基于EMCCD的驱动电路设计

EMCCD(Electron MuItiplying Charge Coupled Device)是新一代高质量微光成像器件。与传统CCD(Charge Coupled Device)相比，它采用了片上电子增益技术，利用片上增益寄存器使图像信息在电子转移过程中得到放大，这使得它在很高的读出速率下仍具有相对很低的读出噪声，能在微光源下高分辨力成像。
    EMCCD的这些特性使其在航天微光目标探测、微光生命科学成像、军用高性能夜视探测等领域具有极大的应用潜力。EMCCD驱动电路是EM-CCD应用的核心技术，其性能直接影响到成像质量。目前常用的时序产生方法有以下几种：
    (1)直接数字电路驱动法。这种方法原理简单，容易实现。但是逻辑设计较复杂，调试非常困难，而且在实际电路中因使用芯片较多，为整个系统带来不可靠性。
    (2)MCU驱动法。该方法是通过编程MCU的I／O端口来获得CCD驱动脉冲信号的。这种方法的灵活性好，精度也可以很高，对不同的CCD器件只需要修改程序即可。由于CCD的驱动频率为MHz级，使得选用MCU器件的工作频率必须很高(提高了硬件成本)，同时因频繁的中断和任务调度使MCU效率很低。
    (3)EPROM驱动法。这种驱动电路一般由晶体震荡器、计数电路和EPROM存储器构成。这种驱动时序产生方法，结构简单、明确，调试容易，缺点是结构尺寸太大，对于实现复杂的驱动时序有较大困难。
    (4)专用IC驱动方法。这种方法就是利用CCD专用IC来产生时序，集成度高，功能强，使用方便。对摄像机等视频领域应用的CCD或三元彩色CCD，这种驱动方法是首选。一般由相应的CCD厂家提供。
    另一种更有效的方法就是使用CPLD，FPGA等大规模可编程逻辑器件实现。通过对该逻辑器件的编程，能实现任意复杂的时序逻辑，且调试方便，只使用一片集成电路以及少数外围器件，故可靠性高。本文即采用这种方法，实现了CCD97所需的12路驱动时序。

1 CCD97简介
    CCD97是E2V公司的背照式低照度CCD图像传感器，有效像素512X512，像素大小16μm×16 μm，它是帧转移型CCD，芯片采用反向输出模式抑制暗电流，其灵敏度高，噪声控制方面精益求精，由于采用新的输出放大电路，使它能在11 MHz的像素读出速率下，以低于1电子／像素的超低噪声工作，其量子效率高达92．5％。它获取图像速度快，具有正常CCD和EMCCD双读出模式。在微光成像系统中更具有优越性，能实现真正意义上的24 h实时监控。

2 驱动电路的设计
2．1 CCD97驱动电路的要求
    成像区向存储区的转移波形如图1所示。

    信号电荷在增益寄存器中的转移波形如图2所示。图2为信号电荷在增益寄存器中的转移波形，转移脉冲Rφ2HV的高电平必须先于Rφ1和Rφ2到达，同时Rφ1和Rφ2需要交替变化。

    帧转移时序如下：
    Iφ与Sφ为帧转移脉冲，Rφ1，2，3为行转移脉冲。Iφ与Sφ的典型工作频率为1 MHz，Rφ的工作频率为11 MHz。
    在Iφ1，2和Iφ3，4反向时序下，将成像区图像信号逐行转移至存储区。需要转移的行数为512+8+8=528。
    行转移时序图：
    与帧转移结束，在转移时序Rφ1，2，3以及RφHV的时序作用下，存储区的图像以行为单位进行转移，逐像素通过移位寄存器组，然后从读出放大器读出(EMCCD读出模式)，其操作时序如图3所示。

