专利名称：一种变压器实现emccd信号驱动的系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种CCD的驱动技术，具体涉及一种EMCCD的高速高压驱动信号的实现系统。
背景技术：
对较暗目标进行成像时，如果CCD的读出放大器噪声比较大，常常会掩盖有用信号，尤其是在读出速度较高的情况下，读出噪声会随着读出速度的提高而增大。随着CCD制作工艺的不断发展，EMCCD的问世使得微小的信号也能克服读出放大器的噪声，而且此类 CCD在不需要任何附加结构的情况下，能够得到与ICCD差不多的图像质量；EMCCD的基本结构与传统的帧转移CCD大致相同，但在读出寄存器和读出放大器之间加入了数百个增益寄存器，它的电极结构不同于转移寄存器，信号在这里得到了增益。在增益寄存器中，实现雪崩倍增所需的高压电场是在增益寄存器中由相邻电极间大电位差形成的，通常一个电极上约20 50V的高幅值信号而另一个电极保持低直流偏压，通过调节高幅值脉冲的高电平来改变两电极之间的电位差从而调控倍增因子。如何将模拟电子技术和计算机的数字化技术结合起来，为EMCCD的驱动提供新的技术手段是本发明所要解决的技术问题。
发明内容
本发明为解决现有的驱动方法功耗大且难以实现的问题，提供一种变压器实现 EMCXD信号驱动的系统。一种变压器实现EMCCD信号驱动的系统，该系统包括控制器、模数转换电路、 M0SFET、集成驱动器、第一可调电压器、第二可调电压器、幅值计算电路、交流分量提取电路、直流分量提取电路、分压采样电路、直流电平嵌位电路、高频变压器、可调电感和可调电阻；所述控制器的输出端分别与第一可调电压器的输入端、第二可调电压器的输入端和集成驱动器的输入端连接；所述控制器向集成驱动器输入时序驱动信号，控制器分别向第一可调电压器和第二可调电压器输出对应的数字参数值；集成驱动器的输出端与MOSFET的栅极连接，集成驱动器输出的驱动信号作为 MOSFET的驱动信号；所述MOSFET的漏极与高频变压器初级线圈的一端连接，高频变压器初级线圈作为MOSFET的负载，所述第一可调电压器的输出端与高频变压器初级线圈的另一端连接，第一可调电压器输出的电压作为高频变压器初级线圈的供电电压，所述高频变压器次级线圈的一端与直流电平嵌位电路的输入端连接，高频变压器次级线圈的另一端与可调电感的一端连接，可调电感的另一端与可调电阻的一端连接，可调电阻的另一端与EMCCD 的管脚连接，所述高频变压器、可调电感、可调电阻和EMCCD的管脚的等效电容组成RLC的串联谐振电路，所述第二可调电压器输出电压经直流电平嵌位电路向RLC谐振电路偏置电流；
所述分压采样电路的输入端与EMCCD的管脚连接，分压采样电路的输出端分别与交流分量提取电路的输入端、直流分量提取电路的输入端连接，所述交流分量提取电路的输出端与幅值计算电路的输入端连接，幅值计算电路的输出端与模数转换电路的输入端连接，所述直流分量提取电路的输出端与模数转换电路的输入端连接，所述模数转换电路的输出端与控制器的输入端连接；所述分压采样电路采集与EMCCD的管脚信号成比例关系的低压信号，所述低压信号分别经交流分量提取电路和直流分量提取电路后获得交流电平信号和直流电平信号，所述交流电平信号经幅值计算电路后传送至模数转换电路，所述模数转换电路将直流电平信号和交流电平信号的幅度电平信号数字量化后传送至控制器，所述控制器根据输入的数字信号获得当前输出信号的最高和最低电平值，进行闭环控制。本发明的有益效果一、本发明所述的高速高压驱动信号主要采用EMCCD管脚的等效电容和外部变压器的电感组成RLC串联谐振电路来获得，大大降低了对驱动器件的要求，同时也大大降低了该电路的功耗；二、本发明所述的系统中输出信号的幅度调节通过改变第一可调电压器中数字电位器的电阻值从而改变第一可调电压器的输出电压进而改变了高频变压器的初级线圈电压，实现了输出信号幅度的数字控制；三、本发明通过第二可调电压器接收到的数字参数值，改变第二可调电压器内数字电位器的电阻值，从而改变DC-DC升压电路中的输出电压值，并经直流电平嵌位电路向 RLC谐振电路提供直流偏置，使每次更改输出信号幅度值后输出信号的高低电平仍在正常的工作范围内；四、本发明采用模拟方法处理输出信号，可实时监测该高速高压驱动信号的最高最低电平值，实现输出信号电平的闭环控制，同时保证该脚电压始终处于正常的工作范围。
