EMCCD電荷倍增驅(qū)動(dòng)電路分析與PCB設(shè)計(jì)*

金建輝，李彬華，陳小明

(昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650500)

電子倍增CCD是一種具有高速讀出功能的微光成像器件，能對(duì)微弱光電子信號(hào)在CCD芯片內(nèi)部進(jìn)行放大，它使用的像素讀出頻率可以高達(dá)30 MHz。現(xiàn)在使用電子倍增技術(shù)的CCD主要有e2v公司生產(chǎn)的L3Vision和TI公司生產(chǎn)的IMPACTRON系列器件。在EMCCD增益寄存器中，高壓電場(chǎng)強(qiáng)度足以使電子在轉(zhuǎn)移過(guò)程中產(chǎn)生“撞擊離子化”效應(yīng)，產(chǎn)生新的電子，即所謂的電子倍增(每次轉(zhuǎn)移的倍增倍率非常小，最多大約只有×1.01～×1.015倍);但是此過(guò)程若是重復(fù)多次(如陸續(xù)經(jīng)過(guò)幾百或上千個(gè)增益寄存器的轉(zhuǎn)移)，信號(hào)就會(huì)實(shí)現(xiàn)可觀的增益，可達(dá)1000倍以上。增益寄存器利用載流子的碰撞電離效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了電荷載流子接近零噪聲的電荷級(jí)放大倍增，從而能有效提高傳感器的探測(cè)靈敏度［1－6］。

雖然e2v和TI公司在推出自己的EMCCD時(shí)都給出了電荷倍增高壓驅(qū)動(dòng)電路參考電路圖，但實(shí)現(xiàn)30 MHz～40 MHz頻率電荷倍增高壓驅(qū)動(dòng)電路PCB設(shè)計(jì)仍有一定難度:器件選型和布局布線稍有不慎，就難以獲得期望的結(jié)果。作者參與的一個(gè)項(xiàng)目采用TI公司生產(chǎn)的TX285SPD CCD芯片及其推薦的電荷倍增高壓驅(qū)動(dòng)電路，能做到35 MHz，高低電平分別為－4 V和22 V指標(biāo)，項(xiàng)目要求實(shí)現(xiàn)30 MHz，高低電平分別為－4 V和20 V指標(biāo)。由于目前公開(kāi)文獻(xiàn)中還沒(méi)有介紹電荷倍增高壓驅(qū)動(dòng)電路PCB設(shè)計(jì)和測(cè)試方面的內(nèi)容，本文介紹對(duì)TI公司參考電路的分析、PCB設(shè)計(jì)方案及測(cè)試結(jié)果。

1 TI公司的電荷倍增高壓驅(qū)動(dòng)電路及分析

1.1 電荷倍增高壓驅(qū)動(dòng)電路原理圖

TI公司在EMCCD器件數(shù)據(jù)手冊(cè)［6］中提供的電荷倍增高壓驅(qū)動(dòng)電路原理如圖1。電路工作頻率可達(dá)35 MHz，高低電平分別為－4 V和22 V左右。

1.2 電路工作原理分析

驅(qū)動(dòng)芯片74AC244，MOS管TP2104和TN2106，高速開(kāi)關(guān)二極管1SS226和1SS193是主要器件。74AC244是帶使能控制的緩沖/線驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)將現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)產(chǎn)生的時(shí)鐘控制信號(hào)電平從3.3到5.5 V的轉(zhuǎn)換并增加信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，其輸出分成兩路送給由高速開(kāi)關(guān)二極管1SS226、1SS193和一個(gè)1 uF電容以微分信號(hào)控制的由TP2104和TN2106兩個(gè)金屬－氧化物－半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Metal Oxid Semiconductor，MOS)構(gòu)成的互補(bǔ)開(kāi)關(guān)電路，實(shí)現(xiàn)輸入5 V輸出－4 V和輸入0 V輸出22 V的工作要求。74AC244的兩個(gè)輸出端通過(guò)10Ω電阻連接，以增加驅(qū)動(dòng)效果。10Ω電阻可以限制由于兩個(gè)輸出端直接連接在一起可能產(chǎn)生的拉灌電流，以保護(hù)74AC244的輸出級(jí)。

圖1 TI公司推薦的TX285SPD芯片電荷倍增高壓驅(qū)動(dòng)電路原理圖Fig.1 Circuit diagram of the driving circuit recommended by the TI for electron multiplication of the TX285SPD

