)靈活的電源管理。為了簡化設(shè)計， 固定RΦ2HV 的電壓幅值為典型值。在組成IΦ和S Φ 的驅(qū)動電路時必須考慮CCD97 驅(qū)動端的等效電容和電阻， 如表2 所示。

圖5  CCD97 驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)原理框圖

表2 CCD97 驅(qū)動端等效電容及電阻

　　電路的時間常數(shù)：

　　又因為上升時間與時間常數(shù)的關(guān)系為：

　　為了滿足最佳上升時間（ 200 ns） 的要求， 必須在EL7457 驅(qū)動輸出端串上一個小電阻， 原理如圖6 所示。

　　圖6 中， FPGA _ CLKI1, FPGA _ CLKI2, FPGA _CLKI3, FPGA _ CLKI4 為FPGA 產(chǎn)生的T T L 時序。

　　ARM_IOE 為ARM 核產(chǎn)生的門控信號， 用來控制驅(qū)動脈沖I Φ1, 2, 3, 4 的開關(guān)。由于理論與實際計算的誤差， 輸出串接電阻R9 , R10 , R 13 , R14 將通過硬件調(diào)試過程確定， 以產(chǎn)生驅(qū)動CC97 工作的最佳波形。同理， FPGA_ CLKS1, FPGA _ CLKS2, FPGA _ CLKS3, FPGA _CLKS4 為FPGA 產(chǎn)生的TT L 時序。A RM _SOE 為ARM 產(chǎn)生的門控信號， 輸出串接電阻待定。

圖6  IΦ 1, 2, 3, 4; SΦ 1, 2, 3, 4 驅(qū)動產(chǎn)生

　　在RΦ1, 2, 3 產(chǎn)生電路中， 因為其電壓擺幅要求為0~ 12 V, 故給它加以12 V 的電源（ 見圖7） 。

圖7  RΦ1, 2, 3 驅(qū)動產(chǎn)生電路

　　它的驅(qū)動頻率為11 MHz, 輸出的上升時間不需要串接電阻調(diào)節(jié)， 可達(dá)10 ns。同理， FPGA_CLKR1, FPΦGA_CLKR2, FPGA_CLKR3 為FPGA 產(chǎn)生的10 MHz的驅(qū)動時序， ARM _ROE 為ARM 產(chǎn)生的門控信號。

　　這里還產(chǎn)生了一路控制行數(shù)據(jù)丟棄DG（ Dump Gate） 門控信號。該信號的擺幅同RΦ1, 2, 3。以上電路的連接均通過Mult isim 仿真， 仿真波形如圖8、圖9 所示。

圖8 IΦ , SΦ 仿真波形

圖9  R Φ仿真波形

圖9  R Φ仿真波形

　　2. 2. 2  RΦ2HV 高壓倍增驅(qū)動設(shè)計

　　RΦ2HV 的幅值決定著倍增倍數(shù)， 是EMCCD 的一項重要可調(diào)參數(shù)， 必須在指定范圍內(nèi)可調(diào)以滿足不同場合的應(yīng)用。在設(shè)計RΦ2HV 時， 由于其驅(qū)動電壓擺幅高， 現(xiàn)有的專用驅(qū)動芯片不能滿足其高壓驅(qū)動要求， 必須采用特殊方法實現(xiàn)。根據(jù)E2V 的文檔， RΦ2HV 的波形即可以是正弦波， 也可以是方波。如果為方波， 則其高電平要先于R Φ1 變高， 如果為正弦波， 則要求其波峰要在RΦ1 下降時到達(dá)。

　　如果采用方波脈沖， 因為RΦ2HV 為11 MHz, 根據(jù)計算， 其系統(tǒng)值將達(dá)2 W, CCD97 上的功耗也將達(dá)到1 W; 如果采用正弦波形式， 可使CCD97 上的功耗降到100 mW。在此， 采用正弦波方式產(chǎn)生RΦ2HV。

