一種高壓方波驅動信號發生裝置制造方法
【專利摘要】本發明一種高壓方波驅動信號發生裝置，該裝置包括通用計算機、單片機、現場可編程邏輯門陣列、驅動器、高壓可調電源、上、下鉗位電路、P型、N型DMOS管、第一限流電阻、第二限流電阻、第三限流電阻，底部電源，驅動器將現場可編程邏輯門陣列輸出的方波驅動信號源進行幅度、驅動能力放大，并通過上、下鉗位電路將放大后信號的頂部和信號的底部分別鉗位到高壓可控電源和底部電源后去控制一對超高速DMOS對管開啟和關斷，從而產生頻率在0-20MHz內控制的高壓方波信號。本發明使電子倍增型CCD60的幀頻達到1000Hz以上，相比同類相機頻率提高1倍，用于驅動電子倍增電荷耦合器件高頻、高壓電子增益寄存器產生電子增益。
【專利說明】一種高壓方波驅動信號發生裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬于微光成像【技術領域】，涉及一種高壓方波驅動信號發生裝置，主要用于驅動電荷耦合器件特有的電子增益寄存器產生電子增益。
【背景技術】
[0002]電子倍增電荷I禹合器件(Electron Multiplying Charge Couple Device,EMCCD)是近十年來在CCD圖像傳感器領域的一項新技術，其在硅片上單獨集成了數百級電子倍增寄存器，利用相鄰兩個柵極所形成的高壓電場可在電子域將信號電子放大1000倍以上，獲得非常高的靈敏度，特別適合于微光成像。相比于傳統帶像增強器的CCD，其結構和體積大大簡化，在某些重量和體積敏感的應用場合具有較大優勢。但電子倍增電荷耦合器件需要一種特有的低電壓為4.0V、高電壓在20V-49V范圍內可調的正弦波或方波驅動信號來產生電子增益，該要求在電路具體實現時非常困難。對于某些電子倍增電荷耦合器件來說，其像素時鐘頻率達到了 18MHz以上，這進一步增加了實現電子倍增電荷耦合器件高壓增益驅動的難度。
[0003]電子倍增電荷耦合器件的高壓增益驅動信號可以是正弦波或者方波，正弦波對CCD產生的功耗小，干擾小，可獲得更小的CCD噪聲，但對時序關系及電路帶寬要求更為苛刻；方波功耗稍大，干擾更強，但對時序關系要求較為寬松，并且實現方法較正弦波容易。因此，目前市面上的EMCCD相機絕大部分是采用高壓方波的方法來實現對電子增益的控制。
[0004]電子倍增電荷耦合器件的外圍驅動電路是國內外微光成像領域的研究熱點，特別是用于驅動電子倍增電荷耦合器件產生電子增益的高壓正弦波或方波的產生方法。他們主要針對E2V公司的(XD97，(XD201等像素時鐘約為IOMHz的電子倍增電荷耦合器件研究低頻驅動裝置，而對于CCD60等像素時鐘頻率可達到18MHz的高壓增益驅動電路涉足極少。他們采用的方法主要是通過一對互補的高速DMOS對管交替開關產生高壓方波信號，但受限于高速DMOS對管的開關頻率以及功耗急劇加大導致DMOS對管瞬時失效的問題而無法達到20MHz以上的驅動頻率。
【發明內容】
[0005](一 )要解決的技術問題
[0006]針對電子倍增電荷耦合器件現有高壓方波驅動裝置無法達到20MHz驅動頻率而導致60型號電荷耦合器件無法達到理論幀頻1000幀/秒的問題，發明了一種信號驅動頻率可達到20MHz、信號幅度達到45V的電子倍增電荷耦合器件高壓方波驅動信號發生裝置。
[0007]( 二 )技術方案
[0008]本發明提供的一種高壓方波驅動信號發生裝置，主要包括通用計算機、單片機、現場可編程邏輯門陣列、驅動器、高壓可調電源、上鉗位電路、下鉗位電路、P型DMOS管、N型DMOS管、第一限流電阻、第二限流電阻、第三限流電阻，底部電源，其中:單片機連接PC機，接收并對PC機發送的命令字和信號參數進行譯碼，通過地址總線和數據總線輸出譯碼后的命令字和電壓幅度調整參數數據；現場可編程邏輯門陣列連接單片機，接收單片機發送的譯碼后的命令字，控制現場可編程邏輯門陣列生成并輸出頻率、相位、占空比可調的方波驅動信號；驅動器連接現場