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(guò)程中得到放大， 這使得它在很高的讀出速率下仍具有相對(duì)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(cè)、微光生命科學(xué)成像、軍用高性能夜視探測(cè)等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。EMCCD 驅(qū)動(dòng)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(shí)序產(chǎn)生方法有以下幾種：

　?。?1） 直接數(shù)字電路驅(qū)動(dòng)法。這種方法原理簡(jiǎn)單， 容易實(shí)現(xiàn)。但是邏輯設(shè)計(jì)較復(fù)雜， 調(diào)試非常困難， 而且在實(shí)際電路中因使用芯片較多， 為整個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)不可靠性。

　　（ 2） MCU 驅(qū)動(dòng)法。該方法是通過(guò)編程MCU 的I/ O端口來(lái)獲得CCD 驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)的。這種方法的靈活性好， 精度也可以很高， 對(duì)不同的CCD 器件只需要修改程序即可。由于CCD 的驅(qū)動(dòng)頻率為MHz 級(jí)， 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(shí)因頻繁的中斷和任務(wù)調(diào)度使MCU 效率很低。

　?。?3） EPROM 驅(qū)動(dòng)法。這種驅(qū)動(dòng)電路一般由晶體震蕩器、計(jì)數(shù)電路和EPROM 存儲(chǔ)器構(gòu)成。這種驅(qū)動(dòng)時(shí)序產(chǎn)生方法， 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、明確， 調(diào)試容易， 缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)尺寸太大， 對(duì)于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)時(shí)序有較大困難。

　?。?4） 專用IC 驅(qū)動(dòng)方法。這種方法就是利用CCD專用IC 來(lái)產(chǎn)生時(shí)序， 集成度高， 功能強(qiáng)， 使用方便。對(duì)攝像機(jī)等視頻領(lǐng)域應(yīng)用的CCD 或三元彩色CCD, 這種驅(qū)動(dòng)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)?？删幊踢壿嬈骷?shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)該邏輯器件的編程，能實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜的時(shí)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(shí)現(xiàn)了CCD97 所需的12 路驅(qū)動(dòng)時(shí)序。

　　1  CCD97 簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)真正意義上的24 h 實(shí)時(shí)監(jiān)控。

　　2  驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

　　2. 1 CCD97 驅(qū)動(dòng)電路的要求

　　成像區(qū)向存儲(chǔ)區(qū)的轉(zhuǎn)移波形如圖1 所示。

圖1  成像區(qū)向存儲(chǔ)區(qū)的轉(zhuǎn)移波形

　　信號(hào)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(hào)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(shí)RΦ1 和RΦ2 需要交替變化。

圖2 增益寄存器信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移時(shí)序相位關(guān)系

　　幀轉(zhuǎn)移時(shí)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(shí)序下， 將成像區(qū)圖像信號(hào)逐行轉(zhuǎn)移至存儲(chǔ)區(qū)。需要轉(zhuǎn)移的行數(shù)為512+ 8+ 8= 528。

　　行轉(zhuǎn)移時(shí)序圖：

　　與幀轉(zhuǎn)移結(jié)束， 在轉(zhuǎn)移時(shí)序R 1, 2, 3 以及R HV的時(shí)序作用下， 存儲(chǔ)區(qū)的圖像以行為單位進(jìn)行轉(zhuǎn)移， 逐像素通過(guò)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(shí)序如圖3 所示。

圖3行轉(zhuǎn)移時(shí)序圖

　　CCD97 所需的電壓和波形如表1所示。

表1  CCD97 時(shí)序信號(hào)的電壓需求

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

　　2. 2驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)：

　　該系統(tǒng)選用的FPGA 芯片為Altera 公司Cyclone系列的FPGAEP1C3T 100, 其有100 個(gè)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(gè)鎖相環(huán)（ PLL） , 2 個(gè)專用全局時(shí)鐘輸入管腳CLK0、CLK1, 5 個(gè)雙重用途時(shí)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(guò)一片F(xiàn)LASH 結(jié)構(gòu)的配置芯片來(lái)存儲(chǔ)邏輯配置信息。

　　從Altera 公司提供的數(shù)據(jù)手冊(cè)， 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(dòng)串行模式（ A S） 下（ MSEL[ 0. . 1] 置地） , 即可實(shí)現(xiàn)上電后， 將存儲(chǔ)器件中的數(shù)據(jù)傳送到EP1C3T100 中。系統(tǒng)通過(guò)ARM 加載驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)FPGA 的配置， 驅(qū)動(dòng)FPGA 產(chǎn)生CCD 的工作時(shí)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(yùn)行性能可達(dá)200 MIPS, 擁有獨(dú)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(gè)PLL, 外接40 MHz 有源晶振為PLL 提供時(shí)鐘。時(shí)鐘模塊通過(guò)Quartus 的megafunct ions 下的altpll 配置生成。采用非補(bǔ)償模式， 輸入/ 輸出時(shí)鐘比為5 ：1, 輸出的2 路時(shí)鐘c0, c1 均為200 MHz。其中c0 為clk_gen 模塊提供基礎(chǔ)時(shí)鐘。

　　同時(shí)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(guò)程中的嚴(yán)格時(shí)序要求。

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

圖4  驅(qū)動(dòng)時(shí)序設(shè)計(jì)框圖

　　2. 2. 1   I Φ, S Φ, RΦ 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)：

　　在設(shè)計(jì)I Φ, SΦ 以及RΦ驅(qū)動(dòng)電路時(shí)， 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(dòng)器， 能工作在40 MHz, 并提供2 A 的峰值驅(qū)動(dòng)能力， 以及超低的等效阻抗（ 3Ω ） , 它具有3 態(tài)輸出， 并通過(guò)OE 控制， 這對(duì)于CCD 的驅(qū)動(dòng)來(lái)說(shuō)， 容易實(shí)現(xiàn)靈活的電源管理。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)， 固定RΦ2HV 的電壓幅值為典型值。在組成IΦ和S Φ 的驅(qū)動(dòng)電路時(shí)必須考慮CCD97 驅(qū)動(dòng)端的等效電容和電阻， 如表2 所示。

