用于自適應(yīng)光學(xué)波前傳感器的電子增益控制

用于自適應(yīng)光學(xué)波前傳感器的電子增益控制

0波前相位誤差的觀測eccd（電子薄膜電子表訓(xùn)器）是sd發(fā)展史上的一項重大進展。通過在水平輸出級中插入高壓性能基準，加速和消除電壓損失，并在高壓下接觸并獲得性能。相比于ICCD和EBCCD,EMCCD具有體積小、壽命長、功耗低等優(yōu)點。EMCCD在天文觀測,生物醫(yī)學(xué),微光監(jiān)控等領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用。在天文觀測中,自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)利用波前傳感器實時測量成像系統(tǒng)的波前相位誤差,所觀測的目標信號比較微弱,若采用普通CCD相機觀測,則目標信號可能淹沒于讀出噪聲中,提取出的目標有較大誤差,甚至有可能根本無法提取目標。根據(jù)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)需觀測弱小目標并實時地校正波前相位的特性,采用高幀頻EMCCD相機作為波前傳感器是較為合理的選擇。E2V公司的CCD60是一款信號可線性放大500倍、幀頻可達1000幀/秒的EMCCD,能滿足自適應(yīng)波前傳感器的要求。通常,CCD需要多種電源供電,且必須滿足一定的上掉電順序,同時需要復(fù)雜的時序邏輯,且CCD的本底噪聲與驅(qū)動電路的設(shè)計關(guān)系密切。相比普通CCD,EMCCD更是需要一個4~50V的高壓脈沖信號來產(chǎn)生電荷增益,這成為EMCCD外圍驅(qū)動電路設(shè)計的難點。本文介紹了一種用于自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)波前傳感器EMCCD的電源和驅(qū)動電路設(shè)計方法,是EMCCD設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)。1ecd原理和sd60屬性1.1電子增益mccd的測量結(jié)果EMCCD技術(shù)始于全固態(tài)電子倍增技術(shù),它與普通CCD的不同之處是在水平寄存器中增加了固態(tài)電子倍增結(jié)構(gòu)(CCM),光生電荷包在進入讀出放大器前先進行倍增放大。因此,EMCCD在高增益狀態(tài)下可以產(chǎn)生更多的光電子從而減小讀出噪聲對信號的影響,獲得較高的探測靈敏度。圖1是其結(jié)構(gòu)示意圖。電子增益是通過R2HV與RDC之間的高壓電場對電子進行加速后與硅晶格發(fā)生碰撞來實現(xiàn)的,這是一個隨機過程,每個單元的平均增益在1%到1.5%之間(設(shè)為R),則經(jīng)過N級增益后可得到的總增益G為由上式可知,即使單級增益R很小,在經(jīng)過多級放大后也可以得到較大的倍增增益G。增益G是與R2HV和RDC之間的壓差以及芯片的工作溫度密切相關(guān)的,溫度越低、壓差越大則增益也越大。1.2背照減薄技術(shù)CCD60是英國E2V公司生產(chǎn)的一款低照度、高幀頻、背照式、幀轉(zhuǎn)移型EMCCD,它獨特的讀出放大器電路使得它在1000幀/秒情況下的等效讀出噪聲小于1個電子;它工作在IMO(時鐘反轉(zhuǎn))模式下,可大大抑制暗電流的產(chǎn)生,減輕后續(xù)芯片深度制冷帶來的困難;背照減薄(Back-Thinning)技術(shù)可在較寬的波長范圍內(nèi)都獲得較高的量子效率;芯片具有微光成像和高幀頻的特點,具有較廣的應(yīng)用范圍。