卜洪波 陳瑞明 張玉貴 何志寬

（北京空間機電研究所，北京 100076）

1 引言

21世紀(jì)初出現(xiàn)的電子倍增CCD（EMCCD），采用了全固態(tài)片上增益技術(shù)，與傳統(tǒng)用于低照度探測的像增強型CCD（ICCD）相比，體積大大減小，并且具有高量子效率、大動態(tài)范圍和低噪聲等特點［1-2］，因而為微光成像遙感器進行黃昏和夜間探測提供了新的技術(shù)實現(xiàn)途徑。EMCCD 技術(shù)率先得到了歐美國家的重視。美國國家航空航天局（NASA）在2010年11月發(fā)射的“快速經(jīng)濟可負(fù)擔(dān)科學(xué)與技術(shù)衛(wèi)星”（FASTSat），采用EMCCD 作為遙感器載荷的成像器件，對地球大氣熱層進行觀測［3］。英國Andor公司研制的基于EMCCD 的iXonEM＋相機，甚至能達到單光子的探測靈敏度［4］。可以說，EMCCD是目前信噪比最高的CCD 器件。

EMCCD 和普通CCD 在驅(qū)動方式上的最大不同是，前者需要一相高壓倍增驅(qū)動信號（以下用?HV 指代）。該信號作用于EMCCD 特有的數(shù)百級電子倍增寄存器，光電轉(zhuǎn)換后的信號電子在?HV 信號作用下會發(fā)生“撞擊離子化”效應(yīng)，產(chǎn)生新的電子，相當(dāng)于增強了原本可能微弱的景物光信號［5］。因此，以EMCCD 為探測器研制星載微光成像相機，必須設(shè)計高壓驅(qū)動電路，產(chǎn)生符合要求的?HV 信號。本文介紹了一種星上EMCCD 高壓驅(qū)動電路的設(shè)計，并進行了試驗驗證。此設(shè)計方案具有遙控遙測自動化和高精度等特點，可為EMCCD衛(wèi)星相機的研制提供參考。

2 EMCCD 高壓驅(qū)動電路設(shè)計分析

目前，全球EMCCD 器件制造技術(shù)主要由TI與e2v 兩家公司掌握，本文研究的EMCCD 來自e2v公司，參數(shù)特性可代表主流器件。

2．1 EMCCD增益分析

EMCCD 總電子增益倍數(shù)G為

式中：N為電子倍增寄存器級數(shù)，本文采用EMCCD的N值為604；p為每級中每個電子激發(fā)新電子的概率，與器件工作溫度反相關(guān)，與?HV 信號峰值電壓正相關(guān)。

在器件溫度為-50 ℃、?HV 信號峰值電壓為＋45V 的條件下，G高達60dB。

2．2 電路設(shè)計要求

（1）根據(jù)器件手冊，?HV 信號波形可為正弦波或方波?？紤]到方波信號容易引入過沖與噪聲，把波形定為正弦波。

（2）空間相機對地觀測時，必須隨觀測點輻照度的變化相應(yīng)改變EMCCD的增益。根據(jù)式（1）分析，?HV 信號高電平與EMCCD 的電子增益倍數(shù)正相關(guān)，為此，EMCCD 高壓驅(qū)動電路應(yīng)具備?HV信號的在線調(diào)幅功能。?HV 信號電壓擺幅默認(rèn)值定為＋4～＋40V，其中低電平恒為＋4V，高電平目標(biāo)調(diào)整范圍為＋35～＋45V，調(diào)幅精度不低于0．05V。

（3）?HV 信號的頻率與EMCCD 輸出信號頻率相等，默認(rèn)值為10 MHz。在調(diào)試階段，電路能夠接收指令信號進行?HV 信號的相位調(diào)整，調(diào)整步長不高于π／8。

（4）電路體積、質(zhì)量、可靠性、功耗和信號防干擾控制，必須遵循相關(guān)星上設(shè)備設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

2．3 設(shè)計方法研究

常規(guī)CCD驅(qū)動電路的原理組成如圖1所示，它一般通過專用驅(qū)動芯片把FPGA 產(chǎn)生的單端時序信號轉(zhuǎn)換為目標(biāo)驅(qū)動信號。但是，星載相機EMCCD高壓驅(qū)動電路不宜采用這種方法設(shè)計，主要原因如下：一是這種電路不能產(chǎn)生正弦波；二是FPGA輸出信號通常是低壓TTL（LVTTL）電平，高電平為3．3V，低電平為0V，與之對應(yīng)的驅(qū)動信號幅值固定不可調(diào)；三是專用驅(qū)動芯片能提供的信號最高電壓普遍低于＋15V。