圖5  CCD97 驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)原理框圖

表2 CCD97 驅(qū)動(dòng)端等效電容及電阻

　　電路的時(shí)間常數(shù)：

　　又因?yàn)樯仙龝r(shí)間與時(shí)間常數(shù)的關(guān)系為：

　　為了滿足最佳上升時(shí)間（ 200 ns） 的要求， 必須在EL7457 驅(qū)動(dòng)輸出端串上一個(gè)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(shí)序。

　　ARM_IOE 為ARM 核產(chǎn)生的門控信號(hào)， 用來(lái)控制驅(qū)動(dòng)脈沖I Φ1, 2, 3, 4 的開(kāi)關(guān)。由于理論與實(shí)際計(jì)算的誤差， 輸出串接電阻R9 , R10 , R 13 , R14 將通過(guò)硬件調(diào)試過(guò)程確定， 以產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)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(shí)序。A RM _SOE 為ARM 產(chǎn)生的門控信號(hào)， 輸出串接電阻待定。

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

　　在RΦ1, 2, 3 產(chǎn)生電路中， 因?yàn)槠潆妷簲[幅要求為0~ 12 V, 故給它加以12 V 的電源（ 見(jiàn)圖7） 。

圖7  RΦ1, 2, 3 驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生電路

　　它的驅(qū)動(dòng)頻率為11 MHz, 輸出的上升時(shí)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(dòng)時(shí)序， ARM _ROE 為ARM 產(chǎn)生的門控信號(hào)。

　　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(hào)。該信號(hào)的擺幅同RΦ1, 2, 3。以上電路的連接均通過(guò)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(dòng)設(shè)計(jì)

　　RΦ2HV 的幅值決定著倍增倍數(shù)， 是EMCCD 的一項(xiàng)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(chǎng)合的應(yīng)用。在設(shè)計(jì)RΦ2HV 時(shí)， 由于其驅(qū)動(dòng)電壓擺幅高， 現(xiàn)有的專用驅(qū)動(dòng)芯片不能滿足其高壓驅(qū)動(dòng)要求， 必須采用特殊方法實(shí)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(shí)到達(dá)。

　　如果采用方波脈沖， 因?yàn)镽Φ2HV 為11 MHz, 根據(jù)計(jì)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(hào)用傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)后， 除了基波外， 只有奇次諧波， 在通過(guò)一個(gè)低通濾波器后， 便能轉(zhuǎn)化成正弦波。因?yàn)镕PGA 只能產(chǎn)生T TL 時(shí)序， 這里通過(guò)先將T TL 的方波轉(zhuǎn)化成正弦波， 即可通過(guò)一個(gè)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(hào)后， 通過(guò)第一級(jí)放大， 這里采用Natio nal Semiconducto r 公司生產(chǎn)的LM6172 來(lái)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(guò)將LM6172 的雙放大器組合起來(lái)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(dòng)發(fā)生電路

　　在設(shè)計(jì)中， 把基本的放大參數(shù)預(yù)設(shè)為使輸入正弦信號(hào)放大到21 V, 這樣產(chǎn)生的雙端信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)初次級(jí)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(dòng)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(guò)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(jì)MAX5429, 預(yù)設(shè)目標(biāo)是電壓在40~ 50 V 可調(diào)節(jié)。通過(guò)計(jì)算， 反饋電阻參數(shù)如圖10 所示。其中， MAX5429 為10 KB, 其有32 個(gè)可編程節(jié)點(diǎn)， 上電后自動(dòng)設(shè)置為節(jié)點(diǎn)16。在硬件電路設(shè)計(jì)完畢時(shí)， 可通過(guò)ARM_RCS（ 片選信號(hào)） , ARM_RUD（ 節(jié)點(diǎn)控制信號(hào)） 來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，如圖10 所示。這樣通過(guò)對(duì)ARM 的對(duì)應(yīng)I/ O 口編程就能實(shí)現(xiàn)對(duì)CCD97 的增益調(diào)節(jié)。但是因?yàn)檫@里選用了并聯(lián)法， 故調(diào)節(jié)時(shí)增益是非線性變化的。圖11 為正弦信號(hào)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(hào)輸入。

　　在該系統(tǒng)中， 為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)， 固定ABD（ 抗曝光） ,ΦRL、ΦRH high（ 視頻信號(hào)復(fù)位端） , DG high （ 行丟棄控制信號(hào)） , DD（ 電源） , OD（ 輸出放大器電源開(kāi)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(lái)產(chǎn)生。信號(hào)OG為控制CCD97 輸出的門控信號(hào)， 它同時(shí)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(kāi)關(guān)。系統(tǒng)要求ODH和ODL 可控， 在需要時(shí)關(guān)閉， 這樣就要求通過(guò)模擬的開(kāi)關(guān)來(lái)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(hào)輸出。

　　其輸出需要外接5 k Ω 的負(fù)載。

　　3  結(jié) 語(yǔ)

　　提出了一種新型的CCD 驅(qū)動(dòng)電路， 不僅可以達(dá)到幾十兆赫茲的驅(qū)動(dòng)頻率， 而且編程方便， 硬件電路簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)特定目的， 具有很強(qiáng)的靈活性。通過(guò)仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方法切實(shí)可行， 性價(jià)比高， 不僅適用于CCD 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)， 對(duì)于其他需要多種邏輯信號(hào)的場(chǎng)合也同樣適用。