图1为本发明所述的一种变压器实现EMCXD信号驱动的系统的原理图；图2为本发明所述的一种变压器实现EMCXD信号驱动的系统框图。
具体实施例方式具体实施方式
一、结合图1和图2说明本实施方式，一种变压器实现EMC⑶信号驱动的系统，该系统包括控制器、模数转换电路、M0SFET、集成驱动器、第一可调电压器、第二可调电压器、幅值计算电路、交流分量提取电路、直流分量提取电路、分压采样电路、直流电平嵌位电路、高频变压器、可调电感和可调电阻；所述控制器输出端与集成驱动器的输入端、第一可调电压器输入端、第二可调电压器的输入端连接，所述控制器向集成驱动器输入时序驱动信号，并根据当前的增益要求，分别向第一可调电压器和第二可调电压器输出对应的数字参数值；所述集成驱动器的输出与MOSFET的栅极相连，其输出的信号作为MOSFET 的驱动信号；所述高频变压器初级线圈作为MOSFET的负载，其一端与MOSFET的漏极相连； 第一可调电压器的输出端与高频变压器初级线圈的另一端连接，根据接收到的数字参数值输出对应的电压，此电压作为高频变压器的初级线圈的供电电压，这样可实现输出信号幅度的数字控制；高频变压器次级线圈的一端与直流电平嵌位电路连接，另一端和可调电感、可调电阻及EMCCD管脚连接，组成RLC的串联谐振电路；所述第二可调电压器根据接收到的数字参数值输出对应的电压，并经直流电平嵌位电路向RLC谐振电路提供直流偏置；可调电感作用是保证RLC电路在特定的工作频率下电路处于谐振状态，可调电阻用于微调电路的品质因数Q，同时可在电路谐振的调试过程中用于限流防止EMCCD管脚上的信号超出该器件的正常工作范围。所述分压采样电路采集与EMCCD的管脚信号成比例关系的低压信号，分别经交流分量提取电路和直流分量提取电路，获得直流电平和交流信号；直流电平信号可直接送入模数转换电路进行数字量化；交流信号在幅值计算电路中经平方、二倍放大和开方运算后得到正弦信号的幅度信息，然后也送入模数转换电路进行数字量化；所述模数转换电路把两路信号数字量化后，送入控制器中；控制器可根据输入的数字反馈信号计算出当前输出信号的最高最低电平值，进行闭环控制；本实施方式所述的控制器为Xilinx公司的FPGA ；所述的集成驱动器为htersil 公司的高速驱动器；所述MOSFET为仙童公司生产的型号FDD5612的M0SFET。本实施方式所述的高频变压器为定制产品，可根据使用要求对具体参数进行调整；第二可调电压器主要包括DC-DC升压电源芯片和数字电位器，输出电压可数字调整；直流电平嵌位电路主要为高速开关二极管；第一可调电压器主要包括DC-DC电源芯片和数字电位器，输出电压可数字调整。本实施方式所述的可调电感为手工绕制的电感，可进行精细的电感量调整，直流电阻值很小；可调电阻为额定功耗较大的电阻；所述EMCCD为E2V公司的EMCCD ；所述的分压采样电路主要为电阻；交流分量提取电路为高通滤波器；直流分量提取电路为低通滤波器；所述幅值计算电路主要为模拟乘法器；所述的模数转换电路主要为双路的高速数模转换芯片。本发明所述的CCD驱动管脚的模型为一个电阻(阻值较小)和电容的串联；高频变压器次级线圈的模型为一个电阻、次级线圈的自感和初级线圈互感的串联，在本发明中要求高频变压器模型中的电阻值很小；结合图1，Rl为高频变压器的初级线圈的等效直流电阻，R2为高频变压器的次级线圈和CCD驱动管脚的等效电阻之和；Cl为EMCCD驱动管脚的等效电容，容值为C，其两端电压值为队；输入的驱动信号幅度为仏，角频率为ω (频率为 f)；高频变压器的初级线圈自感为L1,次级线圈自感为L2,互感为M ；电容的容抗^=i= i’当要求其两端的正弦信号幅度为50V，频率为20MHz时，容值为IOOpF时，则电流幅 ^ / = — = 2^-JU0C = 2^·χ20χIO6 χ 50χ 100χIO"12 = 02π (A)；