可編程邏輯門陣列，接收并放大方波驅動信號的幅度，對方波驅動信號進行擴流，用于增強方波驅動信號的驅動能力；第一限流電阻輸入端連接驅動器輸出端，對輸入的方波驅動信號進行波形調整和限流，并輸出波形調整和限流的方波驅動信號；高壓可調電源輸入端連接單片機輸出端，接收單片機發送的電壓幅度調整參數數據，用于調整輸出電壓幅度；高壓可調電源輸出端連接上鉗位電路、P型DMOS管的源極，用于為上鉗位電路、P型DMOS管提供可調幅度電壓；底部電源與下鉗位電路、N型DMOS管的源極連接，用于為下鉗位電路、N型DMOS管提供工作電壓；上鉗位電路、下鉗位電路的輸入端分別連接第一限流電阻的輸出端，接收經過波形調整和限流的方波驅動信號，用于驅動上鉗位電路和下鉗位電路；上鉗位電路將輸入的方波驅動信號的頂部鉗位到高壓可調電源輸出的可調幅度電壓上，下鉗位電路將輸入的方波驅動信號的底部鉗位到底部電源上，生成并輸出兩路直流分量不同、交流分量相同的方波驅動信號；P型DMOS管連接上鉗位電路，接收頂部被鉗位到高壓可調電源輸出電壓上的方波驅動信號，控制P型DMOS管不斷開啟和關斷生成并輸出高壓方波信號的高電平部分#型01?3管連接下鉗位電路，接收底部被鉗位到底部電源輸出電壓上的方波驅動信號，控制N型DMOS管不斷開啟和關斷生成并輸出高壓方波信號的低電平部分；第二限流電阻連接P型DMOS管的漏極，接收P型DMOS管輸出的高壓方波信號的高電平部分，對P型DMOS管生成的高壓方波信號的高電平部分進行整形和限流；第三限流電阻連接N型DMOS管的漏極，接收N型DMOS管輸出的高壓方波信號的低電平部分，對N型DMOS管生成的高壓方波信號的低電平部分進行整形和限流。
[0009](三)有益效果
[0010]本發明將電子倍增電荷耦合器件高壓方波驅動信號頻率從原來的IOMHz提高到20MHz以上，相比原有裝置驅動頻率提高了 100%，可將60型號的電荷耦合器件的拍攝幀頻從500幀/秒提高到最高理論幀頻1000幀/秒，相比國外同類相機提升了 I倍，可滿足目前E2V公司所有電子倍增電荷耦合器件產品對高壓增益信號的驅動要求，具有非常好的通用性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1是本發明高壓方波驅動信號發生裝置結構示意圖；
[0012]圖2是本發明中實施例20V?49V可調電源產生框圖；
[0013]圖3是本發明中上鉗位電路及下鉗位電路；
【具體實施方式】
[0014]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
[0015]本發明是針對電子倍增電荷耦合器件(EMCCD)的實施例，本領域技術人員通過本發明下面的實施例，能實現任一電子倍增電荷耦合器件的高壓電子增益控制，產生電子增益，下面僅以驅動60型號電子倍增電荷耦合器件的高壓方波驅動信號為例介紹實施例:
[0016]如圖1示出本發明高壓方波驅動信號發生裝置結構框圖；一種高壓方波驅動信號發生裝置，主要包括通用計算機、單片機、現場可編程邏輯門陣列、驅動器、高壓可調電源、上鉗位電路、下鉗位電路、P型DMOS管、N型DMOS管、第一限流電阻、第二限流電阻、第三限流電阻，底部電源，DMOS為高速擴散型金屬氧化物半導體，其中:
[0017]單片機連接PC機，接收并對PC機發送的命令字和信號參數進行譯碼，通過地址總線和數據總線輸出譯碼后的命令字和電壓幅度調整參數數據；現場可編程邏輯門陣列連接單片機，接收單片機發送的譯碼后的命令字，控制現場可編程邏輯門陣列生成并輸出頻率、相位、占空比可調的方波驅動信號；驅動器連接現場可編程邏輯門陣列，接收并放大方波驅動信號的幅度，對方波驅動信號進行擴流，用于增強方波驅動信號的驅動能力；第一限流電阻輸入端連接驅動器輸出端，對輸入的方波驅動信號進行波形調整和限流，并輸出波形調整和限流的方波驅動信號；高壓可調電源輸入端連接單片機輸出端，接收單片機發送的電壓幅度調整參數數據，用于