專利名稱：一種變壓器實(shí)現(xiàn)emccd信號驅(qū)動的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種CCD的驅(qū)動技術(shù)，具體涉及一種EMCCD的高速高壓驅(qū)動信號的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
對較暗目標(biāo)進(jìn)行成像時(shí)，如果CCD的讀出放大器噪聲比較大，常常會掩蓋有用信號，尤其是在讀出速度較高的情況下，讀出噪聲會隨著讀出速度的提高而增大。隨著CCD制作工藝的不斷發(fā)展，EMCCD的問世使得微小的信號也能克服讀出放大器的噪聲，而且此類 CCD在不需要任何附加結(jié)構(gòu)的情況下，能夠得到與ICCD差不多的圖像質(zhì)量；EMCCD的基本結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的幀轉(zhuǎn)移CCD大致相同，但在讀出寄存器和讀出放大器之間加入了數(shù)百個(gè)增益寄存器，它的電極結(jié)構(gòu)不同于轉(zhuǎn)移寄存器，信號在這里得到了增益。在增益寄存器中，實(shí)現(xiàn)雪崩倍增所需的高壓電場是在增益寄存器中由相鄰電極間大電位差形成的，通常一個(gè)電極上約20 50V的高幅值信號而另一個(gè)電極保持低直流偏壓，通過調(diào)節(jié)高幅值脈沖的高電平來改變兩電極之間的電位差從而調(diào)控倍增因子。如何將模擬電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)的數(shù)字化技術(shù)結(jié)合起來，為EMCCD的驅(qū)動提供新的技術(shù)手段是本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決現(xiàn)有的驅(qū)動方法功耗大且難以實(shí)現(xiàn)的問題，提供一種變壓器實(shí)現(xiàn) EMCXD信號驅(qū)動的系統(tǒng)。一種變壓器實(shí)現(xiàn)EMCCD信號驅(qū)動的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括控制器、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、 M0SFET、集成驅(qū)動器、第一可調(diào)電壓器、第二可調(diào)電壓器、幅值計(jì)算電路、交流分量提取電路、直流分量提取電路、分壓采樣電路、直流電平嵌位電路、高頻變壓器、可調(diào)電感和可調(diào)電阻；所述控制器的輸出端分別與第一可調(diào)電壓器的輸入端、第二可調(diào)電壓器的輸入端和集成驅(qū)動器的輸入端連接；所述控制器向集成驅(qū)動器輸入時(shí)序驅(qū)動信號，控制器分別向第一可調(diào)電壓器和第二可調(diào)電壓器輸出對應(yīng)的數(shù)字參數(shù)值；集成驅(qū)動器的輸出端與MOSFET的柵極連接，集成驅(qū)動器輸出的驅(qū)動信號作為 MOSFET的驅(qū)動信號；所述MOSFET的漏極與高頻變壓器初級線圈的一端連接，高頻變壓器初級線圈作為MOSFET的負(fù)載，所述第一可調(diào)電壓器的輸出端與高頻變壓器初級線圈的另一端連接，第一可調(diào)電壓器輸出的電壓作為高頻變壓器初級線圈的供電電壓，所述高頻變壓器次級線圈的一端與直流電平嵌位電路的輸入端連接，高頻變壓器次級線圈的另一端與可調(diào)電感的一端連接，可調(diào)電感的另一端與可調(diào)電阻的一端連接，可調(diào)電阻的另一端與EMCCD 的管腳連接，所述高頻變壓器、可調(diào)電感、可調(diào)電阻和EMCCD的管腳的等效電容組成RLC的串聯(lián)諧振電路，所述第二可調(diào)電壓器輸出電壓經(jīng)直流電平嵌位電路向RLC諧振電路偏置電流；
