基于高速多通道CCD預(yù)放電路的設(shè)計方案

　　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(dá)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(dá)到300 Ω左右。因此需要預(yù)放電路進(jìn)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(jìn)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(bǔ)償技術(shù)來擴(kuò)展帶寬。需要注意到是，高頻補(bǔ)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(jìn)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(bǔ)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。