Xc当采用传统的驱动工作方式时，驱动器输出的峰值功耗P = = 10 π (W)；现今的集成高速驱动器的最大工作电压在20V左右，不能满足50V左右的要求；采用两分立的高速大功率MOSFET能满足驱动要求，但可选的MOSFET种类有限且购买困难，整个电路的功耗大，加重了 EMCXD低温环境下工作的负担。结合图1，根据戴维南定理，当电容Cl断开时，其两端的电压为
TT j CoMUsUx=^~
电路的等效内阻抗为
权利要求
1.一种变压器实现EMCCD信号驱动的系统，该系统包括控制器、模数转换电路、 M0SFET、集成驱动器、第一可调电压器、第二可调电压器、幅值计算电路、交流分量提取电路、直流分量提取电路、分压采样电路、直流电平嵌位电路、高频变压器、可调电感和可调电阻；其特征是，所述控制器的输出端分别与第一可调电压器的输入端、第二可调电压器的输入端和集成驱动器的输入端连接；所述控制器向集成驱动器输入时序驱动信号，控制器分别向第一可调电压器和第二可调电压器输出对应的数字参数值；集成驱动器的输出端与MOSFET的栅极连接，集成驱动器输出的驱动信号作为MOSFET 的驱动信号；所述MOSFET的漏极与高频变压器初级线圈的一端连接，高频变压器初级线圈作为MOSFET的负载，所述第一可调电压器的输出端与高频变压器初级线圈的另一端连接， 第一可调电压器输出的电压作为高频变压器初级线圈的供电电压，所述高频变压器次级线圈的一端与直流电平嵌位电路的输入端连接，高频变压器次级线圈的另一端与可调电感的一端连接，可调电感的另一端与可调电阻的一端连接，可调电阻的另一端与EMCCD的管脚连接，所述高频变压器、可调电感、可调电阻和EMCCD的管脚的等效电容组成RLC的串联谐振电路，所述第二可调电压器输出电压经直流电平嵌位电路向RLC谐振电路偏置电流；所述分压采样电路的输入端与EMCCD的管脚连接，分压采样电路的输出端分别与交流分量提取电路的输入端、直流分量提取电路的输入端连接，所述交流分量提取电路的输出端与幅值计算电路的输入端连接，幅值计算电路的输出端与模数转换电路的输入端连接， 所述直流分量提取电路的输出端与模数转换电路的输入端连接，所述模数转换电路的输出端与控制器的输入端连接；所述分压采样电路采集与EMCCD的管脚信号成比例关系的低压信号，所述低压信号分别经交流分量提取电路和直流分量提取电路后获得交流电平信号和直流电平信号，所述交流电平信号经幅值计算电路后传送至模数转换电路，所述模数转换电路将直流电平信号和交流电平信号的幅度电平信号数字量化后传送至控制器，所述控制器根据输入的数字信号获得当前输出信号的最高和最低电平值，进行闭环控制。
2.一种变压器实现EMCCD信号驱动的系统，其特征在于，所述的第一可调电压器和第二可调电压器主要包括DC-DC升压电源芯片和数字电位器，输出可调整的数字电压。
全文摘要
一种变压器实现EMCCD信号驱动的系统，涉及CCD的驱动技术，它解决现有的驱动方法功耗大且难以实现的问题，本系统输出信号的幅度调节通过改变第一可调电压器中数字电位器的电阻值从而改变第一可调电压器的输出电压进而改变高频变压器的初级线圈电压，实现输出信号幅度的数字控制；通过第二可调电压器接收到的数字参数值，改变第二可调电压器内数字电位器的电阻值，从而改变DC-DC升压电路中的输出电压值，并经直流电平嵌位电路向RLC谐振电路提供直流偏置，使每次更改输出信号幅度值后输出信号的高低电平仍在正常的工作范围内；本发明大大降低了电路功耗和对高速大功率器件的依赖。
文档编号H04N5/357GK102316284SQ201110262468
公开日2012年1月11日 申请日期2011年9月6日 优先权日2011年9月6日
发明者余达, 刘金国, 孔德柱, 徐东, 臧佳, 赵莹, 郭永飞 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所