當(dāng)74AC244輸入高電平時(shí)，輸出亦為高電平;此時(shí)，TP2104柵極電位為22 V，UGS=0 V，關(guān)斷;TN2106柵極電位為2 V，UGS=6 V，開(kāi)通;驅(qū)動(dòng)器輸出－4 V。當(dāng)74AC244輸入低電平時(shí)，輸出亦為低電平;此時(shí)，TP2104柵極電位為16 V，UGS=－6 V，開(kāi)通;TN2106柵極電位為－4 V，UGS=0 V，關(guān)斷;驅(qū)動(dòng)器輸出22 V。

1.3 電路PSpice仿真分析

為了對(duì)參考電路有更清晰的認(rèn)識(shí)，有必要對(duì)推薦電路進(jìn)行PSpice仿真分析。仿真電路如圖2。

圖2 TI公司推薦電荷倍增高壓驅(qū)動(dòng)電路的仿真原理圖Fig.2 Simulated circuit diagram of the driving circuit recommended by the TI for electron multiplication of the EMCCD

仿真發(fā)現(xiàn)，在頻率30 MHz、高低電平分別為－4 V和20 V時(shí)，按TI公司推薦的EMCCD電荷倍增高壓驅(qū)動(dòng)電路PSpice仿真不成功。在改進(jìn)部分參數(shù)后，即將2200 pF電容改成22000 pF電容，1 uF電容改成0.1 nF仿真成功，74AC244芯片電源改成6 V效果更好。從電路原理上講，可以認(rèn)為所有門是同時(shí)導(dǎo)通的(當(dāng)然實(shí)際器件可能會(huì)有微小的差異)，所以理論上也可以去掉10Ω電阻，進(jìn)一步增強(qiáng)74AC244驅(qū)動(dòng)輸出。輸入輸出波形如圖3。仿真結(jié)果表明該電路可以實(shí)現(xiàn)頻率30 MHz，高低電平分別為－4 V和20 V的工作指標(biāo)要求。

圖3 電荷倍增高壓驅(qū)動(dòng)電路輸入輸出仿真波形Fig.3 Simulated waveforms of the driving circuit recommended by the TI for electron multiplication of the EMCCD

2 TX285SPD推薦電荷倍增高壓驅(qū)動(dòng)電路不同PCB設(shè)計(jì)的對(duì)比

2.1 兩層PCB設(shè)計(jì)與測(cè)試

2.1.1 電路PCB布局布線設(shè)計(jì)

采用兩層PCB設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，PCB設(shè)計(jì)相對(duì)容易，電路未對(duì)電源電路進(jìn)行電源完整性加強(qiáng)處理。電路PCB設(shè)計(jì)的布局布線如圖4。

圖4 兩層PCB元件布局布線圖Fig.4 Wiring diagram for the two layers of PCB

2.1.2 電路實(shí)測(cè)波形

輸入30 MHz頻率測(cè)試信號(hào)，實(shí)測(cè)輸出高低電平分別為－4 V和13 V左右，波形有較大畸變，不能滿足頻率30 MHz、高低電平分別為－4 V和20 V的要求。實(shí)測(cè)輸出波形如圖5。

2.1.3 電路PCB設(shè)計(jì)存在問(wèn)題分析

兩層PCB設(shè)計(jì)主要存在以下問(wèn)題。(1)電源完整性措施不夠。電源雖采用線性電源，在芯片端使用了電源退耦電容，但未采用磁珠隔離。(2)PCB層數(shù)不夠，線路過(guò)長(zhǎng)。采用兩層板PCB結(jié)構(gòu)，電磁兼容性(Electro Magnetic Compatibility，EMC)和電磁干擾(Electromagnetic Interference，EMI)不佳，元件布局不佳，元件布線未最短路徑走線，電路布局的物理對(duì)稱性不好，信號(hào)完整性受到影響。(3)主要元件沒(méi)有采用貼片元件，引入分布參數(shù)較大，線路阻抗匹配不好，信號(hào)完整性不好［7－9］。

2.2 四層PCB設(shè)計(jì)與測(cè)試

2.2.1 四層PCB設(shè)計(jì)

圖5 兩層PCB輸入輸出實(shí)測(cè)波形Fig.5 Input and output waveforms for the two layers of PCB