所述分壓采樣電路的輸入端與EMCCD的管腳連接，分壓采樣電路的輸出端分別與交流分量提取電路的輸入端、直流分量提取電路的輸入端連接，所述交流分量提取電路的輸出端與幅值計(jì)算電路的輸入端連接，幅值計(jì)算電路的輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸入端連接，所述直流分量提取電路的輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸入端連接，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸出端與控制器的輸入端連接；所述分壓采樣電路采集與EMCCD的管腳信號成比例關(guān)系的低壓信號，所述低壓信號分別經(jīng)交流分量提取電路和直流分量提取電路后獲得交流電平信號和直流電平信號，所述交流電平信號經(jīng)幅值計(jì)算電路后傳送至模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將直流電平信號和交流電平信號的幅度電平信號數(shù)字量化后傳送至控制器，所述控制器根據(jù)輸入的數(shù)字信號獲得當(dāng)前輸出信號的最高和最低電平值，進(jìn)行閉環(huán)控制。本發(fā)明的有益效果一、本發(fā)明所述的高速高壓驅(qū)動信號主要采用EMCCD管腳的等效電容和外部變壓器的電感組成RLC串聯(lián)諧振電路來獲得，大大降低了對驅(qū)動器件的要求，同時(shí)也大大降低了該電路的功耗；二、本發(fā)明所述的系統(tǒng)中輸出信號的幅度調(diào)節(jié)通過改變第一可調(diào)電壓器中數(shù)字電位器的電阻值從而改變第一可調(diào)電壓器的輸出電壓進(jìn)而改變了高頻變壓器的初級線圈電壓，實(shí)現(xiàn)了輸出信號幅度的數(shù)字控制；三、本發(fā)明通過第二可調(diào)電壓器接收到的數(shù)字參數(shù)值，改變第二可調(diào)電壓器內(nèi)數(shù)字電位器的電阻值，從而改變DC-DC升壓電路中的輸出電壓值，并經(jīng)直流電平嵌位電路向 RLC諧振電路提供直流偏置，使每次更改輸出信號幅度值后輸出信號的高低電平仍在正常的工作范圍內(nèi)；四、本發(fā)明采用模擬方法處理輸出信號，可實(shí)時(shí)監(jiān)測該高速高壓驅(qū)動信號的最高最低電平值，實(shí)現(xiàn)輸出信號電平的閉環(huán)控制，同時(shí)保證該腳電壓始終處于正常的工作范圍。


圖1為本發(fā)明所述的一種變壓器實(shí)現(xiàn)EMCXD信號驅(qū)動的系統(tǒng)的原理圖；圖2為本發(fā)明所述的一種變壓器實(shí)現(xiàn)EMCXD信號驅(qū)動的系統(tǒng)框圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一、結(jié)合圖1和圖2說明本實(shí)施方式，一種變壓器實(shí)現(xiàn)EMC⑶信號驅(qū)動的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括控制器、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、M0SFET、集成驅(qū)動器、第一可調(diào)電壓器、第二可調(diào)電壓器、幅值計(jì)算電路、交流分量提取電路、直流分量提取電路、分壓采樣電路、直流電平嵌位電路、高頻變壓器、可調(diào)電感和可調(diào)電阻；所述控制器輸出端與集成驅(qū)動器的輸入端、第一可調(diào)電壓器輸入端、第二可調(diào)電壓器的輸入端連接，所述控制器向集成驅(qū)動器輸入時(shí)序驅(qū)動信號，并根據(jù)當(dāng)前的增益要求，分別向第一可調(diào)電壓器和第二可調(diào)電壓器輸出對應(yīng)的數(shù)字參數(shù)值；所述集成驅(qū)動器的輸出與MOSFET的柵極相連，其輸出的信號作為MOSFET 的驅(qū)動信號；所述高頻變壓器初級線圈作為MOSFET的負(fù)載，其一端與MOSFET的漏極相連； 第一可調(diào)電壓器的輸出端與高頻變壓器初級線圈的另一端連接，根據(jù)接收到的數(shù)字參數(shù)值輸出對應(yīng)的電壓，此電壓作為高頻變壓器的初級線圈的供電電壓，這樣可實(shí)現(xiàn)輸出信號幅度的數(shù)字控制；高頻變壓器次級線圈的一端與直流電平嵌位電路連接，另一端和可調(diào)電感、可調(diào)電阻及EMCCD管腳連接，組成RLC的串聯(lián)諧振電路；所述第二可調(diào)電壓器根據(jù)接收到的數(shù)字參數(shù)值輸出對應(yīng)的電壓，并經(jīng)直流電平嵌位電路向RLC諧振電路提供直流偏置；可調(diào)電感作用是保證RLC電路在特定的工作頻率下電路處于諧振狀態(tài)，可調(diào)電阻用于微調(diào)電路的品質(zhì)因數(shù)Q，同時(shí)可在電路諧振的調(diào)試過程中用于限流防止EMCCD管腳上的信號超出該器件的正常工作范圍。