    CCD97所需的电压和波形如表1所示。

    由CPLD，FPGA等可编程器件发生的时序逻辑冒充为TTL型，要想它能驱动CCD97工作，必须按照表1进行电平转换。
2．2 驱动电路的设计
    该系统选用的FPGA芯片为Altera公司Cyclone系列的FPGAEP1C3T100，其有100个管脚封装，I／O的电源为3．3 V，内核电压为1．5 V，有1个锁相环(PLL)，2个专用全局时钟输入管脚CLK0、CLK1，5个双重用途时钟管脚DPCLK。EP1C3T100是SRAM型的可编程逻辑器件，本身并不能固化程序，因此需要通过一片FLASH结构的配置芯片来存储逻辑配置信息。从Altera公司提供的数据手册，可知Cyclone系列的FPGA仅支持EPCS1，EPCS4以及EPCS16。而选用的EP1C3T100中，其原始二进制文件大小为627 376 b，使用EPCS1(1 048 576 b)的配置芯片。使用EPCS配置芯片在主动串行模式(AS)下(MSEL[0．．1]置地)，即可实现上电后，将存储器件中的数据传送到EP1C3T100中。系统通过ARM加载驱动程序实现对FPGA的配置，驱动FPGA产生CCD的工作时序。本系统选用Atmel公司的AT91RM9200的处理器。它是基于ARM920T内核，主频为180 MHz，运行性能可达200 MIPS，拥有独立的16 KB指令和数据Cache，并配备有16 KB的SRAM以及128 KB的ROM。
    EP1C3T100芯片内含1个PLL，外接40 MHz有源晶振为PLL提供时钟。时钟模块通过QliartusⅡ的megafunctions下的altpll配置生成。采用非补偿模式，输入／输出时钟比为5：1，输出的2路时钟c0，c1均为200 MHz。其中c0为clk_gen模块提供基础时钟。同时c1产生相位需要调整的Rφ2HV，用以满足CCD97增益寄存器转移过程中的严格时序要求。
    在FPGA时序发生设计中，依照CCD97工作的流程，进行逆序设计。从最高频率的像素移位读出时钟到行转移时钟最后到帧转移这样的流程进行设计。框图如图4所示。 [p]

2．2．1 Iφ，Sφ，Rφ驱动设计
    在设计Iφ，Sφ以及Rφ驱动电路时，统一采用Elantec半导体公司的EL7457。它是高速四通道CMOS驱动器，能工作在40MHz，并提供2 A的峰值驱动能力，以及超低的等效阻抗(3 Ω)，它具有3态输出，并通过OE控制，这对于CCD的驱动来说，容易实现灵活的电源管理。为了简化设计，固定Rφ2HV的电压幅值为典型值。在组成Iφ和Sφ的驱动电路时必须考虑CCD97驱动端的等效电容和电阻，如表2所示。

    电路的时间常数：
   
    又因为上升时间与时间常数的关系为：
   
    为了满足最佳上升时间(200 ns)的要求，必须在EL7457驱动输出端串上一个小电阻，原理如图6所示。

    图6中，FPGA_CLKI1，FPGA_CLKI2，FPGA_CLKI3，FPGA_CLKI4为FPGA产生的TTL时序。ARM_IOE为ARM核产生的门控信号，用来控制驱动脉冲Iφ1，2，3，4的开关。由于理论与实际计算的误差，输出串接电阻R9，R10，R13，R14将通过硬件调试过程确定，以产生驱动CC97工作的最佳波形。同理，FPGA_CLKS1，FPGA_CLKS2，FPGA_CLKS3，FPGA_CLKS4为FPGA产生的TTL时序。ARM_SOE为ARM产生的门控信号，输出串接电阻待定。
    在Rφ1，2，3产生电路中，因为其电压摆幅要求为0～12 V，故给它加以12 V的电源(见图7)。

    它的驱动频率为11 MHz，输出的上升时间不需要串接电阻调节，可达10 ns。同理，FPGA_CLKR1，FP-GA_CLKR2，FPGA_CLKR3为FPGA产生的10 MHz的驱动时序，ARM_ROE为ARM产生的门控信号。这里还产生了一路控制行数据丢弃DG(Dump Gate)门控信号。该信号的摆幅同Rφ1，2，3。以上电路的连接均通过Multisim仿真，仿真波形如图8、图9所示。 [p]

