一種用于emccd的數(shù)控高壓倍增電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)成像器件EMCCD的倍增時鐘驅(qū)動技術(shù)，尤其涉及遠程設(shè)置EMCCD 的倍增倍數(shù)技術(shù)，屬于自動化控制領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] EMC⑶技術(shù)也被成為"片上增益"技術(shù)，是一種比較新的微弱信號探測技術(shù)，它與普 通CCD的區(qū)別是在其讀出寄存器后又接續(xù)有增益寄存器，其電極結(jié)構(gòu)不同于讀出寄存器， 電荷經(jīng)多級的增益寄存器后，信號的增益可達1000倍以上。片上增益隨著溫度而變化，研 宄表明，溫度越低，片上的倍增增益越高，噪聲越低，在實際應(yīng)用中根據(jù)不同的使用條件要 求選擇溫度控制方案。
[0003] EMCCD技術(shù)的首次應(yīng)用是在2001年，Andor Techology Ltd將EMCCD技術(shù)應(yīng)用于他 們發(fā)布的iXon系列的高端超高靈敏度的相機上。EMCCD技術(shù)在之后的十幾年內(nèi)快速發(fā)展， 主要應(yīng)用于天文觀測、航天、生物觀測等領(lǐng)域，根據(jù)不同的應(yīng)用條件，選擇不同的致冷條件 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》介紹了采用EMC⑶作為成像器件制造的光譜探測望遠鏡，該望遠鏡位于智 利，工作時的致冷溫度達到 _l〇〇°C。目前Andor、E2V、Princeton Instrument等公司均有 工業(yè)級使用半導(dǎo)體致冷器的EMCCD相機出售。在航天領(lǐng)域，EMCCD尚無在軌應(yīng)用的先例，目 前仍在探索階段，2008年，龔德鑄、王立、盧欣在《空間技術(shù)與應(yīng)用》發(fā)表的《微光探測EMCCD 在高靈敏度星敏感器中的應(yīng)用初探》中，對于EMCCD在航天中應(yīng)用進行了探索性的研宄。
[0004] 由于存在片上倍增技術(shù)，EMC⑶的外圍驅(qū)動電路與普通的(XD相比，需要增加一路 控制倍增的高壓倍增信號，倍增信號通常采用滿足一定相位條件的正弦波或方波信號，正 弦波峰電壓值的一致性和方波高電平的穩(wěn)定性影響圖像質(zhì)量。圖5為E2V公司的EMCCD成 像芯片(XD201倍增倍數(shù)與方波高電平的關(guān)系，在38V~48V區(qū)間內(nèi)近似成指數(shù)關(guān)系。EMCXD 成像芯片的倍增電壓在48V附近常溫下的倍增倍數(shù)約為800倍，倍增倍數(shù)與電壓波動的關(guān) 系約為4. 8/10mV，計算5ms的積分時間下對圖像的影響為0. 9DN/10mV。在非倍增模式下， 12位顯示的圖像噪聲約為6. 4DN。與電路其他的噪聲相比，倍增電壓的波動不能使電路噪 聲顯著增加。
[0005] 為了滿足EMCCD相機在航天領(lǐng)域的應(yīng)用，除了要求上述倍增穩(wěn)定性之外，電路功 能上還要實現(xiàn)遠程指令設(shè)置倍增倍數(shù)的功能，同時電路要兼具小型化和低功耗的特點，固 定倍增和模擬式的倍增調(diào)節(jié)均無法滿足使用要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于EMCCD的數(shù)控高壓 倍增電路，滿足倍增穩(wěn)定性，具備小型化和低功耗的特點。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種用于EMCXD的數(shù)控高壓倍增電路，包括直流電平 轉(zhuǎn)換電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和推挽驅(qū)動電路；
[0008] 外部輸入的十位數(shù)字控制信號的高兩位和低八位分別輸出給直流電平轉(zhuǎn)換電路 和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，直流電平轉(zhuǎn)換電路在所述高兩位數(shù)字信號的作用下，將外部輸入的+56V 高壓直流電平轉(zhuǎn)化為高壓時鐘驅(qū)動信號的高電平，輸出給推挽驅(qū)動電路；數(shù)模轉(zhuǎn)換電路將 所述低八位數(shù)字信號轉(zhuǎn)化成模擬電壓，作為高壓時鐘驅(qū)動信號的低電平輸出給推挽驅(qū)動電 路；
[0009] 推挽驅(qū)動電路對外部輸入的時鐘信號進行隔直，利用隔直后的時鐘信號對直流電 平轉(zhuǎn)換電路的輸出電平進行電平轉(zhuǎn)換，得到低電平為0V、高電平為直流電平轉(zhuǎn)換電路輸出 電平的方波信號，將得到的方波信號與數(shù)模轉(zhuǎn)換電路輸出的電平相疊加，得到高壓時鐘驅(qū) 動信號并向外輸出。
