一种星载相机EMCCD高压驱动电路设计

卜洪波 陈瑞明 张玉贵 何志宽

（北京空间机电研究所，北京 100076）

1 引言

21世纪初出现的电子倍增CCD（EMCCD），采用了全固态片上增益技术，与传统用于低照度探测的像增强型CCD（ICCD）相比，体积大大减小，并且具有高量子效率、大动态范围和低噪声等特点［1-2］，因而为微光成像遥感器进行黄昏和夜间探测提供了新的技术实现途径。EMCCD 技术率先得到了欧美国家的重视。美国国家航空航天局（NASA）在2010年11月发射的“快速经济可负担科学与技术卫星”（FASTSat），采用EMCCD 作为遥感器载荷的成像器件，对地球大气热层进行观测［3］。英国Andor公司研制的基于EMCCD 的iXonEM＋相机，甚至能达到单光子的探测灵敏度［4］。可以说，EMCCD是目前信噪比最高的CCD 器件。

EMCCD 和普通CCD 在驱动方式上的最大不同是，前者需要一相高压倍增驱动信号（以下用ØHV 指代）。该信号作用于EMCCD 特有的数百级电子倍增寄存器，光电转换后的信号电子在ØHV 信号作用下会发生“撞击离子化”效应，产生新的电子，相当于增强了原本可能微弱的景物光信号［5］。因此，以EMCCD 为探测器研制星载微光成像相机，必须设计高压驱动电路，产生符合要求的ØHV 信号。本文介绍了一种星上EMCCD 高压驱动电路的设计，并进行了试验验证。此设计方案具有遥控遥测自动化和高精度等特点，可为EMCCD卫星相机的研制提供参考。

2 EMCCD 高压驱动电路设计分析

目前，全球EMCCD 器件制造技术主要由TI与e2v 两家公司掌握，本文研究的EMCCD 来自e2v公司，参数特性可代表主流器件。

2．1 EMCCD增益分析

EMCCD 总电子增益倍数G为

式中：N为电子倍增寄存器级数，本文采用EMCCD的N值为604；p为每级中每个电子激发新电子的概率，与器件工作温度反相关，与ØHV 信号峰值电压正相关。

在器件温度为-50 ℃、ØHV 信号峰值电压为＋45V 的条件下，G高达60dB。

2．2 电路设计要求

（1）根据器件手册，ØHV 信号波形可为正弦波或方波。考虑到方波信号容易引入过冲与噪声，把波形定为正弦波。

（2）空间相机对地观测时，必须随观测点辐照度的变化相应改变EMCCD的增益。根据式（1）分析，ØHV 信号高电平与EMCCD 的电子增益倍数正相关，为此，EMCCD 高压驱动电路应具备ØHV信号的在线调幅功能。ØHV 信号电压摆幅默认值定为＋4～＋40V，其中低电平恒为＋4V，高电平目标调整范围为＋35～＋45V，调幅精度不低于0．05V。

（3）ØHV 信号的频率与EMCCD 输出信号频率相等，默认值为10 MHz。在调试阶段，电路能够接收指令信号进行ØHV 信号的相位调整，调整步长不高于π／8。

（4）电路体积、质量、可靠性、功耗和信号防干扰控制，必须遵循相关星上设备设计标准。

2．3 设计方法研究

常规CCD驱动电路的原理组成如图1所示，它一般通过专用驱动芯片把FPGA 产生的单端时序信号转换为目标驱动信号。但是，星载相机EMCCD高压驱动电路不宜采用这种方法设计，主要原因如下：一是这种电路不能产生正弦波；二是FPGA输出信号通常是低压TTL（LVTTL）电平，高电平为3．3V，低电平为0V，与之对应的驱动信号幅值固定不可调；三是专用驱动芯片能提供的信号最高电压普遍低于＋15V。

图1 常规CCD 驱动电路的结构框图Fig．1 Block diagram of traditional CCD driver circuit

目前，工业领域的波形发生器普遍利用直接数字频率合成技术实现。此技术基于时域抽样定理，对信号波形进行采样，再把采样值量化后存入存储器；后续通过读取存储器内数据，再经DA 转换器即可复现原波形［6-7］。

使用FPGA 引入直接数字频率合成技术，可产生幅值可调的正弦波，然后设计大幅值运放电路，代替专用驱动芯片，理论上可生成满足要求的ØHV信号，这种EMCCD 高压驱动电路设计可由图2表示。下文针对各组成单元进行研究与分析。

