一种用于emccd的数控高压倍增电路的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光学成像器件EMCCD的倍增时钟驱动技术，尤其涉及远程设置EMCCD 的倍增倍数技术，属于自动化控制领域。
【背景技术】
[0002] EMC⑶技术也被成为"片上增益"技术，是一种比较新的微弱信号探测技术，它与普 通CCD的区别是在其读出寄存器后又接续有增益寄存器，其电极结构不同于读出寄存器， 电荷经多级的增益寄存器后，信号的增益可达1000倍以上。片上增益随着温度而变化，研 宄表明，温度越低，片上的倍增增益越高，噪声越低，在实际应用中根据不同的使用条件要 求选择温度控制方案。
[0003] EMCCD技术的首次应用是在2001年，Andor Techology Ltd将EMCCD技术应用于他 们发布的iXon系列的高端超高灵敏度的相机上。EMCCD技术在之后的十几年内快速发展， 主要应用于天文观测、航天、生物观测等领域，根据不同的应用条件，选择不同的致冷条件 和倍增控制方法。2007 年，Derek Ives 的文章《Advanced Microelectronics ULTRASPEC-A low light level astronomical CCD camera for a high speed spectro-photometer application》介绍了采用EMC⑶作为成像器件制造的光谱探测望远镜，该望远镜位于智 利，工作时的致冷温度达到 _l〇〇°C。目前Andor、E2V、Princeton Instrument等公司均有 工业级使用半导体致冷器的EMCCD相机出售。在航天领域，EMCCD尚无在轨应用的先例，目 前仍在探索阶段，2008年，龚德铸、王立、卢欣在《空间技术与应用》发表的《微光探测EMCCD 在高灵敏度星敏感器中的应用初探》中，对于EMCCD在航天中应用进行了探索性的研宄。
[0004] 由于存在片上倍增技术，EMC⑶的外围驱动电路与普通的(XD相比，需要增加一路 控制倍增的高压倍增信号，倍增信号通常采用满足一定相位条件的正弦波或方波信号，正 弦波峰电压值的一致性和方波高电平的稳定性影响图像质量。图5为E2V公司的EMCCD成 像芯片(XD201倍增倍数与方波高电平的关系，在38V~48V区间内近似成指数关系。EMCXD 成像芯片的倍增电压在48V附近常温下的倍增倍数约为800倍，倍增倍数与电压波动的关 系约为4. 8/10mV，计算5ms的积分时间下对图像的影响为0. 9DN/10mV。在非倍增模式下， 12位显示的图像噪声约为6. 4DN。与电路其他的噪声相比，倍增电压的波动不能使电路噪 声显著增加。
[0005] 为了满足EMCCD相机在航天领域的应用，除了要求上述倍增稳定性之外，电路功 能上还要实现远程指令设置倍增倍数的功能，同时电路要兼具小型化和低功耗的特点，固 定倍增和模拟式的倍增调节均无法满足使用要求。
【发明内容】
[0006] 本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种用于EMCCD的数控高压 倍增电路，满足倍增稳定性，具备小型化和低功耗的特点。
[0007] 本发明的技术解决方案是：一种用于EMCXD的数控高压倍增电路，包括直流电平 转换电路、数模转换电路和推挽驱动电路；
[0008] 外部输入的十位数字控制信号的高两位和低八位分别输出给直流电平转换电路 和数模转换电路，直流电平转换电路在所述高两位数字信号的作用下，将外部输入的+56V 高压直流电平转化为高压时钟驱动信号的高电平，输出给推挽驱动电路；数模转换电路将 所述低八位数字信号转化成模拟电压，作为高压时钟驱动信号的低电平输出给推挽驱动电 路；
[0009] 推挽驱动电路对外部输入的时钟信号进行隔直，利用隔直后的时钟信号对直流电 平转换电路的输出电平进行电平转换，得到低电平为0V、高电平为直流电平转换电路输出 电平的方波信号，将得到的方波信号与数模转换电路输出的电平相叠加，得到高压时钟驱 动信号并向外输出。