所述分壓采樣電路采集與EMCCD的管腳信號成比例關(guān)系的低壓信號，分別經(jīng)交流分量提取電路和直流分量提取電路，獲得直流電平和交流信號；直流電平信號可直接送入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行數(shù)字量化；交流信號在幅值計(jì)算電路中經(jīng)平方、二倍放大和開方運(yùn)算后得到正弦信號的幅度信息，然后也送入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行數(shù)字量化；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路把兩路信號數(shù)字量化后，送入控制器中；控制器可根據(jù)輸入的數(shù)字反饋信號計(jì)算出當(dāng)前輸出信號的最高最低電平值，進(jìn)行閉環(huán)控制；本實(shí)施方式所述的控制器為Xilinx公司的FPGA ；所述的集成驅(qū)動器為htersil 公司的高速驅(qū)動器；所述MOSFET為仙童公司生產(chǎn)的型號FDD5612的M0SFET。本實(shí)施方式所述的高頻變壓器為定制產(chǎn)品，可根據(jù)使用要求對具體參數(shù)進(jìn)行調(diào)整；第二可調(diào)電壓器主要包括DC-DC升壓電源芯片和數(shù)字電位器，輸出電壓可數(shù)字調(diào)整；直流電平嵌位電路主要為高速開關(guān)二極管；第一可調(diào)電壓器主要包括DC-DC電源芯片和數(shù)字電位器，輸出電壓可數(shù)字調(diào)整。本實(shí)施方式所述的可調(diào)電感為手工繞制的電感，可進(jìn)行精細(xì)的電感量調(diào)整，直流電阻值很小；可調(diào)電阻為額定功耗較大的電阻；所述EMCCD為E2V公司的EMCCD ；所述的分壓采樣電路主要為電阻；交流分量提取電路為高通濾波器；直流分量提取電路為低通濾波器；所述幅值計(jì)算電路主要為模擬乘法器；所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路主要為雙路的高速數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。本發(fā)明所述的CCD驅(qū)動管腳的模型為一個(gè)電阻(阻值較小)和電容的串聯(lián)；高頻變壓器次級線圈的模型為一個(gè)電阻、次級線圈的自感和初級線圈互感的串聯(lián)，在本發(fā)明中要求高頻變壓器模型中的電阻值很小；結(jié)合圖1，Rl為高頻變壓器的初級線圈的等效直流電阻，R2為高頻變壓器的次級線圈和CCD驅(qū)動管腳的等效電阻之和；Cl為EMCCD驅(qū)動管腳的等效電容，容值為C，其兩端電壓值為隊(duì)；輸入的驅(qū)動信號幅度為仏，角頻率為ω (頻率為 f)；高頻變壓器的初級線圈自感為L1,次級線圈自感為L2,互感為M ；電容的容抗^=i= i’當(dāng)要求其兩端的正弦信號幅度為50V，頻率為20MHz時(shí)，容值為IOOpF時(shí)，則電流幅 ^ / = — = 2^-JU0C = 2^·χ20χIO6 χ 50χ 100χIO"12 = 02π (A)；
Xc當(dāng)采用傳統(tǒng)的驅(qū)動工作方式時(shí)，驅(qū)動器輸出的峰值功耗P = = 10 π (W)；現(xiàn)今的集成高速驅(qū)動器的最大工作電壓在20V左右，不能滿足50V左右的要求；采用兩分立的高速大功率MOSFET能滿足驅(qū)動要求，但可選的MOSFET種類有限且購買困難，整個(gè)電路的功耗大，加重了 EMCXD低溫環(huán)境下工作的負(fù)擔(dān)。結(jié)合圖1，根據(jù)戴維南定理，當(dāng)電容Cl斷開時(shí)，其兩端的電壓為
TT j CoMUsUx=^~
電路的等效內(nèi)阻抗為
權(quán)利要求