[0010] 所述的直流電平轉(zhuǎn)換電路包括二極管D1、二極管D2、直流電平轉(zhuǎn)換芯片U1、電容 C1、電容C2、電容C3、電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、場效應(yīng)管Q1以及場效應(yīng)管Q2 ; [0011] 直流電平轉(zhuǎn)換芯片U1的輸入端與外部輸入的+56V高壓直流電平連接，直流電平 轉(zhuǎn)換芯片U1的輸出端用于輸出直流電平轉(zhuǎn)換電路的輸出電平VDD ;二極管D1的負極與直 流電平轉(zhuǎn)換芯片U1的輸入端連接，二極管D1的正極與直流電平轉(zhuǎn)換芯片U1的輸出端連 接；
[0012] 直流電平轉(zhuǎn)換芯片U1的調(diào)整端同時與電阻R1的一端、電阻R2的一端、電阻R3的 一端以及二極管D2的正極連接，電阻R2的另一端與場效應(yīng)管Q2的漏極連接，場效應(yīng)管Q2 的源極接地，場效應(yīng)管Q2的柵極與數(shù)字信號D[l]連接；電阻R1的另一端與場效應(yīng)管Q1的 漏極連接，場效應(yīng)管Q1的源極與場效應(yīng)管Q2的源極連接，場效應(yīng)管Q1的柵極與數(shù)字信號 D[0]連接；電阻R3的另一端與場效應(yīng)管Q2的源極連接；二極管D2的負極與直流電平轉(zhuǎn)換 芯片U1的輸出端連接，二極管D2的正極分別與電容C2的一端以及電阻R4的一端連接，電 容C2的另一端與場效應(yīng)管Q2的源極連接；電阻R4的另一端同時與直流電平轉(zhuǎn)換芯片U1 的輸出端以及電容C3的一端連接，電容C3的另一端與場效應(yīng)管Q2的源極連接；電容C1連 接在直流電平轉(zhuǎn)換芯片U1的輸入端與場效應(yīng)管Q1的源極之間；所述數(shù)字信號D[0]和D[l] 表示外部輸入的十位數(shù)字控制信號的高兩位。
[0013] 所述數(shù)模轉(zhuǎn)換電路包括電容C4、電容C5、電阻R5、電阻R6、電阻R7、電阻R8、電阻 R9、數(shù)模轉(zhuǎn)換器件U2、運算放大器U3、直流電壓VI ;
[0014] 數(shù)模轉(zhuǎn)換器件U2的輸入端與外部輸入的十位數(shù)字控制信號的低八位連接，數(shù)模 轉(zhuǎn)換器件U2的輸出端與電阻R5的一端連接，電阻R5的另一端分別與電阻R6的一端和電容 C4的一端連接，電容C4的另一端與運算放大器U3的輸出端連接，電阻R6的另一端一方面 通過電容C5接地，另一方面與運算放大器U3的同相輸入端連接；電阻R7的一端與運算放 大器U3的輸出端連接，電阻R7的另一端一方面分別與運算放大器U3的反相輸入端以及電 阻R9的一端連接，另一方面通過電阻R8接地；電阻R9另一端與直流電壓VI的正端連接， 直流電壓VI的負端接地，所述直流電壓VI為外部輸入的電壓，運算放大器U3的輸出端用 于輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的輸出電平Vout。
[0015] 所述推挽驅(qū)動電路包括二極管D3、二極管D4、二極管D5、二極管D6、二極管D7、電 容C6、電容C7、電容C8、電容C9、電容C10、場效應(yīng)管Q3、場效應(yīng)管Q4、電阻R10、電阻R11、電 阻R12、電阻R13和電阻R14 ;
[0016] 直流電平轉(zhuǎn)換電路的輸出電平VDD與二極管D3的正極連接，二極管D3的負極與 二極管D4的負極連接，二極管D4的正極與場效應(yīng)管Q3的柵極連接，場效應(yīng)管Q3的源極與 二極管D3的正極連接，電容C6連接在二極管D3的正極和負極之間；場效應(yīng)管Q3的漏極同 時與電容C10的一端以及場效應(yīng)管Q4的漏極連接；電容C10的另一端一方面用于輸出推挽 驅(qū)動電路的高壓時鐘驅(qū)動信號R2HV，另一方面與二極管D7的負極連接，二極管D7的正極與 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的輸出電平Vout的正極連接，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的輸出電平Vout的負極與場效 應(yīng)管Q4的源極連接；場效應(yīng)管Q4的柵極與二極管D6的負極連接，二極管D6的正極與二極 管D5的正極連接，二極管D5的負極與場效應(yīng)管Q4的源極連接后接地；電容C7連接在二極 管D5的正極和負極之間；電阻R12連接二極管D5的正極和二極管D3的負極；
[0017] 電阻R10的一端與場效應(yīng)管Q3的漏極連接，電阻R10的另一端同時與二極管D4 的正極、電容C8的一端以及場效應(yīng)管Q3的柵極連接，電容C8的另一端通過電阻R11與外 部輸入的時鐘信號連接；電阻R14的一端與場效應(yīng)管Q4的源極連接，電阻R14的另一端同 時與二極管D6的負極、電容C9的一端以及場效應(yīng)管Q4的柵極連接，電容C9的另一端通過 電阻R13與外部輸入的時鐘信號連接。
[0018] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：
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