2sd60驅(qū)動電路設(shè)計2.1高壓增益驅(qū)動信號的選擇CCD60共需8路直流偏置電壓:RDC,OG,SS,OD,RD,IG,ABD,DG,各路直流電壓值需要能夠調(diào)整,以最優(yōu)化CCD性能;同時需要10路驅(qū)動時序信號:I1,I2,S1,S2,R1,R2,R3,R2HV,R,DG,除R2HV可為方波或正弦波外,其他均要求是方波信號。驅(qū)動信號必須嚴格滿足一定的時序關(guān)系和高低電平值,并且各路驅(qū)動信號都有上升時間和下降時間要求。各直流偏置電壓和驅(qū)動信號高低電平值如表1。由表1可以看出,驅(qū)動信號的電平典型值有-5~5V,0~12V,4~50V這三種類型。普通TTL電平達不到上述要求,因此需要專門的驅(qū)動器芯片來產(chǎn)生這些驅(qū)動信號。Intersil公司的EL7156管腳驅(qū)動芯片可以產(chǎn)生高達40MHz、高低電平差值最大為18V的方波信號,且具有3.5A峰值電流的驅(qū)動能力,因此我們選擇該芯片作為-5~5V,0~12V驅(qū)動信號的發(fā)生器。對于+4~+50V的高壓增益驅(qū)動信號,它既可以是方波也可以是正弦波:方波驅(qū)動信號功耗大,沒有現(xiàn)成的集成芯片可以產(chǎn)生20MHz的高壓方波信號,需專門設(shè)計,設(shè)計難度大,但在增益時刻(R1的下降沿),高電平值相對固定,增益過程中產(chǎn)生的增益噪聲相對較小;相對于方波,正弦波更容易產(chǎn)生,功耗小,但要求其相位嚴格對準R1的下降沿,否則就會大大影響增益的性能?？紤]到正弦波更容易產(chǎn)生,本文選用正弦波作為高壓驅(qū)動信號。2.2高壓放大電路EMCCD的增益是由R2HV信號的幅度大小來控制的。因此,要求R2HV能達到CCD60最高像素時鐘頻率20MHz,低電平固定在4V,高電平范圍在20~50V之間變化,且電壓幅度及相位都要實時可調(diào)。正弦波信號可由DDS(數(shù)字直接合成器)來產(chǎn)生,然后通過專門的高壓放大模塊將該正弦波信號放大到所要求的幅度范圍內(nèi)。DDS內(nèi)部有三個可控制輸出信號的寄存器:頻率寄存器、相位寄存器和幅度寄存器,通過軟件修改這些寄存器的值,可控制DDS輸出信號頻率、相位和幅度,從而達到高壓正弦波信號頻率、相位和幅度可調(diào)的要求。為使高壓信號的最低電平滿足要求(4V),我們采用一個鉗位電路將高壓信號的底部鉗位到4V的直流電壓上,這樣,當我們調(diào)節(jié)信號幅度時,可以保證高壓信號的最低電平一直保持在4V。雖然正弦波相對方波較容易產(chǎn)生,但是由于DDS輸出的正弦波信號最大幅度為1V,而要滿足R2HV40V幅度的驅(qū)動要求,則需將信號至少放大40倍,這樣,即使前端信號混入很微弱的噪聲,經(jīng)過放大后也會使后端的高壓正弦波信號產(chǎn)生很大的噪聲,使信號不停地抖動,會嚴重影響成像的質(zhì)量。因此,在設(shè)計前端正弦波信號時,必須設(shè)計高性能濾波器,濾除這些噪聲。2.3s1成像轉(zhuǎn)移CCD60是幀轉(zhuǎn)移型器件,它包括成像區(qū)、存儲區(qū)和水平轉(zhuǎn)移寄存器三個部分。CCD60時序過程主要分為兩部分:垂直轉(zhuǎn)移時序和水平轉(zhuǎn)移時序。垂直轉(zhuǎn)移時序主要是將光生電荷由成像區(qū)逐行轉(zhuǎn)移到存儲區(qū);水平轉(zhuǎn)移時序則是將電荷由存儲區(qū)逐像素轉(zhuǎn)移到讀出寄存器。如圖3,當圖像曝光完畢后,由I2和S2上一個大于2μs的脈沖信號啟動轉(zhuǎn)移,垂直驅(qū)動信號I1,I2,S1,S2需連續(xù)轉(zhuǎn)移130個行轉(zhuǎn)移周期,將成像區(qū)的電荷包全部轉(zhuǎn)移到存儲區(qū);然后經(jīng)過136個像素周期清除水平寄存器中的無效電荷;最后將存儲區(qū)的信號電荷通過水平寄存器逐像素轉(zhuǎn)移出去。