用于自适应光学波前传感器的电子增益控制

用于自适应光学波前传感器的电子增益控制

0波前相位误差的观测eccd（电子薄膜电子表训器）是sd发展史上的一项重大进展。通过在水平输出级中插入高压性能基准，加速和消除电压损失，并在高压下接触并获得性能。相比于ICCD和EBCCD,EMCCD具有体积小、寿命长、功耗低等优点。EMCCD在天文观测,生物医学,微光监控等领域都有广阔的应用。在天文观测中,自适应光学系统利用波前传感器实时测量成像系统的波前相位误差,所观测的目标信号比较微弱,若采用普通CCD相机观测,则目标信号可能淹没于读出噪声中,提取出的目标有较大误差,甚至有可能根本无法提取目标。根据自适应光学系统需观测弱小目标并实时地校正波前相位的特性,采用高帧频EMCCD相机作为波前传感器是较为合理的选择。E2V公司的CCD60是一款信号可线性放大500倍、帧频可达1000帧/秒的EMCCD,能满足自适应波前传感器的要求。通常,CCD需要多种电源供电,且必须满足一定的上掉电顺序,同时需要复杂的时序逻辑,且CCD的本底噪声与驱动电路的设计关系密切。相比普通CCD,EMCCD更是需要一个4~50V的高压脉冲信号来产生电荷增益,这成为EMCCD外围驱动电路设计的难点。本文介绍了一种用于自适应光学系统波前传感器EMCCD的电源和驱动电路设计方法,是EMCCD设计中的关键技术。1ecd原理和sd60属性1.1电子增益mccd的测量结果EMCCD技术始于全固态电子倍增技术,它与普通CCD的不同之处是在水平寄存器中增加了固态电子倍增结构(CCM),光生电荷包在进入读出放大器前先进行倍增放大。因此,EMCCD在高增益状态下可以产生更多的光电子从而减小读出噪声对信号的影响,获得较高的探测灵敏度。图1是其结构示意图。电子增益是通过R2HV与RDC之间的高压电场对电子进行加速后与硅晶格发生碰撞来实现的,这是一个随机过程,每个单元的平均增益在1%到1.5%之间(设为R),则经过N级增益后可得到的总增益G为由上式可知,即使单级增益R很小,在经过多级放大后也可以得到较大的倍增增益G。增益G是与R2HV和RDC之间的压差以及芯片的工作温度密切相关的,温度越低、压差越大则增益也越大。1.2背照减薄技术CCD60是英国E2V公司生产的一款低照度、高帧频、背照式、帧转移型EMCCD,它独特的读出放大器电路使得它在1000帧/秒情况下的等效读出噪声小于1个电子;它工作在IMO(时钟反转)模式下,可大大抑制暗电流的产生,减轻后续芯片深度制冷带来的困难;背照减薄(Back-Thinning)技术可在较宽的波长范围内都获得较高的量子效率;芯片具有微光成像和高帧频的特点,具有较广的应用范围。2sd60驱动电路设计2.1高压增益驱动信号的选择CCD60共需8路直流偏置电压:RDC,OG,SS,OD,RD,IG,ABD,DG,各路直流电压值需要能够调整,以最优化CCD性能;同时需要10路驱动时序信号:I1,I2,S1,S2,R1,R2,R3,R2HV,R,DG,除R2HV可为方波或正弦波外,其他均要求是方波信号。驱动信号必须严格满足一定的时序关系和高低电平值,并且各路驱动信号都有上升时间和下降时间要求。各直流偏置电压和驱动信号高低电平值如表1。由表1可以看出,驱动信号的电平典型值有-5~5V,0~12V,4~50V这三种类型。普通TTL电平达不到上述要求,因此需要专门的驱动器芯片来产生这些驱动信号。Intersil公司的EL7156管脚驱动芯片可以产生高达40MHz、高低电平差值最大为18V的方波信号,且具有3.5A峰值电流的驱动能力,因此我们选择该芯片作为-5~5V,0~12V驱动信号的发生器。对于+4~+50V的高压增益驱动信号,它既可以是方波也可以是正弦波:方波驱动信号功耗大,没有现成的集成芯片可以产生20MHz的高压方波信号,需专门设计,设计难度大,但在增益时刻(R1的下降沿),高电平值相对固定,增益过程中产生的增益噪声相对较小;相对于方波,正弦波更容易产生,功耗小,但要求其相位严格对准R1的下降沿,否则就会大大影响增益的性能。考虑到正弦波更容易产生,本文选用正弦波作为高压驱动信号。2.2高压放大电路EMCCD的增益是由R2HV信号的幅度大小来控制的。因此,要求R2HV能达到CCD60最高像素时钟频率20MHz,低电平固定在4V,高电平范围在20~50V之间变化,且电压幅度及相位都要实时可调。