[發明專利]一種用于EMCCD的數控高壓倍增電路

有效

• 申請號: 201510065348.3
• 申請日: 2015-02-06
• 公開（公告）號: CN104735370B
• 公開（公告）日: 2017-09-29
• 發明（設計）人: 孫大開;梁瀟;盧純青
• 申請（專利權）人: 北京控制工程研究所
• 主分類號: H04N5/372
• 分類號: H04N5/372;H04N5/357
• 代理公司: 中國航天科技專利中心11009
• 代理人: 臧春喜

技術領域

本發明涉及光學成像器件EMCCD的倍增時鐘驅動技術，尤其涉及遠程設置EMCCD的倍增倍數技術，屬于自動化控制領域。

背景技術

EMCCD技術也被成為“片上增益”技術，是一種比較新的微弱信號探測技術，它與普通CCD的區別是在其讀出寄存器后又接續有增益寄存器，其電極結構不同于讀出寄存器，電荷經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，研究表明，溫度越低，片上的倍增增益越高，噪聲越低，在實際應用中根據不同的使用條件要求選擇溫度控制方案。

EMCCD技術的首次應用是在2001年，Andor Techology Ltd將EMCCD技術應用于他們發布的iXon系列的高端超高靈敏度的相機上。EMCCD技術在之后的十幾年內快速發展，主要應用于天文觀測、航天、生物觀測等領域，根據不同的應用條件，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EMCCD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-100℃。目前Andor、E2V、Princeton Instrument等公司均有工業級使用半導體致冷器的EMCCD相機出售。在航天領域，EMCCD尚無在軌應用的先例，目前仍在探索階段，2008年，龔德鑄、王立、盧欣在《空間技術與應用》發表的《微光探測EMCCD在高靈敏度星敏感器中的應用初探》中，對于EMCCD在航天中應用進行了探索性的研究。

由于存在片上倍增技術，EMCCD的外圍驅動電路與普通的CCD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定性影響圖像質量。圖5為E2V公司的EMCCD成像芯片CCD201倍增倍數與方波高電平的關系，在38V～48V區間內近似成指數關系。EMCCD成像芯片的倍增電壓在48V附近常溫下的倍增倍數約為800倍，倍增倍數與電壓波動的關系約為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。

為了滿足EMCCD相機在航天領域的應用，除了要求上述倍增穩定性之外，電路功能上還要實現遠程指令設置倍增倍數的功能，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節均無法滿足使用要求。

發明內容

本發明的技術解決問題：克服現有技術的不足，提供一種用于EMCCD的數控高壓倍增電路，滿足倍增穩定性，具備小型化和低功耗的特點。

本發明的技術解決方案是：一種用于EMCCD的數控高壓倍增電路，包括直流電平轉換電路、數模轉換電路和推挽驅動電路；

外部輸入的十位數字控制信號的高兩位和低八位分別輸出給直流電平轉換電路和數模轉換電路，直流電平轉換電路在所述高兩位數字信號的作用下，將外部輸入的+56V高壓直流電平轉化為高壓時鐘驅動信號的高電平，輸出給推挽驅動電路；數模轉換電路將所述低八位數字信號轉化成模擬電壓，作為高壓時鐘驅動信號的低電平輸出給推挽驅動電路；

推挽驅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換電路的輸出電平進行電平轉換，得到低電平為0V、高電平為直流電平轉換電路輸出電平的方波信號，將得到的方波信號與數模轉換電路輸出的電平相疊加，得到高壓時鐘驅動信號并向外輸出。

所述的直流電平轉換電路包括二極管D1、二極管D2、直流電平轉換芯片U1、電容C1、電容C2、電容C3、電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、場效應管Q1以及場效應管Q2；

直流電平轉換芯片U1的輸入端與外部輸入的+56V高壓直流電平連接，直流電平轉換芯片U1的輸出端用于輸出直流電平轉換電路的輸出電平VDD；二極管D1的負極與直流電平轉換芯片U1的輸入端連接，二極管D1的正極與直流電平轉換芯片U1的輸出端連接；