EMCCD电荷倍增驱动电路分析与PCB设计*

金建辉，李彬华，陈小明

(昆明理工大学信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500)

电子倍增CCD是一种具有高速读出功能的微光成像器件，能对微弱光电子信号在CCD芯片内部进行放大，它使用的像素读出频率可以高达30 MHz。现在使用电子倍增技术的CCD主要有e2v公司生产的L3Vision和TI公司生产的IMPACTRON系列器件。在EMCCD增益寄存器中，高压电场强度足以使电子在转移过程中产生“撞击离子化”效应，产生新的电子，即所谓的电子倍增(每次转移的倍增倍率非常小，最多大约只有×1.01～×1.015倍);但是此过程若是重复多次(如陆续经过几百或上千个增益寄存器的转移)，信号就会实现可观的增益，可达1000倍以上。增益寄存器利用载流子的碰撞电离效应实现了电荷载流子接近零噪声的电荷级放大倍增，从而能有效提高传感器的探测灵敏度［1－6］。

虽然e2v和TI公司在推出自己的EMCCD时都给出了电荷倍增高压驱动电路参考电路图，但实现30 MHz～40 MHz频率电荷倍增高压驱动电路PCB设计仍有一定难度:器件选型和布局布线稍有不慎，就难以获得期望的结果。作者参与的一个项目采用TI公司生产的TX285SPD CCD芯片及其推荐的电荷倍增高压驱动电路，能做到35 MHz，高低电平分别为－4 V和22 V指标，项目要求实现30 MHz，高低电平分别为－4 V和20 V指标。由于目前公开文献中还没有介绍电荷倍增高压驱动电路PCB设计和测试方面的内容，本文介绍对TI公司参考电路的分析、PCB设计方案及测试结果。

1 TI公司的电荷倍增高压驱动电路及分析

1.1 电荷倍增高压驱动电路原理图

TI公司在EMCCD器件数据手册［6］中提供的电荷倍增高压驱动电路原理如图1。电路工作频率可达35 MHz，高低电平分别为－4 V和22 V左右。

1.2 电路工作原理分析

驱动芯片74AC244，MOS管TP2104和TN2106，高速开关二极管1SS226和1SS193是主要器件。74AC244是带使能控制的缓冲/线驱动器，实现将现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)产生的时钟控制信号电平从3.3到5.5 V的转换并增加信号的驱动能力，其输出分成两路送给由高速开关二极管1SS226、1SS193和一个1 uF电容以微分信号控制的由TP2104和TN2106两个金属－氧化物－半导体场效应晶体管(Metal Oxid Semiconductor，MOS)构成的互补开关电路，实现输入5 V输出－4 V和输入0 V输出22 V的工作要求。74AC244的两个输出端通过10Ω电阻连接，以增加驱动效果。10Ω电阻可以限制由于两个输出端直接连接在一起可能产生的拉灌电流，以保护74AC244的输出级。

图1 TI公司推荐的TX285SPD芯片电荷倍增高压驱动电路原理图Fig.1 Circuit diagram of the driving circuit recommended by the TI for electron multiplication of the TX285SPD

当74AC244输入高电平时，输出亦为高电平;此时，TP2104栅极电位为22 V，UGS=0 V，关断;TN2106栅极电位为2 V，UGS=6 V，开通;驱动器输出－4 V。当74AC244输入低电平时，输出亦为低电平;此时，TP2104栅极电位为16 V，UGS=－6 V，开通;TN2106栅极电位为－4 V，UGS=0 V，关断;驱动器输出22 V。

1.3 电路PSpice仿真分析

为了对参考电路有更清晰的认识，有必要对推荐电路进行PSpice仿真分析。仿真电路如图2。

图2 TI公司推荐电荷倍增高压驱动电路的仿真原理图Fig.2 Simulated circuit diagram of the driving circuit recommended by the TI for electron multiplication of the EMCCD

仿真发现，在频率30 MHz、高低电平分别为－4 V和20 V时，按TI公司推荐的EMCCD电荷倍增高压驱动电路PSpice仿真不成功。在改进部分参数后，即将2200 pF电容改成22000 pF电容，1 uF电容改成0.1 nF仿真成功，74AC244芯片电源改成6 V效果更好。从电路原理上讲，可以认为所有门是同时导通的(当然实际器件可能会有微小的差异)，所以理论上也可以去掉10Ω电阻，进一步增强74AC244驱动输出。输入输出波形如图3。仿真结果表明该电路可以实现频率30 MHz，高低电平分别为－4 V和20 V的工作指标要求。

图3 电荷倍增高压驱动电路输入输出仿真波形Fig.3 Simulated waveforms of the driving circuit recommended by the TI for electron multiplication of the EMCCD