調整輸出電壓幅度；高壓可調電源輸出端連接上鉗位電路、P型DMOS管的源極，用于為上鉗位電路、P型DMOS管提供可調幅度電壓；底部電源與下鉗位電路、N型DMOS管的源極連接，用于為下鉗位電路、N型DMOS管提供工作電壓；上鉗位電路、下鉗位電路的輸入端分別連接第一限流電阻的輸出端，接收經過波形調整和限流的方波驅動信號，用于驅動上鉗位電路和下鉗位電路；上鉗位電路將輸入的方波驅動信號的頂部鉗位到高壓可調電源輸出的可調幅度電壓上，下鉗位電路將輸入的方波驅動信號的底部鉗位到底部電源上，生成并輸出兩路直流分量不同、交流分量相同的方波驅動信號；P型DMOS管連接上鉗位電路，接收頂部被鉗位到高壓可調電源輸出電壓上的方波驅動信號，控制P型DMOS管不斷開啟和關斷生成并輸出高壓方波信號的高電平部分；N型DMOS管連接下鉗位電路，接收底部被鉗位到底部電源輸出電壓上的方波驅動信號，控制N型DMOS管不斷開啟和關斷生成并輸出高壓方波信號的低電平部分；第二限流電阻連接P型DMOS管的漏極，接收P型DMOS管輸出的高壓方波信號的高電平部分，對P型DMOS管生成的高壓方波信號的高電平部分進行整形和限流；第三限流電阻連接N型DMOS管的漏極，接收N型DMOS管輸出的高壓方波信號的低電平部分，對N型DMOS管生成的高壓方波信號的低電平部分進行整形和限流。
[0018]現場可編程邏輯門陣列輸出的方波驅動信號的特性可根據實際需要進行控制，通用計算機通過串口發送命令字控制單片機訪問現場可編程邏輯門陣列內部的方波驅動信號的頻率、相位、占空比參數寄存器，用于改變輸出的方波驅動信號的頻率、相位、占空比參數寄存器的參數。所述高壓方波驅動信號的電壓幅度是通過通用計算機控制單片機去訪問可調高壓電源內部的幅度控制寄存器實現。通過時鐘同源的方法使高壓方波驅動信號與電荷耦合器件的水平驅動信號、垂直驅動信號之間具有穩定的時序關系。驅動器將現場可編程邏輯門陣列輸出的3.3V電壓方波驅動信號的幅度放大為IOV電壓、驅動能力增強至3A電流，用于加快對P型DMOS管、N型DMOS管的輸入電容及寄生雜散電容的充放電速度，從而有效提升P型DMOS管、N型DMOS管的實際開關頻率。上鉗位電路及下鉗位電路的輸入采用同一個信號源即第一限流電阻輸出的經過調整和限流的方波驅動信號，確保第一限流電阻輸出的方波驅動信號被上、下鉗位后，生成具有完全相同的上升、下降時間和相位的控制信號，用于直接控制后續超高速P型DMOS管和N型DMOS管的開、關，從而產生高壓方波信號。高壓可調電源的輸出電壓調節范圍為20V-49V，確保輸出高壓方波驅動信號的高電平在20V-49V范圍內，用于保證電子倍增電荷耦合器件的電氣安全；部電源電壓設置為4.0V,以使輸出的方波驅動信號的低電平維持在4.0V。所述P型DMOS管、N型DMOS管的耐溫達150°C、耐壓達100V、開關速度達25MH，用于保證該裝置的工作頻率達到20MHz以上。在N型DMOS管、P型DMOS管的漏極分別引入第二限流電阻和第三限流電阻，用于防止在N型DMOS管、P型DMOS管同時導通時出現巨大電流浪涌而損毀。上鉗位電路與下鉗位電路、P型DMOS管與N型DMOS管、第二限流電阻與第三限流電阻分別呈對稱布局，保證第一限流電阻輸出的信號經過兩個對稱的電路，減小因電路不對稱性造成高壓方波驅動信號失真。
[0019]如圖2示出本發明中實施例20V?49V高壓可調電源框圖，該高壓可調電源包括:DC-DC開關電源、高壓線性穩壓器LD0、高壓數字電位器；單片機MCV連接高壓線性穩壓器LD0、高壓數字電位器，高壓線性穩壓器連接高壓數字電位器、DC-DC電源。采用一個升壓型(Boost)DC-DC電源將電子倍增CCD相機系統的電源電壓升壓到52V，在后面接一級高壓線性穩壓器LD0，并在高壓線性穩壓器LDO的可調節端串接一個高壓數字電位器，PC機通過串口控制單片機MCU對數字電位器的幅度控制寄存器值進行設置，從而控制高壓線性穩壓器LDO的輸出電壓在20V?49V之間變化，從而控制該裝置輸出的高壓方波驅動信號幅度在20V?49V之間變化；