進入水平行轉(zhuǎn)移周期后,先由S1,S2將一行電荷從存儲區(qū)轉(zhuǎn)移到水平寄存器,此時R1,R2必須為高電平形成勢阱來接收電荷,R3為低電平將各個像素的電荷隔離開來,經(jīng)過連續(xù)的136個像素周期R1,R2,R3和R2HV將整行像素逐一轉(zhuǎn)移到水平讀出放大器,配合讀出放大器的復(fù)位信號R將信號電荷轉(zhuǎn)換為信號電壓輸出。如圖4,在R1下降之前,R2HV信號必須到達最高幅度,這樣才能形成穩(wěn)定、最大的增益。因此,R2HV與R1的相位關(guān)系對圖像質(zhì)量有很大影響;R1的占空比為1:2,R2和R3占空比為1:4。2.4同步到內(nèi)同步模式系統(tǒng)采用可編程邏輯器件(FPGA)來產(chǎn)生控制EL7156的TTL電平,EL7156輸出EMCCD驅(qū)動信號,具有較大的靈活性。根據(jù)驅(qū)動時序的特點,設(shè)計了一個狀態(tài)機,如圖5所示,包括:曝光,垂直轉(zhuǎn)移開始,垂直轉(zhuǎn)移,水平寄存器清空,水平轉(zhuǎn)移五個狀態(tài)。除曝光狀態(tài)外,其他狀態(tài)所處的時間都是一定的,每個狀態(tài)的時間一到立即轉(zhuǎn)移到下一個狀態(tài)運行,產(chǎn)生下一個狀態(tài)的驅(qū)動信號。系統(tǒng)可工作在外同步和內(nèi)同步兩種模式下,通過外部MCU來控制。曝光狀態(tài):曝光狀態(tài)所處的時間可以通過外部MCU來控制,從而可控制曝光量;當曝光完畢則進入垂直轉(zhuǎn)移開始狀態(tài),該狀態(tài)下I1,S一直為低電平,I2,S2一直為高電平,產(chǎn)生一個至少2μs的脈沖信號,以啟動該幀圖像轉(zhuǎn)移;之后進入垂直轉(zhuǎn)移狀態(tài),在垂直轉(zhuǎn)移狀態(tài)下,I1,I2,S1,S2需交替置為高低電平,形成交替變化的勢阱驅(qū)動電荷從成像區(qū)轉(zhuǎn)移到存儲區(qū);當圖像全部轉(zhuǎn)移到存儲區(qū)后,成像區(qū)又可以繼續(xù)曝光產(chǎn)生下一幀圖像,而存儲區(qū)的圖像則繼續(xù)轉(zhuǎn)移。水平寄存器清空狀態(tài)需要將水平寄存器中的無效電荷全部轉(zhuǎn)移走,以免這些無效電荷混入圖像。當136個像素周期的水平寄存器清空后,則開始進行水平轉(zhuǎn)移:先由S1和S2交替為高電平驅(qū)動一行圖像轉(zhuǎn)移到水平寄存器,此時R1,R2必須為高電平形成勢阱來接收電荷,而R3則為低電平將各個像素的電荷隔離開來,最后在R1、R2、R3、R2HV和R形成的高低電平驅(qū)動下,電荷包完成水平轉(zhuǎn)移、信號放大、讀出放大器信號輸出。系統(tǒng)設(shè)置了一個較高的基頻時鐘clk,通過一個計數(shù)器分頻產(chǎn)生水平驅(qū)動信號R1、R2、R3和R,通過調(diào)整信號起始時間來控制它們之間的相位關(guān)系,調(diào)整精度取決于基頻時鐘clk的頻率。同時R1也作為系統(tǒng)的像素時鐘,它作為最小時間單位來控制每一個狀態(tài)所處的時間。3驅(qū)動電路的設(shè)計采用PADS完成了CCD60驅(qū)動電路PCB板設(shè)計,并采用XilinxISE8.2開發(fā)平臺來完成時序驅(qū)動設(shè)計,整個時序產(chǎn)生過程都是在Spartan3系列FPGA中實現(xiàn)的,并用ChipScope進行后仿真,結(jié)果如圖6、圖7所示,可以看出時序關(guān)系與圖4和圖5中的時序關(guān)系完全一致,能滿足CCD60的驅(qū)動要求。高壓R2HV和R1的關(guān)系如圖8所示,示波器采集的是18MHz頻率下的波形圖?？梢钥闯?R2HV在R1的下降沿到來前已經(jīng)達到最高電壓,且最低電壓為4V,最高