高速多通道CCD預(yù)放電路設(shè)計(jì)

摘要：高速成像應(yīng)用中，CCD的輸出通道數(shù)較多，且每個(gè)通道的速度也很高。多通道輸出需要多個(gè)放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。當(dāng)放大器數(shù)量較多時(shí)，電路板布局時(shí)很難使放大器靠近CCD放置。較長的電路板走線產(chǎn)生的寄生電容和CCD輸出電阻形成的低通電路嚴(yán)重限制了帶寬。因此，在電路設(shè)計(jì)時(shí)采用了高頻補(bǔ)償方法解決了帶寬限制的問題。在電路板設(shè)計(jì)時(shí)采用去除運(yùn)算放大器反饋端地平面的方法避免了放大電路自激振蕩。
關(guān)鍵詞：高速CCD；預(yù)放電路；寄生電容；高頻補(bǔ)償

0 引言
電荷耦合器件(CCD)具有低噪聲、寬動(dòng)態(tài)范圍、高速以及線性響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。在高速成像應(yīng)用中，CCD必須具有多通道輸出的能力。通過多通道并行輸出提高成像系統(tǒng)的速度。每個(gè)通道的速度也要保持較高的速度，通常每個(gè)通道的工作速度能達(dá)到25～40 MHz。CCD的輸出電阻并不是很小，一般情況下其輸出電阻可以達(dá)到300 Ω左右。因此需要預(yù)放電路進(jìn)行阻抗變換，使輸出電阻變小。且要使預(yù)放電路盡可能靠近CCD。因?yàn)槿绻A(yù)放電路和CCD有一定距離時(shí)，電路板走線會(huì)存在一定的寄生電容。該寄生電容和CCD輸出電阻形成一階低通電路，從而限制電路的帶寬。然而，CCD多通道輸出需要多個(gè)放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。當(dāng)放大器數(shù)量較多時(shí)，電路板布局時(shí)就沒有足夠的空間使放大器靠近CCD放置。放大器不能靠近CCD放置，走線寄生電容就會(huì)限制帶寬。所以只能通過高頻補(bǔ)償技術(shù)來擴(kuò)展帶寬。需要注意到是，高頻補(bǔ)償時(shí)一定不要導(dǎo)致放大器工作不穩(wěn)定。此外高速運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)不當(dāng)也極易產(chǎn)生自激振蕩。因此，通過電路板設(shè)計(jì)中去除運(yùn)算放大器反饋端地平面的方法避免自激振蕩。

1 多通道CCD預(yù)放電路設(shè)計(jì)
多通道CCD預(yù)放電路中各個(gè)通道應(yīng)該是完全一致的，這可以保證各個(gè)通道導(dǎo)致的成像結(jié)果具有一致性。因此，下面設(shè)計(jì)討論一個(gè)通道的設(shè)計(jì)，其他通道采用完全相同的設(shè)計(jì)即可。首先對(duì)CCD輸出電阻和電路板走線進(jìn)行分析，如圖1所示。CCD輸出可以等效為電壓源y和串聯(lián)等效電阻Rc。走線可以直接用寄生電容Cp來表示。那么由于電阻和電容構(gòu)成了低通電路，因此會(huì)限制帶寬。式(1)給出其傳遞函數(shù)。

可見存在一個(gè)極點(diǎn)s=-1／RgCp，即系統(tǒng)在大于該極點(diǎn)對(duì)應(yīng)頻率后，響應(yīng)會(huì)按照每十倍頻程20 dB下降。

為了不讓該極點(diǎn)限制帶寬，必須使用零點(diǎn)來抵消這一極點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)這一功能的電路如圖2所示。該電路的傳遞函數(shù)由式(2)給出。該電路引入了一個(gè)零點(diǎn)s=-1／(Rg+Rf)Cg。所以只有讓該零點(diǎn)等于上述極點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)高頻補(bǔ)償。即滿足式(3)即可。該電路在引入零點(diǎn)的同時(shí)也引入了一個(gè)極點(diǎn)s=-1／RgCg，所以需要使該極點(diǎn)頻率盡可能高，也即Rg的值要足夠大。

反饋網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)由式(4)給出：

電路中的反饋網(wǎng)絡(luò)并不會(huì)使放大器不穩(wěn)定。因?yàn)榉答伨W(wǎng)絡(luò)有一個(gè)極點(diǎn)，使得相位會(huì)產(chǎn)生延遲，但是反饋網(wǎng)絡(luò)的零點(diǎn)則使相位產(chǎn)生超前。因此反饋網(wǎng)絡(luò)使得相位先產(chǎn)生一定的延遲，然后在高頻處回到了零相位。這樣不會(huì)對(duì)放大器產(chǎn)生穩(wěn)定性問題。