然而，較長的電路板走線產(chǎn)生的寄生電容和CCD輸出電阻形成的低通電路嚴(yán)重限制了帶寬。因此，本文提出的的電路設(shè)計方案采用了高頻補償方法解決了帶寬限制的問題。在電路板設(shè)計時采用去除運算放大器反饋端地平面的方法避免了放大電路自激振蕩。
0 引言
電荷耦合器件(CCD)具有低噪聲、寬動態(tài)范圍、高速以及線性響應(yīng)等優(yōu)點。在高速成像應(yīng)用中，CCD必須具有多通道輸出的能力。通過多通道并行輸出提高成像系統(tǒng)的速度。每個通道的速度也要保持較高的速度，通常每個通道的工作速度能達到25~40 MHz.CCD 的輸出電阻并不是很小，一般情況下其輸出電阻可以達到300 Ω左右。因此需要預(yù)放電路進行阻抗變換，使輸出電阻變小。且要使預(yù)放電路盡可能靠近CCD.因為如果預(yù)放電路和CCD 有一定距離時，電路板走線會存在一定的寄生電容。該寄生電容和CCD 輸出電阻形成一階低通電路，從而限制電路的帶寬。然而，CCD多通道輸出需要多個放大器對信號進行放大。當(dāng)放大器數(shù)量較多時，電路板布局時就沒有足夠的空間使放大器靠近CCD 放置。放大器不能靠近CCD 放置，走線寄生電容就會限制帶寬。所以只能通過高頻補償技術(shù)來擴展帶寬。需要注意到是，高頻補償時一定不要導(dǎo)致放大器工作不穩(wěn)定。此外高速運算放大器設(shè)計不當(dāng)也極易產(chǎn)生自激振蕩。因此，通過電路板設(shè)計中去除運算放大器反饋端地平面的方法避免自激振蕩。
1 多通道CCD預(yù)放電路設(shè)計
多通道CCD預(yù)放電路中各個通道應(yīng)該是完全一致的，這可以保證各個通道導(dǎo)致的成像結(jié)果具有一致性。
因此，下面設(shè)計討論一個通道的設(shè)計，其他通道采用完全相同的設(shè)計即可。首先對CCD輸出電阻和電路板走線進行分析，如圖1所示。CCD輸出可以等效為電壓源V 和串聯(lián)等效電阻Rc .走線可以直接用寄生電容Cp 來表示。那么由于電阻和電容構(gòu)成了低通電路，因此會限制帶寬。式(1)給出其傳遞函數(shù)。
可見存在一個極點s = -1/RgCp ,即系統(tǒng)在大于該極點對應(yīng)頻率后，響應(yīng)會按照每十倍頻程20 dB下降。
為了不讓該極點限制帶寬，必須使用零點來抵消這一極點。實現(xiàn)這一功能的電路如圖2所示。該電路的傳遞函數(shù)由式(2)給出。該電路引入了一個零點s = -1/ (Rg + Rf )Cg .所以只有讓該零點等于上述極點即可實現(xiàn)高頻補償。即滿足式(3)即可。該電路在引入零點的同時也引入了一個極點s = -1/ RgCg ,所以需要使該極點頻率盡可能高，也即Rg 的值要足夠大。
反饋網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)由式(4)給出：
電路中的反饋網(wǎng)絡(luò)并不會使放大器不穩(wěn)定。因為反饋網(wǎng)絡(luò)有一個極點，使得相位會產(chǎn)生延遲，但是反饋網(wǎng)絡(luò)的零點則使相位產(chǎn)生超前。因此反饋網(wǎng)絡(luò)使得相位先產(chǎn)生一定的延遲，然后在高頻處回到了零相位。
這樣不會對放大器產(chǎn)生穩(wěn)定性問題。
2 CCD預(yù)放電路的電路板設(shè)計
高速運算放大器的電路板設(shè)計是電路實現(xiàn)的一個非常重要的部分。即使電路原理設(shè)計的再好，隨意的電路板設(shè)計也會使電路達不到要求甚至產(chǎn)生問題。其中，高速運算放大器的穩(wěn)定性會受到電路板設(shè)計的重要影響。電路板對電路性能的影響產(chǎn)生的主要原因是電路板的寄生參數(shù)問題。例如一個運算放大器在電路實現(xiàn)后的等效電路如圖3所示。
運算放大器的反相端對地電容對放大器的穩(wěn)定性具有較大的影響。因為反相端的對地電容和反饋電阻Rf 在反饋通路上形成了一個額外的極點，該極點使得相位延遲。相位延遲會使得在高頻時，負(fù)反饋變成了正反饋，從而導(dǎo)致自激振蕩。解決這一問題的方法就是把這一寄生電容去除。在具體電路板實現(xiàn)時，就是把反饋端下面的地平面去除。一個雙通道的運算放大器布局布線圖如圖4所示。該放大器為DIP8封裝，其中2腳和6腳為兩個通道的反饋端。所以2腳和6腳下面的地平面要去除。而反饋電阻焊盤下面的地平面同樣也要去除。這樣反饋通道中的寄生電容就降到了最低，可以保證放大器的穩(wěn)定工作。此外，放大器穩(wěn)定工作和低噪聲工作的前提是電源要合理去耦。圖4中正負(fù)電源的去耦電容都盡可能近地靠近相應(yīng)電源管腳放置。這樣可以有效地降低去耦電路的等效電感，在較寬的頻帶內(nèi)提供足夠的去耦。
3 實驗結(jié)果
為了驗證設(shè)計，對設(shè)計的電路利用LTspice軟件進行了電路仿真。CCD輸出等效電阻Rc 為300 Ω。走線寄生電容Cp 為20 pF.其3 dB 帶寬只有26.5 MHz,其幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)曲線如圖5所示。預(yù)放電路的帶寬應(yīng)該為CCD 像素轉(zhuǎn)移頻率的4~5倍。因此如果像素時鐘頻率達到25 MHz,那么寄生電容就嚴(yán)重限制了電路帶寬。所以需要進行高頻補償來展寬帶寬。這里Rf取值為1 kΩ，Rg 取值為0.28 kΩ，Cg 取值為4.7 pF,這時就能滿足式(3)的要求。
圖6所示為補償后的頻率響應(yīng)，可見帶寬擴展已經(jīng)超過了100 MHz.
高頻補償后的放大器對方波的響應(yīng)如圖7所示。
放大器的開環(huán)頻率響應(yīng)如圖8所示，可以看出當(dāng)放大倍數(shù)將為0 dB時，相位為-145°，不存在穩(wěn)定性問題。
4 結(jié)論
本文所提出的高速多通道CCD預(yù)放電路設(shè)計方案，對于預(yù)放電路中存在的預(yù)放電路不能足夠靠近CCD的問題以及高速運算放大器存在容易自激振蕩的問題。方案針對上述兩個問題，從電路原理和電路板設(shè)計的角度進行了高速多通道CCD預(yù)放電路分析和設(shè)計。本方案從電路原理設(shè)計中應(yīng)用高頻補償技術(shù)，有效地解決了帶寬限制問題。通過電路板設(shè)計中去除運算放大器反饋端地平面的方法有效地避免了自激振蕩。因此，該設(shè)計方案可以有效地應(yīng)用在高速多通道CCD 成像電路中。
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