图2 EMCCD 高压驱动电路的结构框图Fig．2 Block diagram of EMCCD high-voltage driver circuit

3 电路详细设计方案

3．1 基于FPGA的码数发生模块

高压驱动码数发生模块使用FPGA 并基于VHDL语言设计。模块的时钟信号由管理电路提供，ØHV 信号的频率随其而变。为避免出现时钟抖动问题，电路加入了锁相环与晶振模块进行反馈控制。

3．1．1 编码过程

依据直接数字频率合成技术的原理，信号的相位调整步长等于相位编码步长。在获取低相位步长的同时，必须兼顾器件工作频率余度，采样率设定为160 MHz，即正弦信号相位每隔π／8进行一次幅值量化编码。如图3所示，通过软件在FPGA 中设置深度为16的RAM，存储幅值编码。在默认的工作状态下，以160 MHz采样率按RAM 地址顺序周期读取寄存器，即可产生等效于10 MHz频率的离散正弦波信号。寄存器还设定可受卫星指令信号遥控的指针，通过更改指针起始位置实现正弦信号的相位调整。

图3 码数发生模块原理示意图Fig．3 Codes generator functional block diagram

3．1．2 调幅功能研究

正弦波使用无符号二进制数组进行编码，编码位宽βCODE与调幅步长Δλ的关系如下。

式中：Vmax和Vmin分别为目标信号高电平和低电平值。

根据电路设计要求，ØHV 信号最大电压摆幅为＋4～＋45V，Δλ不高于0．05 V，由式（2）得，βCODE至少为10bit。

电路利用FPGA 内部的硬核资源，设计可受卫星指令信号控制的编码更改子程序，卫星管理系统只需提供调幅系数，便可立即改变ØHV 信号的电压幅值。正弦编码和调幅系数的位宽大小，最终分别设定为14bit和13bit，令DCODE和DCA分别代表二者转为十进制后的数值，则有关系

式中：i＝0，1，2，…，15。

3．1．3 时序仿真

对码数发生模块进行工作时序仿真，如图4所示。频率为160 MHz 的正弦编码，在模拟段式（Analog Step）观测模式下可展现出10 MHz离散正弦波的形态，与EMCCD 其他驱动时序的相位关系也满足要求。图4中第5行的二进制数组是外部控制系统输入的指令信号，当指令信号被判断属于调幅信号时，正弦信号的幅值自动发生改变。

图4 码数发生模块的时序仿真Fig．4 Timing simulation of codes generator

3．2 DA 转换模块

码数发生模块产生的14bit正弦编码，由FPGA的14个I／O 并行高速输出。受卫星相机构型的限制，FPGA 与EMCCD所在的焦平面电路需安装在不同的位置，两者通过接插件及板间柔性电路相连。为确保信号完整性和降低噪声，电路采用低压差分信号（LVDS）总线传输编码数据［8］。

选用14bit差分输入端口的DA 转换器件，把正弦数字码数转换为一路差分模拟信号；设计差分比例运算电路，把差分模拟信号转为单端形式。调整电路参数，最终输出的正弦波信号VSIN表示为式（4）。正弦波电压与其编码，理论上为线性关系。

3．3 大幅值运放电路

3．3．1 驱动器的性能要求

与普通CCD 驱动信号不同，大幅值信号输出除了对驱动器的增益和工作频率要求较高外，更看重器件压摆率特性的好坏［9］。压摆率表示驱动器对信号变化快慢的适应能力，可量化为

式中：Vo为信号输出电压。

EMCCD 所需的驱动器压摆率为

式中：ØHV 信号频率f为10MHz；AØHV为信号电压峰峰值的1／2，等于20．5V。

由式（6）计算可得，ηØHV为1 288V／μs。

为满足星上可靠性要求，驱动器压摆率需留有50%的余量。接近2 000V／μs的压摆率，是一般驱动芯片难以达到的。当驱动器的压摆率低于要求值时，输出的信号就可能出现失真，幅值也会低于预期值。此外，额定功率、全功率带宽和输出电流等参数，也是进行驱动芯片选择的重要参考。通过调研和测试，采用一款高压集成运放作为EMCCD 的驱动器件。其主要规格参数列于表1。

表1 高压集成运放参数特性Table 1 Features of high-voltage integrated operational amplifier

3．3．2 运放外围电路

电路中需要放大的正弦波模拟信号是基于数模混合电路产生的，波形需要羽化，并且信号容易夹杂高频噪声。运放电路电压增益较高，原本微弱的噪声通过放大器后会变得非常明显，间接影响相机微光成像的图像质量。在高压运放电路前级联接了巴特沃斯型滤波校正电路，如图5所示，第一级为校正环节，第二级为高压运放电路。

