高頻非對稱EMCCD增益驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

賴積斌++任國強(qiáng)+王明富++廖育富

摘 要： 自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展，對波前傳感器中的電子倍增CCD的工作頻率提出了更高的要求；而目前所設(shè)計(jì)的電子倍增CCD增益驅(qū)動電路工作頻率普遍不高，且穩(wěn)定性不好，驅(qū)動波形變形嚴(yán)重。針對E2V公司的產(chǎn)品CCD220對增益驅(qū)動電路的要求，將傳統(tǒng)圖騰柱法的對稱結(jié)構(gòu)改為非對稱，設(shè)計(jì)了一種頻率高達(dá)40 MHz，且波形穩(wěn)定性較好的方波增益驅(qū)動電路。利用Cadence對電路進(jìn)行了PSpice仿真，證明了設(shè)計(jì)的可行性。

關(guān)鍵詞： 電子倍增CCD； 工作頻率； 波形穩(wěn)定性； CCD220； 非對稱結(jié)構(gòu)

中圖分類號： TN710?34； TP391.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）22?0111?04

0 引 言

20世紀(jì)50年代，為了解決動態(tài)像差擾動問題，提出了自適應(yīng)光學(xué)的概念，指出利用測量和矯正的方法克服這種動態(tài)擾動像差的設(shè)想。

一般的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)[1]中包括三個(gè)基本組成部分：波前傳感器，波前控制器和波前矯正器。波前傳感器是自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的重要組成部分，系統(tǒng)的控制信號的產(chǎn)生以及對波前畸變的實(shí)時(shí)矯正，都要依賴于波前傳感器。波前傳感器主要由微透鏡陣列和CCD兩部分構(gòu)成。在各種電荷耦合器件（Charge Couple Device，CCD）中，近年來又發(fā)展出一種電子倍增電荷耦合器件（Electronic Multiplying CCD，EMCCD）應(yīng)用于波前傳感器。其噪聲小、速度快和使信號倍增的特點(diǎn)能讓波前傳感器在微弱光下也能很好的工作。而要想使EMCCD有效工作，其增益驅(qū)動電路是重中之重。

增益驅(qū)動電路有兩種實(shí)現(xiàn)方法：方波法和正弦波法。因?yàn)榉讲ǚㄒ讓?shí)現(xiàn)且時(shí)序編程可調(diào)，受噪聲影響小等優(yōu)點(diǎn)而應(yīng)用普遍。但是目前方波法增益驅(qū)動電路設(shè)計(jì)其允許的工作頻率不夠高，只能達(dá)到20 MHz左右，且波形變形嚴(yán)重，無法很好的滿足今后對增益驅(qū)動信號高頻率高穩(wěn)定性的需求，為此需要對更高頻率的驅(qū)動電路設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

1 EMCCD原理及CCD220特性

EMCCD成像器件結(jié)構(gòu)是由圖1所示[2]組成的：產(chǎn)生信號電荷的成像區(qū)，存儲電荷的存儲區(qū)，以及接收電荷的輸出寄存器，再從輸出寄存器轉(zhuǎn)移到獨(dú)立的倍增寄存器，以及在倍增寄存器元件中通過高壓電場轉(zhuǎn)移電荷時(shí)獲得倍增的方法和倍增寄存器后的讀出放大電路。

如圖2所示，倍增寄存器中信號電荷的倍增[3]是因?yàn)樵诟邏弘妶龅淖饔孟?，被加速成為“熱載流子”，然后在受控電極之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移時(shí)發(fā)生碰撞電離，得到了更多的載流子。每次轉(zhuǎn)移的電荷倍增值很低，一般為1%，但由于實(shí)際要求有多次轉(zhuǎn)移，所以信號的總增益比較大。

實(shí)現(xiàn)倍增所需的高壓電場是在倍增寄存器中由相鄰電極間大電位差形成的[4]。Ф2加上40～50 V的高幅值時(shí)鐘脈沖，而Фdc保持低直流偏壓，一般取作4 V。其余兩個(gè)電極都有典型幅值為10 V的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖。Ф2的高電平與直流偏壓之間的電位差決定了高壓電場的強(qiáng)度，從而調(diào)控倍增因子。為了調(diào)整倍增因子，可以調(diào)節(jié)高幅值脈沖的高電平或直流偏壓。但一般而言，由于Фdc的值不能過小以免過剩電荷溢出，因此為了調(diào)整倍增因子，可以調(diào)節(jié)高幅值脈沖的高電平。

CCD220特性：通過查詢CCD220的datasheet可知，增益驅(qū)動信號的頻率至少要達(dá)到13.6 MHz，可以提高到15 MHz或更高；高壓電源最低20 V，平均45 V，最高50 V；低壓電源最低-2 V，平均4 V，最高5 V；方波驅(qū)動信號的上升沿和下降沿時(shí)間要低于25 ns；方波時(shí)序要求如圖3所示，RФ2HV要在RФ1變成低電平之前達(dá)到高電平；由電壓與增益倍數(shù)的關(guān)系可知，要想在放大倍數(shù)為1 000時(shí)，保持倍數(shù)波動在5%以內(nèi)，則增益電壓需要穩(wěn)定在正負(fù)30 mV以內(nèi)；倍增寄存器是容性負(fù)載，電容為107 pF，輸入電阻為5 Ω。