1.一種變壓器實(shí)現(xiàn)EMCCD信號驅(qū)動的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括控制器、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、 M0SFET、集成驅(qū)動器、第一可調(diào)電壓器、第二可調(diào)電壓器、幅值計(jì)算電路、交流分量提取電路、直流分量提取電路、分壓采樣電路、直流電平嵌位電路、高頻變壓器、可調(diào)電感和可調(diào)電阻；其特征是，所述控制器的輸出端分別與第一可調(diào)電壓器的輸入端、第二可調(diào)電壓器的輸入端和集成驅(qū)動器的輸入端連接；所述控制器向集成驅(qū)動器輸入時(shí)序驅(qū)動信號，控制器分別向第一可調(diào)電壓器和第二可調(diào)電壓器輸出對應(yīng)的數(shù)字參數(shù)值；集成驅(qū)動器的輸出端與MOSFET的柵極連接，集成驅(qū)動器輸出的驅(qū)動信號作為MOSFET 的驅(qū)動信號；所述MOSFET的漏極與高頻變壓器初級線圈的一端連接，高頻變壓器初級線圈作為MOSFET的負(fù)載，所述第一可調(diào)電壓器的輸出端與高頻變壓器初級線圈的另一端連接， 第一可調(diào)電壓器輸出的電壓作為高頻變壓器初級線圈的供電電壓，所述高頻變壓器次級線圈的一端與直流電平嵌位電路的輸入端連接，高頻變壓器次級線圈的另一端與可調(diào)電感的一端連接，可調(diào)電感的另一端與可調(diào)電阻的一端連接，可調(diào)電阻的另一端與EMCCD的管腳連接，所述高頻變壓器、可調(diào)電感、可調(diào)電阻和EMCCD的管腳的等效電容組成RLC的串聯(lián)諧振電路，所述第二可調(diào)電壓器輸出電壓經(jīng)直流電平嵌位電路向RLC諧振電路偏置電流；所述分壓采樣電路的輸入端與EMCCD的管腳連接，分壓采樣電路的輸出端分別與交流分量提取電路的輸入端、直流分量提取電路的輸入端連接，所述交流分量提取電路的輸出端與幅值計(jì)算電路的輸入端連接，幅值計(jì)算電路的輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸入端連接， 所述直流分量提取電路的輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸入端連接，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸出端與控制器的輸入端連接；所述分壓采樣電路采集與EMCCD的管腳信號成比例關(guān)系的低壓信號，所述低壓信號分別經(jīng)交流分量提取電路和直流分量提取電路后獲得交流電平信號和直流電平信號，所述交流電平信號經(jīng)幅值計(jì)算電路后傳送至模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將直流電平信號和交流電平信號的幅度電平信號數(shù)字量化后傳送至控制器，所述控制器根據(jù)輸入的數(shù)字信號獲得當(dāng)前輸出信號的最高和最低電平值，進(jìn)行閉環(huán)控制。
2.一種變壓器實(shí)現(xiàn)EMCCD信號驅(qū)動的系統(tǒng)，其特征在于，所述的第一可調(diào)電壓器和第二可調(diào)電壓器主要包括DC-DC升壓電源芯片和數(shù)字電位器，輸出可調(diào)整的數(shù)字電壓。
全文摘要
一種變壓器實(shí)現(xiàn)EMCCD信號驅(qū)動的系統(tǒng)，涉及CCD的驅(qū)動技術(shù)，它解決現(xiàn)有的驅(qū)動方法功耗大且難以實(shí)現(xiàn)的問題，本系統(tǒng)輸出信號的幅度調(diào)節(jié)通過改變第一可調(diào)電壓器中數(shù)字電位器的電阻值從而改變第一可調(diào)電壓器的輸出電壓進(jìn)而改變高頻變壓器的初級線圈電壓，實(shí)現(xiàn)輸出信號幅度的數(shù)字控制；通過第二可調(diào)電壓器接收到的數(shù)字參數(shù)值，改變第二可調(diào)電壓器內(nèi)數(shù)字電位器的電阻值，從而改變DC-DC升壓電路中的輸出電壓值，并經(jīng)直流電平嵌位電路向RLC諧振電路提供直流偏置，使每次更改輸出信號幅度值后輸出信號的高低電平仍在正常的工作范圍內(nèi)；本發(fā)明大大降低了電路功耗和對高速大功率器件的依賴。
文檔編號H04N5/357GK102316284SQ201110262468
公開日2012年1月11日 申請日期2011年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月6日
發(fā)明者余達(dá), 劉金國, 孔德柱, 徐東, 臧佳, 趙瑩, 郭永飛 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所