圖1 常規(guī)CCD 驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)框圖Fig．1 Block diagram of traditional CCD driver circuit

目前，工業(yè)領(lǐng)域的波形發(fā)生器普遍利用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)實現(xiàn)。此技術(shù)基于時域抽樣定理，對信號波形進行采樣，再把采樣值量化后存入存儲器；后續(xù)通過讀取存儲器內(nèi)數(shù)據(jù)，再經(jīng)DA 轉(zhuǎn)換器即可復(fù)現(xiàn)原波形［6-7］。

使用FPGA 引入直接數(shù)字頻率合成技術(shù)，可產(chǎn)生幅值可調(diào)的正弦波，然后設(shè)計大幅值運放電路，代替專用驅(qū)動芯片，理論上可生成滿足要求的?HV信號，這種EMCCD 高壓驅(qū)動電路設(shè)計可由圖2表示。下文針對各組成單元進行研究與分析。

圖2 EMCCD 高壓驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)框圖Fig．2 Block diagram of EMCCD high-voltage driver circuit

3 電路詳細(xì)設(shè)計方案

3．1 基于FPGA的碼數(shù)發(fā)生模塊

高壓驅(qū)動碼數(shù)發(fā)生模塊使用FPGA 并基于VHDL語言設(shè)計。模塊的時鐘信號由管理電路提供，?HV 信號的頻率隨其而變。為避免出現(xiàn)時鐘抖動問題，電路加入了鎖相環(huán)與晶振模塊進行反饋控制。

3．1．1 編碼過程

依據(jù)直接數(shù)字頻率合成技術(shù)的原理，信號的相位調(diào)整步長等于相位編碼步長。在獲取低相位步長的同時，必須兼顧器件工作頻率余度，采樣率設(shè)定為160 MHz，即正弦信號相位每隔π／8進行一次幅值量化編碼。如圖3所示，通過軟件在FPGA 中設(shè)置深度為16的RAM，存儲幅值編碼。在默認(rèn)的工作狀態(tài)下，以160 MHz采樣率按RAM 地址順序周期讀取寄存器，即可產(chǎn)生等效于10 MHz頻率的離散正弦波信號。寄存器還設(shè)定可受衛(wèi)星指令信號遙控的指針，通過更改指針起始位置實現(xiàn)正弦信號的相位調(diào)整。

圖3 碼數(shù)發(fā)生模塊原理示意圖Fig．3 Codes generator functional block diagram

3．1．2 調(diào)幅功能研究

正弦波使用無符號二進制數(shù)組進行編碼，編碼位寬βCODE與調(diào)幅步長Δλ的關(guān)系如下。

式中：Vmax和Vmin分別為目標(biāo)信號高電平和低電平值。

根據(jù)電路設(shè)計要求，?HV 信號最大電壓擺幅為＋4～＋45V，Δλ不高于0．05 V，由式（2）得，βCODE至少為10bit。

電路利用FPGA 內(nèi)部的硬核資源，設(shè)計可受衛(wèi)星指令信號控制的編碼更改子程序，衛(wèi)星管理系統(tǒng)只需提供調(diào)幅系數(shù)，便可立即改變?HV 信號的電壓幅值。正弦編碼和調(diào)幅系數(shù)的位寬大小，最終分別設(shè)定為14bit和13bit，令DCODE和DCA分別代表二者轉(zhuǎn)為十進制后的數(shù)值，則有關(guān)系

式中：i＝0，1，2，…，15。

3．1．3 時序仿真

對碼數(shù)發(fā)生模塊進行工作時序仿真，如圖4所示。頻率為160 MHz 的正弦編碼，在模擬段式（Analog Step）觀測模式下可展現(xiàn)出10 MHz離散正弦波的形態(tài)，與EMCCD 其他驅(qū)動時序的相位關(guān)系也滿足要求。圖4中第5行的二進制數(shù)組是外部控制系統(tǒng)輸入的指令信號，當(dāng)指令信號被判斷屬于調(diào)幅信號時，正弦信號的幅值自動發(fā)生改變。