正弦波信号可由DDS(数字直接合成器)来产生,然后通过专门的高压放大模块将该正弦波信号放大到所要求的幅度范围内。DDS内部有三个可控制输出信号的寄存器:频率寄存器、相位寄存器和幅度寄存器,通过软件修改这些寄存器的值,可控制DDS输出信号频率、相位和幅度,从而达到高压正弦波信号频率、相位和幅度可调的要求。为使高压信号的最低电平满足要求(4V),我们采用一个钳位电路将高压信号的底部钳位到4V的直流电压上,这样,当我们调节信号幅度时,可以保证高压信号的最低电平一直保持在4V。虽然正弦波相对方波较容易产生,但是由于DDS输出的正弦波信号最大幅度为1V,而要满足R2HV40V幅度的驱动要求,则需将信号至少放大40倍,这样,即使前端信号混入很微弱的噪声,经过放大后也会使后端的高压正弦波信号产生很大的噪声,使信号不停地抖动,会严重影响成像的质量。因此,在设计前端正弦波信号时,必须设计高性能滤波器,滤除这些噪声。2.3s1成像转移CCD60是帧转移型器件,它包括成像区、存储区和水平转移寄存器三个部分。CCD60时序过程主要分为两部分:垂直转移时序和水平转移时序。垂直转移时序主要是将光生电荷由成像区逐行转移到存储区;水平转移时序则是将电荷由存储区逐像素转移到读出寄存器。如图3,当图像曝光完毕后,由I2和S2上一个大于2µs的脉冲信号启动转移,垂直驱动信号I1,I2,S1,S2需连续转移130个行转移周期,将成像区的电荷包全部转移到存储区;然后经过136个像素周期清除水平寄存器中的无效电荷;最后将存储区的信号电荷通过水平寄存器逐像素转移出去。进入水平行转移周期后,先由S1,S2将一行电荷从存储区转移到水平寄存器,此时R1,R2必须为高电平形成势阱来接收电荷,R3为低电平将各个像素的电荷隔离开来,经过连续的136个像素周期R1,R2,R3和R2HV将整行像素逐一转移到水平读出放大器,配合读出放大器的复位信号R将信号电荷转换为信号电压输出。如图4,在R1下降之前,R2HV信号必须到达最高幅度,这样才能形成稳定、最大的增益。因此,R2HV与R1的相位关系对图像质量有很大影响;R1的占空比为1:2,R2和R3占空比为1:4。2.4同步到内同步模式系统采用可编程逻辑器件(FPGA)来产生控制EL7156的TTL电平,EL7156输出EMCCD驱动信号,具有较大的灵活性。根据驱动时序的特点,设计了一个状态机,如图5所示,包括:曝光,垂直转移开始,垂直转移,水平寄存器清空,水平转移五个状态。除曝光状态外,其他状态所处的时间都是一定的,每个状态的时间一到立即转移到下一个状态运行,产生下一个状态的驱动信号。系统可工作在外同步和内同步两种模式下,通过外部MCU来控制。曝光状态:曝光状态所处的时间可以通过外部MCU来控制,从而可控制曝光量;当曝光完毕则进入垂直转移开始状态,该状态下I1,S一直为低电平,I2,S2一直为高电平,产生一个至少2µs的脉冲信号,以启动该帧图像转移;之后进入垂直转移状态,在垂直转移状态下,I1,I2,S1,S2需交替置为高低电平,形成交替变化的势阱驱动电荷从成像区转移到存储区;当图像全部转移到存储区后,成像区又可以继续曝光产生下一帧图像,而存储区的图像则继续转移。水平寄存器清空状态需要将水平寄存器中的无效电荷全部转移走,以免这些无效电荷混入图像。当136个像素周期的水平寄存器清空后,则开始进行水平转移:先由S1和S2交替为高电平驱动一行图像转移到水平寄存器,此时R1,R2必须为高电平形成势阱来接收电荷,而R3则为低电平将各个像素的电荷隔离开来,最后在R1、R2、R3、R2HV和R形成的高低电平驱动下,电荷包完成水平转移、信号放大、读出放大器信号输出。系统设置了一个较高的基频时钟clk,通过一个计数器分频产生水平驱动信号R1、R2、R3和R,通过调整信号起始时间来控制它们之间的相位关系,调整精度取决于基频时钟clk的频率。同时R1也作为系统的像素时钟,它作为最小时间单位来控制每一个状态所处的时间。3驱动电路的设计采用PADS完成了CCD60驱动电路PCB板设计,并采用XilinxISE8.2开发平台来完成时序驱动设计,整个时序产生过程都是在Spartan3系列FPGA中实现的,并用ChipScope进行后仿真,结果如图6、图7所示,可以看出时序关系与图4和图5中的时序关系完全一致,能满足CCD60的驱动要求。高压R2HV和R1的关系如图8所示,示波器采集的是18MHz频率下的波形图。可以看出,R2HV在R1的下降沿到来前已经达到最高电压,且最低电压为4V,最高