針對(duì)兩層PCB設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題，主要在以下幾個(gè)方面作出改進(jìn)。(1)增加PCB板的設(shè)計(jì)層數(shù)。PCB電路設(shè)計(jì)采用4層板結(jié)構(gòu)，即TOP-GND-VCC-BOTTOM結(jié)構(gòu)。(2)采用電源完整性設(shè)計(jì)，對(duì)5.5 V、－4 V和20 V各個(gè)電源進(jìn)行加固，20 V電源加固如圖6，其它電源相同。采用磁珠(FB4、FB5和FB6)隔離和電源退耦電容相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法;電源層還做了電源分割，改善了EMC和EMI性能，如圖7。(3)元件大部分采用貼片元件，優(yōu)化器件布局。大部分元件采用貼片元件，從信號(hào)完整性出發(fā)，優(yōu)化了元件布局布線，采用鋪銅布線，布線盡可能短盡可能寬，多點(diǎn)接地，改善了EMC和EMI性能，物理結(jié)構(gòu)上盡量對(duì)稱。

圖6 20 V可調(diào)電源原理圖Fig.6 Circuit diagram of 20V adjustable power source

2.2.2 插入式MOS驅(qū)動(dòng)管四層PCB設(shè)計(jì)與測(cè)試

(1)電路PCB布局布線設(shè)計(jì)。PCB元件布局布線如圖8，TP2104和TN2106兩個(gè)MOS管構(gòu)成的互補(bǔ)開(kāi)關(guān)電路采用插入式封裝。

(2)電路實(shí)測(cè)波形

當(dāng)施加30 MHz頻率測(cè)試信號(hào)時(shí)，實(shí)測(cè)輸入(上)、輸出(下)波形如圖9，低電壓－4 V，高電壓23 V，滿足頻率30 MHz，高低電平分別為－4 V和20 V的要求。

當(dāng)施加40 MHz頻率測(cè)試信號(hào)時(shí)，實(shí)測(cè)輸入(上)、輸出(下)波形如圖10，低電壓－4 V，高電壓23 V，滿足頻率30 MHz，高低電平分別為－4 V和20 V的要求。

圖7 四層PCB電源分割圖Fig.7 Segmentation of power supply for the four layers of PCB

圖8 PCB元件布局布線圖Fig.8 Wiring diagram for the PCB

圖9 30 MHz信號(hào)PCB輸入輸出實(shí)測(cè)波形Fig.9 Input and output 30MHz waveforms for the PCB

圖10 40 MHz信號(hào)PCB輸入輸出實(shí)測(cè)波形Fig.10 Input and output 40MHz waveforms for the PCB

2.2.3 貼片式MOS驅(qū)動(dòng)管四層PCB設(shè)計(jì)與測(cè)試

(1)電路PCB布局布線設(shè)計(jì)。PCB元件布局布線如圖11，TP2104和TN2106兩個(gè)MOS管構(gòu)成的互補(bǔ)開(kāi)關(guān)電路采用貼片式封裝。

圖11 PCB元件布局布線圖Fig.11 Wiring diagram for the PCB

(2)電路實(shí)測(cè)波形

當(dāng)施加30 MHz頻率測(cè)試信號(hào)時(shí)，實(shí)測(cè)輸入(上)、輸出(下)波形如圖12，低電壓－4 V，高電壓23 V，滿足頻率30 MHz，高低電平分別為－4 V和20 V的要求。

當(dāng)施加40 MHz頻率測(cè)試信號(hào)時(shí)，實(shí)測(cè)輸入(上)、輸出(下)波形如圖13，低電壓－4 V，高電壓23 V，滿足頻率30 MHz，高低電平分別為－4 V和20 V的要求。

圖12 30 MHz信號(hào)PCB輸入輸出實(shí)測(cè)波形Fig.12 Input and output 30MHz waveforms for the PCB

圖13 40 MHz信號(hào)PCB輸入輸出實(shí)測(cè)波形Fig.13 Input and output 40MHz waveforms for the PCB

3 結(jié)論

通過(guò)比較電路PCB設(shè)計(jì)和測(cè)試，得出以下結(jié)論:電荷倍增高壓驅(qū)動(dòng)電路四層PCB設(shè)計(jì)完全達(dá)到TI公司對(duì)TX285SPD芯片電荷倍增高壓驅(qū)動(dòng)電路頻率30 MHz，高低電平分別為－4 V和22 V的指標(biāo)要求，而且頻率和高電平還有余量。在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)電源的完整性設(shè)計(jì)對(duì)電路正常工作影響明顯;MOS驅(qū)動(dòng)管采用直插式和貼片式對(duì)電路的工作有影響，貼片式驅(qū)動(dòng)管的波形更好，說(shuō)明該電路的信號(hào)完整性設(shè)計(jì)很重要;高頻輸入測(cè)試信號(hào)(30 MHz和40 MHz)畸變明顯，說(shuō)明電路PCB線路的阻抗匹配不夠好，如果線路的阻抗匹配好，輸出波形應(yīng)該還會(huì)更好。

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