[0020]如圖3示出本發明中上鉗位電路及下鉗位電路，上鉗位電路包括隔直電容Cl，鉗位二極管Dl和鉗位電阻R1，下鉗位電路包括直電容C2，鉗位二極管D2和鉗位電阻R2，Vl表示高壓可調電源，V2表示底部電源。驅動器輸出的方波信號分為兩路，分別進入Cl和C2進行隔直處理，去掉信號中的直流分量；C1的輸出端連接到鉗位二極管Dl的正極和Rl，Dl的負極和Rl的另一端連接到Vl，利用二極管的單向導通特性，可將Cl輸出的交流信號的頂部固定在Vl輸出的電壓信號上，輸出到上部P型DMOS管控制上部的P型DMOS管的開啟和關閉；C2的輸出端連接到鉗位二極管D2的負極和R2，D2的正極和R2的另一端連接到V2，利用二極管的單向導通特性，可將C2輸出的交流信號的底部固定在V2輸出的電壓信號上，輸出到下部N型DMOS管控制下部的N型DMOS管的開啟和關閉。當輸入驅動器輸出的方波驅動信號為高電平時，下部N型DMOS管柵極、源極電壓差大于柵源導通電壓，N型DMOS管導通，上部P型DMOS管柵源電壓相等，P型DMOS管關閉，從而輸出低電平4.0V;當方波信號為低電平時，下部N型DMOS管柵極電壓等于源極電壓，N型DMOS管關閉，而上部P型DMOS管柵極電壓小于源極電壓，P型DMOS管導通，從而輸出高電平20V?49V ;這樣，在驅動器輸出的方波驅動信號的任一高低電平時刻都只有一個DMOS管導通，從而輸出一個確定電平值，而在驅動器輸出的方波驅動信號的上升或下降邊沿，由于選擇的是互補式DMOS對管，可以保證在一個DMOS管慢慢關閉時，另一個DMOS管慢慢開啟，確保輸出方波信號的上升或下降邊沿的平滑性。
[0021]盡管互補式DMOS對管在確定的高低電平值時只有一個導通，但在輸入方波信號的上升沿或下降沿的某一小段時刻，兩個DMOS管可能會同時導通，這樣將會導致巨大的電流浪涌使DMOS對管功耗激增，產生較大熱量而損壞DMOS對管，因此在DMOS對管的漏極各增加一個限流電陽.，可大大減小同時導通時的峰值電流，可防止DMOS對管因發熱量大而失效。
[0022]以上所述，僅為本發明中的【具體實施方式】，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉該技術的人在本發明所揭露的技術范圍內，可理解想到的變換或替換，都應涵蓋在本發明的包含范圍之內，因此，本發明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。
【權利要求】
1.一種高壓方波驅動信號發生裝置，其特征在于:主要包括通用計算機、單片機、現場可編程邏輯門陣列、驅動器、高壓可調電源、上鉗位電路、下鉗位電路、P型DMOS管、N型DMOS管、第一限流電阻、第二限流電阻、第三限流電阻，底部電源，其中: 單片機連接PC機，接收并對PC機發送的命令字和信號參數進行譯碼，通過地址總線和數據總線輸出譯碼后的命令字和電壓幅度調整參數數據； 現場可編程邏輯門陣列連接單片機，接收單片機發送的譯碼后的命令字，控制現場可編程邏輯門陣列生成并輸出頻率、相位、占空比可調的方波驅動信號； 驅動器連接現場可編程邏輯門陣列，接收并放大方波驅動信號的幅度，對方波驅動信號進行擴流，用于增強方波驅動信號的驅動能力； 第一限流電阻輸入端連接驅動器輸出端，對輸入的方波驅動信號進行波形調整和限流，并輸出波形調整和限流的方波驅動信號； 高壓可調電源輸入端連接單片機輸出端，接收單片機發送的電壓幅度調整參數數據，用于調整輸出電壓幅度；高壓可調電源輸出端連接上鉗位電路、P型DMOS管的源極，用于為上鉗位電路、P型DMOS管提供可調幅度電壓； 底部電源與下鉗位電路、N型DMOS管的源極連接，用于為下鉗位電路、N型DMOS管提供工作電壓； 