2 增益驅(qū)動電路

傳統(tǒng)的方波驅(qū)動電路設(shè)計(jì)是用圖騰柱法[5]，采用具有參數(shù)對稱的MOS管[6]。如圖4所示，其原理為輸入時(shí)鐘驅(qū)動信號驅(qū)動MOS管，當(dāng)輸入時(shí)鐘信號由高變低時(shí)，MOS管柵源電壓變低，使得PMOS管導(dǎo)通，NMOS管截止，輸出高電壓[7]VH+；當(dāng)輸入時(shí)鐘信號由低變高時(shí)，MOS管柵源電壓變高，使得NMOS管導(dǎo)通，PMOS管截止，輸出低電壓[8]VL-；NMOS管和PMOS管這樣交替導(dǎo)通，使得輸出信號類似方波一樣高低變化，以驅(qū)動EMCCD倍增寄存器實(shí)現(xiàn)電子倍增的功能。

圖4是所查文獻(xiàn)中利用對稱管TP2104和TN2106設(shè)計(jì)的驅(qū)動電路[9]，及其輸出波形?？梢钥闯鲈?0 MHz時(shí)，所得波形不好，抖動非常厲害。

通過研究發(fā)現(xiàn)，影響驅(qū)動電路工作頻率的因素在于MOS管的參數(shù)及其外圍電路的設(shè)計(jì)。MOS的參數(shù)需要考慮的主要是較大的耐壓VDS，較小的VGS（th），RDS（on），Ciss-Crss，tr，ton（delay），tf，toff（delay）；外圍電路需要考慮的主要是驅(qū)動MOS管的電壓和電流應(yīng)較大。

查詢datasheet可知，雖然TP2104和TN2106的其他參數(shù)較好，但由于Ciss-Crss較大，MOS管的開關(guān)能力不強(qiáng)[10]，因此無法做到很高的頻率。發(fā)現(xiàn)對稱的MOS管參數(shù)無法做到全部符合要求，主要是P管在起制約作用，鑒于此，提出了一種前人沒有用過的方法，即選擇非對稱MOS管來設(shè)計(jì)電路，這樣就可以分開選擇P管和N管，使兩管的參數(shù)都能較好地滿足需求。將MOS管參數(shù)擬定在VDS為±60 V以上，較小的VGS（th），RDS（on）<5 Ω，Ciss-Crss<20 pF，tr+ton（delay）<20 ns，tf+toff（delay）<40 ns，設(shè)計(jì)了一種頻率高達(dá)40 MHz，穩(wěn)定度非常好的方波增益驅(qū)動電路。

3 仿真驗(yàn)證

利用Cadence中的Orcad Capture CIS畫原理圖和PSpice做仿真，通過篩選和對比，首先選擇對稱管VP1310和VN1310做仿真，其電路圖和仿真波形如圖5和圖6所示?？梢钥闯銎湓?0 MHz頻率時(shí)，波形并不好，高壓處過于尖銳，無法滿足穩(wěn)定性要求。分析原因可知，雖然VP1310和VN1310的其他參數(shù)都很好，但是VP1310的RDS（on）較大，達(dá)到了19 Ω，使得給容性負(fù)載的充電時(shí)間過長，無法在短時(shí)間內(nèi)充好電穩(wěn)定在高壓。

然后選擇對稱管ZVP2106和ZVN2106做仿真，其仿真波形如圖7所示，可以看出其在20 MHz頻率時(shí)，波形變形嚴(yán)重，無法使用。分析原因可知，雖然ZVP2106和ZVN2106的其他參數(shù)都很好，但是它們Ciss-Crss的較大，高于55 pF，使得MOS管的開通時(shí)間過長，無法在短時(shí)間內(nèi)開通。ZVP3306和ZVN3306，ZVP3310和ZVN3310，ZVP4424和ZVN4424的情況類似。

因此最終決定選擇參數(shù)非對稱的MOS管TP0610和VN2001設(shè)計(jì)電路，其各方面參數(shù)都比較好，電路圖見圖8。

第一次將工作頻率設(shè)定為30 MHz，其輸出波形如圖9所示，可以看出其上升沿和下降沿都非常陡，在10 ns以內(nèi)，在保持高電平和低電平期間電壓也無明顯的變化，波形穩(wěn)定性較好，而且還有提升頻率的潛能。

第二次將工作頻率設(shè)定為40 MHz，其輸出波形如圖10所示，雖然波形變差了一些，但還是能夠滿足CCD220的要求，證明了非對稱法設(shè)計(jì)電路的可行性。TP0610和VN1310，TP0610和VN0120也能做到30 MHz，但在各部分參數(shù)對比下，它們并沒有VN2001好。

4 結(jié) 語

本文從提升EMCCD方波法增益驅(qū)動電路的工作頻率出發(fā)，介紹了EMCCD的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和倍增原理及CCD220的特性。分析了傳統(tǒng)圖騰柱法增益驅(qū)動電路的工作原理，指出前級驅(qū)動電路的輸入電壓和電流及MOS管本身的參數(shù)決定了驅(qū)動電路的工作頻率上限。鑒于P管是影響電路性能的主要因素，因此提出了一種新的方法，即選擇非對稱管設(shè)計(jì)電路，根據(jù)參數(shù)選擇要求，利用Cadence中的Orcad Capture CIS畫原理圖和PSpice做仿真，先后驗(yàn)證了在電路中使用對稱管和非對稱管后，得到的波形圖。對比后得知，利用非對稱結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)出頻率高達(dá)40 MHz，波形穩(wěn)定性較好的電子倍增CCD增益驅(qū)動電路，為今后EMCCD方波法增益驅(qū)動電路更高的工作頻率設(shè)計(jì)提供了有用的參考。下一步將畫PCB板，制版完成后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

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