2．2．2 Rφ2HV高压倍增驱动设计
    Rφ2HV的幅值决定着倍增倍数，是EMCCD的一项重要可调参数，必须在指定范围内可调以满足不同场合的应用。在设计Rφ2HV时，由于其驱动电压摆幅高，现有的专用驱动芯片不能满足其高压驱动要求，必须采用特殊方法实现。根据E2V的文档，Rφ2HV的波形即可以是正弦波，也可以是方波。如果为方波，则其高电平要先于Rφ1变高，如果为正弦波，则要求其波峰要在Rφ1下降时到达。
    如果采用方波脉冲，因为Rφ2HV为11 MHz，根据计算，其系统值将达2 W，CCD97上的功耗也将达到1 W；如果采用正弦波形式，可使CCD97上的功耗降到100 mW。在此，采用正弦波方式产生Rφ2HV。
    周期矩形脉冲信号用傅里叶级数展开后，除了基波外，只有奇次谐波，在通过一个低通滤波器后，便能转化成正弦波。因为FPGA只能产生TTL时序，这里通过先将TTL的方波转化成正弦波，即可通过一个7阶的巴特沃斯滤波器，将20 MHz以后的高频分量衰减，保留基频。在得到10 MHz的正弦信号后，通过第一级放大，这里采用National Semiconductor公司生产的LM6172来构成。LM6172为双通道高速、低失真、低功耗的电压反馈型放大器。通过将LM6172的双放大器组合起来形成双端输入／双端输出以增加带负载能力。
    在设计中，把基本的放大参数预设为使输入正弦信号放大到21 V，这样产生的双端信号经过一个初次级电阻，比为1：4的高频变换器达到输出高电平为45 V、低电平为4 V的驱动脉冲，供电电源为正负18 V的供电电源。为了使CCD97的增益可通过软件控制调节，这里使用了MAXIN公司生产的数字电位计MAX5429，预设目标是电压在40～50 V可调节。通过计算，反馈电阻参数如图10所示。其中，MAX5429为10 KB，其有32个可编程节点，上电后自动设置为节点16。在硬件电路设计完毕时，可通过ARM_RCS(片选信号)，ARM_RUD(节点控制信号)来调节输出电压，如图10所示。这样通过对ARM的对应I／O口编程就能实现对CCD97的增益调节。但是因为这里选用了并联法，故调节时增益是非线性变化的。图11为正弦信号输入(经滤波器输出)经LM6172以及高频变换器后输出的仿真波形。

2．2．3 CCD97外围电路
    CCD97除了需要外部的各种高摆幅转移脉冲，还需要各种幅值的控制信号输入。
    在该系统中，为了简化设计，固定ABD(抗曝光)，φRL、φRH high(视频信号复位端)，DG high(行丢弃控制信号)，DD(电源)，OD(输出放大器电源开光)，RD(复位上电电源)的值为典型值，分别为18 V，0 V，10 V．18 V，24 V，28 V，17 V。φRL，φRH的典型脉冲宽度为10ns，这里仍然采用EL7457来产生。信号OG为控制CCD97输出的门控信号，它同时控制两种模式的输出，而ODH，ODL分别为控制CCD模式和EMCCD模式放大器输出的电源开关。系统要求ODH和ODL可控，在需要时关闭，这样就要求通过模拟的开关来控制ODH，ODL的电压是+28 V还是接地。这里采用ADI公司的ADG453，它的VDD到GND端的输入电压可达32 V，模拟输入／输出值为VDD+2 V，达到这里控制ODH，ODL的通断要求(28 V)。其中CCD和EMCCD端口分别为该CCD的视频信号输出。其输出需要外接5 kΩ的负载。

3 结语
    提出了一种新型的CCD驱动电路，不仅可以达到几十兆赫兹的驱动频率，而且编程方便，硬件电路简单，根据用户需求，只要更换晶振或适当修改程序就能实现特定目的，具有很强的灵活性。通过仿真及实验验证，该方法切实可行，性价比高，不仅适用于CCD驱动电路设计，对于其他需要多种逻辑信号的场合也同样适用。