2 TX285SPD推荐电荷倍增高压驱动电路不同PCB设计的对比

2.1 两层PCB设计与测试

2.1.1 电路PCB布局布线设计

采用两层PCB设计，结构简单，价格便宜，PCB设计相对容易，电路未对电源电路进行电源完整性加强处理。电路PCB设计的布局布线如图4。

图4 两层PCB元件布局布线图Fig.4 Wiring diagram for the two layers of PCB

2.1.2 电路实测波形

输入30 MHz频率测试信号，实测输出高低电平分别为－4 V和13 V左右，波形有较大畸变，不能满足频率30 MHz、高低电平分别为－4 V和20 V的要求。实测输出波形如图5。

2.1.3 电路PCB设计存在问题分析

两层PCB设计主要存在以下问题。(1)电源完整性措施不够。电源虽采用线性电源，在芯片端使用了电源退耦电容，但未采用磁珠隔离。(2)PCB层数不够，线路过长。采用两层板PCB结构，电磁兼容性(Electro Magnetic Compatibility，EMC)和电磁干扰(Electromagnetic Interference，EMI)不佳，元件布局不佳，元件布线未最短路径走线，电路布局的物理对称性不好，信号完整性受到影响。(3)主要元件没有采用贴片元件，引入分布参数较大，线路阻抗匹配不好，信号完整性不好［7－9］。

2.2 四层PCB设计与测试

2.2.1 四层PCB设计

图5 两层PCB输入输出实测波形Fig.5 Input and output waveforms for the two layers of PCB

针对两层PCB设计存在的问题，主要在以下几个方面作出改进。(1)增加PCB板的设计层数。PCB电路设计采用4层板结构，即TOP-GND-VCC-BOTTOM结构。(2)采用电源完整性设计，对5.5 V、－4 V和20 V各个电源进行加固，20 V电源加固如图6，其它电源相同。采用磁珠(FB4、FB5和FB6)隔离和电源退耦电容相结合的设计方法;电源层还做了电源分割，改善了EMC和EMI性能，如图7。(3)元件大部分采用贴片元件，优化器件布局。大部分元件采用贴片元件，从信号完整性出发，优化了元件布局布线，采用铺铜布线，布线尽可能短尽可能宽，多点接地，改善了EMC和EMI性能，物理结构上尽量对称。

图6 20 V可调电源原理图Fig.6 Circuit diagram of 20V adjustable power source

2.2.2 插入式MOS驱动管四层PCB设计与测试

(1)电路PCB布局布线设计。PCB元件布局布线如图8，TP2104和TN2106两个MOS管构成的互补开关电路采用插入式封装。

(2)电路实测波形

当施加30 MHz频率测试信号时，实测输入(上)、输出(下)波形如图9，低电压－4 V，高电压23 V，满足频率30 MHz，高低电平分别为－4 V和20 V的要求。

当施加40 MHz频率测试信号时，实测输入(上)、输出(下)波形如图10，低电压－4 V，高电压23 V，满足频率30 MHz，高低电平分别为－4 V和20 V的要求。

图7 四层PCB电源分割图Fig.7 Segmentation of power supply for the four layers of PCB

图8 PCB元件布局布线图Fig.8 Wiring diagram for the PCB

图9 30 MHz信号PCB输入输出实测波形Fig.9 Input and output 30MHz waveforms for the PCB

图10 40 MHz信号PCB输入输出实测波形Fig.10 Input and output 40MHz waveforms for the PCB

2.2.3 贴片式MOS驱动管四层PCB设计与测试

(1)电路PCB布局布线设计。PCB元件布局布线如图11，TP2104和TN2106两个MOS管构成的互补开关电路采用贴片式封装。

图11 PCB元件布局布线图Fig.11 Wiring diagram for the PCB

(2)电路实测波形

当施加30 MHz频率测试信号时，实测输入(上)、输出(下)波形如图12，低电压－4 V，高电压23 V，满足频率30 MHz，高低电平分别为－4 V和20 V的要求。

当施加40 MHz频率测试信号时，实测输入(上)、输出(下)波形如图13，低电压－4 V，高电压23 V，满足频率30 MHz，高低电平分别为－4 V和20 V的要求。

图12 30 MHz信号PCB输入输出实测波形Fig.12 Input and output 30MHz waveforms for the PCB

图13 40 MHz信号PCB输入输出实测波形Fig.13 Input and output 40MHz waveforms for the PCB

3 结论

通过比较电路PCB设计和测试，得出以下结论:电荷倍增高压驱动电路四层PCB设计完全达到TI公司对TX285SPD芯片电荷倍增高压驱动电路频率30 MHz，高低电平分别为－4 V和22 V的指标要求，而且频率和高电平还有余量。在测试中发现电源的完整性设计对电路正常工作影响明显;MOS驱动管采用直插式和贴片式对电路的工作有影响，贴片式驱动管的波形更好，说明该电路的信号完整性设计很重要;高频输入测试信号(30 MHz和40 MHz)畸变明显，说明电路PCB线路的阻抗匹配不够好，如果线路的阻抗匹配好，输出波形应该还会更好。

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