上鉗位電路、下鉗位電路的輸入端分別連接第一限流電阻的輸出端，接收經過波形調整和限流的方波驅動信號，用于驅動上鉗位電路和下鉗位電路；上鉗位電路將輸入的方波驅動信號的頂部鉗位到高壓可調電源輸出的可調幅度電壓上，下鉗位電路將輸入的方波驅動信號的底部鉗位到底部電源上，生成并輸出兩路直流分量不同、交流分量相同的方波驅動信號； P型DMOS管連接上鉗位電路，接收頂部被鉗位到高壓可調電源輸出電壓上的方波驅動信號，控制P型DMOS管不斷開啟和關斷生成并輸出高壓方波信號的高電平部分； N型DMOS管連接下鉗位電路，接收底部被鉗位到底部電源輸出電壓上的方波驅動信號，控制N型DMOS管不斷開啟和關斷生成并輸出高壓方波信號的低電平部分； 第二限流電阻連接P型DMOS管的漏極，接收P型DMOS管輸出的高壓方波信號的高電平部分，對P型DMOS管生成的高壓方波信號的高電平部分進行整形和限流； 第三限流電阻連接N型DMOS管的漏極，接收N型DMOS管輸出的高壓方波信號的低電平部分，對N型DMOS管生成的高壓方波信號的低電平部分進行整形和限流。
2.根據權利要求1所述的高壓方波驅動信號發生裝置，其特征在于:現場可編程邏輯門陣列輸出的方波驅動信號的特性可根據實際需要進行控制，通用計算機通過串口發送命令字控制單片機訪問現場可編程邏輯門陣列內部的方波驅動信號的頻率、相位、占空比參數寄存器，用于改變輸出的方波驅動信號的頻率、相位、占空比參數寄存器的參數。
3.根據權利要求1所述的高壓方波驅動信號發生裝置，其特征在于:所述高壓方波驅動信號的電壓幅度是通過通用計算機控制單片機去訪問可調高壓電源內部的幅度控制寄存器實現。
4.根據權利要求1所述的高壓方波驅動信號發生裝置，其特征在于:通過時鐘同源的方法使高壓方波驅動信號與電荷耦合器件的水平驅動信號、垂直驅動信號之間具有穩定的時序關系。
5.根據權利要求1所述的高壓方波驅動信號發生裝置，其特征在于:驅動器將現場可編程邏輯門陣列輸出的3.3V電壓方波驅動信號的幅度放大為IOV電壓、驅動能力增強至3A電流，用于加快對P型DMOS管、N型DMOS管的輸入電容及寄生雜散電容的充放電速度，從而有效提升P型DMOS管、N型DMOS管的實際開關頻率。
6.根據權利要求1所述的高壓方波驅動信號發生裝置，其特征在于:上鉗位電路及下鉗位電路的輸入采用同一個信號源即第一限流電阻輸出的經過調整和限流的方波驅動信號，確保第一限流電阻輸出的方波驅動信號被上、下鉗位后，生成具有完全相同的上升、下降時間和相位的控制信號，用于直接控制后續超高速P型DMOS管和N型DMOS管的開、關，從而產生高壓方波信號。
7.根據權利要求1所述的高壓方波驅動信號發生裝置，其特征在于:高壓可調電源的輸出電壓調節范圍為20V-49V，確保輸出高壓方波驅動信號的高電平在20V-49V范圍內，用于保證電子倍增電荷I禹合器件的電氣安全；電源電壓設置為4.0V,以使輸出的方波驅動信號的低電平維持在4.0V。
8.根據權利要求1所述的高壓方波驅動信號發生裝置，其特征在于:所述P型DMOS管、N型DMOS管的耐溫達150°C、耐壓達100V、開關速度達25MH，用于保證該裝置的工作頻率達到20MHz以上。
9.根據權利要求1所述的高壓方波驅動信號發生裝置，其特征在于:在N型DMOS管、P型DMOS管的漏極分別引入第二限流電阻和第三限流電阻，用于防止在N型DMOS管、P型DMOS管同時導通時出現巨大電流浪涌而損毀。
10.根據權利要求1所述的高壓方波驅動信號發生裝置，其特征在于:上鉗位電路與下鉗位電路、P型DMOS管與N型DMOS管、第二限流電阻與第三限流電阻分別呈對稱布局，保證第一限 流電阻輸出的信號經過兩個對稱的電路，減小因電路不對稱性造成高壓方波驅動 號失真。
【文檔編號】H04N5/374GK103873790SQ201410116290
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月26日 優先權日:2014年3月26日
【發明者】王明富, 何凱, 周向東, 楊世洪, 馬文禮 申請人:中國科學院光電技術研究所