圖4 碼數(shù)發(fā)生模塊的時序仿真Fig．4 Timing simulation of codes generator

3．2 DA 轉(zhuǎn)換模塊

碼數(shù)發(fā)生模塊產(chǎn)生的14bit正弦編碼，由FPGA的14個I／O 并行高速輸出。受衛(wèi)星相機構(gòu)型的限制，F(xiàn)PGA 與EMCCD所在的焦平面電路需安裝在不同的位置，兩者通過接插件及板間柔性電路相連。為確保信號完整性和降低噪聲，電路采用低壓差分信號（LVDS）總線傳輸編碼數(shù)據(jù)［8］。

選用14bit差分輸入端口的DA 轉(zhuǎn)換器件，把正弦數(shù)字碼數(shù)轉(zhuǎn)換為一路差分模擬信號；設(shè)計差分比例運算電路，把差分模擬信號轉(zhuǎn)為單端形式。調(diào)整電路參數(shù)，最終輸出的正弦波信號VSIN表示為式（4）。正弦波電壓與其編碼，理論上為線性關(guān)系。

3．3 大幅值運放電路

3．3．1 驅(qū)動器的性能要求

與普通CCD 驅(qū)動信號不同，大幅值信號輸出除了對驅(qū)動器的增益和工作頻率要求較高外，更看重器件壓擺率特性的好壞［9］。壓擺率表示驅(qū)動器對信號變化快慢的適應(yīng)能力，可量化為

式中：Vo為信號輸出電壓。

EMCCD 所需的驅(qū)動器壓擺率為

式中：?HV 信號頻率f為10MHz；A?HV為信號電壓峰峰值的1／2，等于20．5V。

由式（6）計算可得，η?HV為1 288V／μs。

為滿足星上可靠性要求，驅(qū)動器壓擺率需留有50%的余量。接近2 000V／μs的壓擺率，是一般驅(qū)動芯片難以達到的。當(dāng)驅(qū)動器的壓擺率低于要求值時，輸出的信號就可能出現(xiàn)失真，幅值也會低于預(yù)期值。此外，額定功率、全功率帶寬和輸出電流等參數(shù)，也是進行驅(qū)動芯片選擇的重要參考。通過調(diào)研和測試，采用一款高壓集成運放作為EMCCD 的驅(qū)動器件。其主要規(guī)格參數(shù)列于表1。

表1 高壓集成運放參數(shù)特性Table 1 Features of high-voltage integrated operational amplifier

3．3．2 運放外圍電路

電路中需要放大的正弦波模擬信號是基于數(shù)?；旌想娐樊a(chǎn)生的，波形需要羽化，并且信號容易夾雜高頻噪聲。運放電路電壓增益較高，原本微弱的噪聲通過放大器后會變得非常明顯，間接影響相機微光成像的圖像質(zhì)量。在高壓運放電路前級聯(lián)接了巴特沃斯型濾波校正電路，如圖5所示，第一級為校正環(huán)節(jié)，第二級為高壓運放電路。

圖5 帶校正的大幅值運放電路原理圖Fig．5 Schematic of large amplitude operational amplifier circuit with correction

DA 轉(zhuǎn)換后的正弦波信號電壓VSIN峰峰值，最高為3．84V。傳輸線進行了阻抗匹配，進入后續(xù)電路的電壓輸入VIN1為VSIN的1／2。要達到?HV 信號的電壓幅值要求，運放電路對10 MHz信號的增益倍數(shù)應(yīng)至少為21．36。同時，為防止正弦波編碼因單粒子反轉(zhuǎn)現(xiàn)象到達最大值而引起電壓過大，運放電路的放大倍數(shù)設(shè)定不宜過高。選取參數(shù)，使校正電路截止頻率為62．5 MHz，使大幅值運放電路的通帶增益倍數(shù)HAMP為23．7。通過電路頻率特性分析可知，其相角裕度高于100°，穩(wěn)定性較好。

3．3．3 驅(qū)動箝位電路

運放輸出的高壓正弦波信號電壓可以表示為式（7），其均值為0V，可達到高于41V的電壓峰峰值。

需設(shè)計箝位電路，在不影響運放輸出的正弦波信號波形的前提下，把該信號的電壓抬高到＋4V以上。箝位電路的構(gòu)建主要基于電容的記憶特性，采用二極管串聯(lián)箝高的方式［10］。當(dāng)驅(qū)動信號上電初始相位為0、頻率為默認(rèn)值10 MHz時，結(jié)合式（3），可得最終輸出的?HV 信號電壓表達式為