[0010] 所述的直流电平转换电路包括二极管D1、二极管D2、直流电平转换芯片U1、电容 C1、电容C2、电容C3、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、场效应管Q1以及场效应管Q2 ; [0011] 直流电平转换芯片U1的输入端与外部输入的+56V高压直流电平连接，直流电平 转换芯片U1的输出端用于输出直流电平转换电路的输出电平VDD ;二极管D1的负极与直 流电平转换芯片U1的输入端连接，二极管D1的正极与直流电平转换芯片U1的输出端连 接；
[0012] 直流电平转换芯片U1的调整端同时与电阻R1的一端、电阻R2的一端、电阻R3的 一端以及二极管D2的正极连接，电阻R2的另一端与场效应管Q2的漏极连接，场效应管Q2 的源极接地，场效应管Q2的栅极与数字信号D[l]连接；电阻R1的另一端与场效应管Q1的 漏极连接，场效应管Q1的源极与场效应管Q2的源极连接，场效应管Q1的栅极与数字信号 D[0]连接；电阻R3的另一端与场效应管Q2的源极连接；二极管D2的负极与直流电平转换 芯片U1的输出端连接，二极管D2的正极分别与电容C2的一端以及电阻R4的一端连接，电 容C2的另一端与场效应管Q2的源极连接；电阻R4的另一端同时与直流电平转换芯片U1 的输出端以及电容C3的一端连接，电容C3的另一端与场效应管Q2的源极连接；电容C1连 接在直流电平转换芯片U1的输入端与场效应管Q1的源极之间；所述数字信号D[0]和D[l] 表示外部输入的十位数字控制信号的高两位。
[0013] 所述数模转换电路包括电容C4、电容C5、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻 R9、数模转换器件U2、运算放大器U3、直流电压VI ;
[0014] 数模转换器件U2的输入端与外部输入的十位数字控制信号的低八位连接，数模 转换器件U2的输出端与电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端分别与电阻R6的一端和电容 C4的一端连接，电容C4的另一端与运算放大器U3的输出端连接，电阻R6的另一端一方面 通过电容C5接地，另一方面与运算放大器U3的同相输入端连接；电阻R7的一端与运算放 大器U3的输出端连接，电阻R7的另一端一方面分别与运算放大器U3的反相输入端以及电 阻R9的一端连接，另一方面通过电阻R8接地；电阻R9另一端与直流电压VI的正端连接， 直流电压VI的负端接地，所述直流电压VI为外部输入的电压，运算放大器U3的输出端用 于输出数模转换电路的输出电平Vout。
[0015] 所述推挽驱动电路包括二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D7、电 容C6、电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、场效应管Q3、场效应管Q4、电阻R10、电阻R11、电 阻R12、电阻R13和电阻R14 ;
[0016] 直流电平转换电路的输出电平VDD与二极管D3的正极连接，二极管D3的负极与 二极管D4的负极连接，二极管D4的正极与场效应管Q3的栅极连接，场效应管Q3的源极与 二极管D3的正极连接，电容C6连接在二极管D3的正极和负极之间；场效应管Q3的漏极同 时与电容C10的一端以及场效应管Q4的漏极连接；电容C10的另一端一方面用于输出推挽 驱动电路的高压时钟驱动信号R2HV，另一方面与二极管D7的负极连接，二极管D7的正极与 数模转换电路的输出电平Vout的正极连接，数模转换电路的输出电平Vout的负极与场效 应管Q4的源极连接；场效应管Q4的栅极与二极管D6的负极连接，二极管D6的正极与二极 管D5的正极连接，二极管D5的负极与场效应管Q4的源极连接后接地；电容C7连接在二极 管D5的正极和负极之间；电阻R12连接二极管D5的正极和二极管D3的负极；
[0017] 电阻R10的一端与场效应管Q3的漏极连接，电阻R10的另一端同时与二极管D4 的正极、电容C8的一端以及场效应管Q3的栅极连接，电容C8的另一端通过电阻R11与外 部输入的时钟信号连接；电阻R14的一端与场效应管Q4的源极连接，电阻R14的另一端同 时与二极管D6的负极、电容C9的一端以及场效应管Q4的栅极连接，电容C9的另一端通过 电阻R13与外部输入的时钟信号连接。
[0018] 本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0019