　　周期矩形脈沖信號用傅里葉級數(shù)展開后， 除了基波外， 只有奇次諧波， 在通過一個低通濾波器后， 便能轉(zhuǎn)化成正弦波。因為FPGA 只能產(chǎn)生T TL 時序， 這里通過先將T TL 的方波轉(zhuǎn)化成正弦波， 即可通過一個7 階的巴特沃斯濾波器， 將20 MHz 以后的高頻分量衰減， 保留基頻。在得到10 MHz 的正弦信號后， 通過第一級放大， 這里采用Natio nal Semiconducto r 公司生產(chǎn)的LM6172 來構(gòu)成。LM6172 為雙通道高速、低失真、低功耗的電壓反饋型放大器。通過將LM6172 的雙放大器組合起來形成雙端輸入/ 雙端輸出以增加帶負(fù)載能力。

圖10  RΦ2HV 驅(qū)動發(fā)生電路

　　在設(shè)計中， 把基本的放大參數(shù)預(yù)設(shè)為使輸入正弦信號放大到21 V, 這樣產(chǎn)生的雙端信號經(jīng)過一個初次級電阻， 比為1 ：4 的高頻變換器達(dá)到輸出高電平為45 V、低電平為4 V 的驅(qū)動脈沖， 供電電源為正負(fù)18 V的供電電源。為了使CCD97 的增益可通過軟件控制調(diào)節(jié)， 這里使用了MAXIN 公司生產(chǎn)的數(shù)字電位計MAX5429, 預(yù)設(shè)目標(biāo)是電壓在40~ 50 V 可調(diào)節(jié)。通過計算， 反饋電阻參數(shù)如圖10 所示。其中， MAX5429 為10 KB, 其有32 個可編程節(jié)點， 上電后自動設(shè)置為節(jié)點16。在硬件電路設(shè)計完畢時， 可通過ARM_RCS（ 片選信號） , ARM_RUD（ 節(jié)點控制信號） 來調(diào)節(jié)輸出電壓，如圖10 所示。這樣通過對ARM 的對應(yīng)I/ O 口編程就能實現(xiàn)對CCD97 的增益調(diào)節(jié)。但是因為這里選用了并聯(lián)法， 故調(diào)節(jié)時增益是非線性變化的。圖11 為正弦信號輸入（ 經(jīng)濾波器輸出） 經(jīng)LM6172 以及高頻變換器后輸出的仿真波形。

　　2. 2. 3 CCD97 外圍電路

　　CCD97 除了需要外部的各種高擺幅轉(zhuǎn)移脈沖， 還需要各種幅值的控制信號輸入。

　　在該系統(tǒng)中， 為了簡化設(shè)計， 固定ABD（ 抗曝光） ,ΦRL、ΦRH high（ 視頻信號復(fù)位端） , DG high （ 行丟棄控制信號） , DD（ 電源） , OD（ 輸出放大器電源開光） , RD（ 復(fù)位上電電源） 的值為典型值， 分別為18 V, 0 V,10 V, 18 V, 24 V, 28 V, 17 V。ΦRL, ΦRH 的典型脈沖寬度為10 ns, 這里仍然采用EL7457 來產(chǎn)生。信號OG為控制CCD97 輸出的門控信號， 它同時控制兩種模式的輸出， 而ODH, ODL 分別為控制CCD 模式和EMCCD模式放大器輸出的電源開關(guān)。系統(tǒng)要求ODH和ODL 可控， 在需要時關(guān)閉， 這樣就要求通過模擬的開關(guān)來控制ODH, ODL 的電壓是+ 28 V 還是接地。

　　這里采用ADI 公司的ADG453, 它的VDD到GND 端的輸入電壓可達(dá)32 V, 模擬輸入/ 輸出值為V DD+ 2 V, 達(dá)到這里控制ODH, ODL 的通斷要求（ 28 V ） 。其中CCD 和EMCCD 端口分別為該CCD 的視頻信號輸出。

　　其輸出需要外接5 k Ω 的負(fù)載。

圖11 RΦ2H V 的仿真波形

　　3  結(jié) 語

　　提出了一種新型的CCD 驅(qū)動電路， 不僅可以達(dá)到幾十兆赫茲的驅(qū)動頻率， 而且編程方便， 硬件電路簡單，根據(jù)用戶需求， 只要更換晶振或適當(dāng)修改程序就能實現(xiàn)特定目的， 具有很強的靈活性。通過仿真及實驗驗證，該方法切實可行， 性價比高， 不僅適用于CCD 驅(qū)動電路設(shè)計， 對于其他需要多種邏輯信號的場合也同樣適用。