式中：t為系統(tǒng)上電后的時間。

為實現(xiàn)?HV 信號電壓峰值＋35～＋45V可調(diào)，調(diào)幅系數(shù)DCA的取值范圍為5 580～7 380，理論調(diào)幅精度為0．005 6V。

4 試驗結(jié)果與分析

4．1 電路樣機的實現(xiàn)

按上述方案研制了EMCCD高壓驅(qū)動電路實物樣機，如圖6所示。樣機主板面積為22cm×11．6cm，焦面板面積為8．5cm×10cm，質(zhì)量為1．1kg（不含固定栓）。

圖6 EMCCD 高壓驅(qū)動電路實物樣機Fig．6 Prototype of EMCCD high-voltage driver circuit

（1）可靠性控制方面，電路設(shè)計所用器件均選用了宇航級產(chǎn)品，并按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行降額使用。FPGA 內(nèi)部資源及IO 口所帶負(fù)載留有足夠余量，以確保FPGA 工作的穩(wěn)定性和方便算法改進。

（2）電源供電方面，樣機的配電必須遵循“信號流向”原則。上電順序依次為EMCCD 襯底電、EMCCD偏置電、DA 轉(zhuǎn)換器電源、高壓運放電源、FPGA 電源，斷電順序與上電順序互逆。

（3）針對大幅值運放電路印刷電路板（PCB）的布局布線，進行了電源完整性仿真，并采取了防護與隔離措施。

4．2 高壓驅(qū)動信號的驗證

對EMCCD 高壓驅(qū)動電路樣機進行上電與調(diào)試，試驗中?HV 信號電壓最大擺幅時的示波器截圖見圖7。信號實測電壓為＋3．9～＋45V，波形良好，無明顯噪聲。對比晶振輸出的80 MHz時鐘可知，?HV 信號的相位和頻率穩(wěn)定。試驗中，電路樣機接收調(diào)相指令后，能夠進行π／8 的相位步長調(diào)整。

圖7 ?HV 信號實測波形Fig．7 Waveform capture of?HV signal

在線調(diào)幅功能測試中，?HV 信號峰值電壓隨調(diào)幅指令改變的情況如表2所示。調(diào)幅系數(shù)DCA的實際取值與式（8）計算的理論值不一致。導(dǎo)致誤差的原因主要有：器件參數(shù)存在固有誤差；DA 轉(zhuǎn)換器的數(shù)模轉(zhuǎn)換過程不是理想的線性關(guān)系；信號在電路傳輸及濾波放大過程中會有損耗；示波器表筆具有一定容抗。

根據(jù)電路設(shè)計原理，調(diào)幅系數(shù)實際值與理論值的偏差屬于可預(yù)知誤差，不會影響信號調(diào)幅精度。?HV 信號峰值電壓＋35～＋45V 對應(yīng)的全部調(diào)幅系數(shù)，可通過試驗統(tǒng)計表獲取，調(diào)幅步長優(yōu)于0．01V。

表2 ?HV信號電壓受調(diào)幅指令改變情況Table 2 Effects of amplitude adjustment telecommand on?HV signal voltage

5 結(jié)束語

EMCCD 是一種新型的微光探測器件，用于衛(wèi)星相機時可使相機在夜間成像。根據(jù)EMCCD 工作所需的?HV 信號要求，設(shè)計了一種高壓驅(qū)動電路，并實現(xiàn)了工程樣機的制造。電路具有如下特點：

（1）應(yīng)用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)，采用FPGA可生成正弦數(shù)字信號，方便對信號進行相位和幅值調(diào)整；

（2）采用一款集成運放代替?zhèn)鹘y(tǒng)的驅(qū)動芯片，能夠生成高頻高壓的驅(qū)動信號；

（3）電路可靠性、穩(wěn)定性和信號抗干擾控制，可滿足衛(wèi)星應(yīng)用需求。

本設(shè)計是基于EMCCD 的衛(wèi)星相機研制過程中的一次有益嘗試，可為該器件在航天遙感領(lǐng)域中的推廣起到一定的促進作用。對于該設(shè)計方案，下一步的改進方向為調(diào)幅功能的自適應(yīng)化控制，使相機根據(jù)觀測點輻照度的變化自動改變EMCCD的增益。

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