图5 带校正的大幅值运放电路原理图Fig．5 Schematic of large amplitude operational amplifier circuit with correction

DA 转换后的正弦波信号电压VSIN峰峰值，最高为3．84V。传输线进行了阻抗匹配，进入后续电路的电压输入VIN1为VSIN的1／2。要达到ØHV 信号的电压幅值要求，运放电路对10 MHz信号的增益倍数应至少为21．36。同时，为防止正弦波编码因单粒子反转现象到达最大值而引起电压过大，运放电路的放大倍数设定不宜过高。选取参数，使校正电路截止频率为62．5 MHz，使大幅值运放电路的通带增益倍数HAMP为23．7。通过电路频率特性分析可知，其相角裕度高于100°，稳定性较好。

3．3．3 驱动箝位电路

运放输出的高压正弦波信号电压可以表示为式（7），其均值为0V，可达到高于41V的电压峰峰值。

需设计箝位电路，在不影响运放输出的正弦波信号波形的前提下，把该信号的电压抬高到＋4V以上。箝位电路的构建主要基于电容的记忆特性，采用二极管串联箝高的方式［10］。当驱动信号上电初始相位为0、频率为默认值10 MHz时，结合式（3），可得最终输出的ØHV 信号电压表达式为

式中：t为系统上电后的时间。

为实现ØHV 信号电压峰值＋35～＋45V可调，调幅系数DCA的取值范围为5 580～7 380，理论调幅精度为0．005 6V。

4 试验结果与分析

4．1 电路样机的实现

按上述方案研制了EMCCD高压驱动电路实物样机，如图6所示。样机主板面积为22cm×11．6cm，焦面板面积为8．5cm×10cm，质量为1．1kg（不含固定栓）。

图6 EMCCD 高压驱动电路实物样机Fig．6 Prototype of EMCCD high-voltage driver circuit

（1）可靠性控制方面，电路设计所用器件均选用了宇航级产品，并按照相关标准进行降额使用。FPGA 内部资源及IO 口所带负载留有足够余量，以确保FPGA 工作的稳定性和方便算法改进。

（2）电源供电方面，样机的配电必须遵循“信号流向”原则。上电顺序依次为EMCCD 衬底电、EMCCD偏置电、DA 转换器电源、高压运放电源、FPGA 电源，断电顺序与上电顺序互逆。

（3）针对大幅值运放电路印刷电路板（PCB）的布局布线，进行了电源完整性仿真，并采取了防护与隔离措施。

4．2 高压驱动信号的验证

对EMCCD 高压驱动电路样机进行上电与调试，试验中ØHV 信号电压最大摆幅时的示波器截图见图7。信号实测电压为＋3．9～＋45V，波形良好，无明显噪声。对比晶振输出的80 MHz时钟可知，ØHV 信号的相位和频率稳定。试验中，电路样机接收调相指令后，能够进行π／8 的相位步长调整。

图7 ØHV 信号实测波形Fig．7 Waveform capture ofØHV signal

在线调幅功能测试中，ØHV 信号峰值电压随调幅指令改变的情况如表2所示。调幅系数DCA的实际取值与式（8）计算的理论值不一致。导致误差的原因主要有：器件参数存在固有误差；DA 转换器的数模转换过程不是理想的线性关系；信号在电路传输及滤波放大过程中会有损耗；示波器表笔具有一定容抗。

根据电路设计原理，调幅系数实际值与理论值的偏差属于可预知误差，不会影响信号调幅精度。ØHV 信号峰值电压＋35～＋45V 对应的全部调幅系数，可通过试验统计表获取，调幅步长优于0．01V。

表2 ØHV信号电压受调幅指令改变情况Table 2 Effects of amplitude adjustment telecommand onØHV signal voltage

5 结束语

EMCCD 是一种新型的微光探测器件，用于卫星相机时可使相机在夜间成像。根据EMCCD 工作所需的ØHV 信号要求，设计了一种高压驱动电路，并实现了工程样机的制造。电路具有如下特点：

（1）应用直接数字频率合成技术，采用FPGA可生成正弦数字信号，方便对信号进行相位和幅值调整；

（2）采用一款集成运放代替传统的驱动芯片，能够生成高频高压的驱动信号；

（3）电路可靠性、稳定性和信号抗干扰控制，可满足卫星应用需求。

本设计是基于EMCCD 的卫星相机研制过程中的一次有益尝试，可为该器件在航天遥感领域中的推广起到一定的促进作用。对于该设计方案，下一步的改进方向为调幅功能的自适应化控制，使相机根据观测点辐照度的变化自动改变EMCCD的增益。

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