EMCCD圖像傳感器CCD97時(shí)序驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

　　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(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)帶來不可靠性。

　　( 2) MCU 驅(qū)動(dòng)法。該方法是通過編程MCU 的I/ O端口來獲得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。

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　　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。

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　　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。

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　　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

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　　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。