一种高帧频EMCCD驱动电路设计

　　0 引 言

　　EMCCD(电子倍增电荷耦合器件)是 CCD 发展史上的一次重大突破，它通过在水平输出级嵌入高压增益寄存器使电荷包在高压电场下加速后碰撞电离而获得增益。相比于 ICCD 和 EBCCD，EMCCD 具有体积小、寿命长、功耗低等优点[1]。EMCCD 在天文观测，生物医学，微光监控等领域都有广阔的应用。在天文观测中，自适应光学系统利用波前传感器实时测量成像系统的波前相位误差，所观测的目标信号比较微弱，若采用普通 CCD 相机观测，则目标信号可能淹没于读出噪声中，提取出的目标有较大误差，甚至有可能根本无法提取目标。根据自适应光学系统需观测弱小目标并实时地校正波前相位的特性，采用高帧频EMCCD 相机作为波前传感器是较为合理的选择。E2V 公司的 CCD60 是一款信号可线性放大 500 倍、帧频可达 1 000 帧/秒的 EMCCD，能满足自适应波前传感器的要求。通常，CCD 需要多种电源供电，且必须满足一定的上掉电顺序，同时需要复杂的时序逻辑，且 CCD 的本底噪声与驱动电路的设计关系密切。相比普通 CCD，EMCCD 更是需要一个 4～50 V 的高压脉冲信号来产生电荷增益，这成为 EMCCD 外围驱动电路设计的难点。本文介绍了一种用于自适应光学系统波前传感器 EMCCD 的电源和驱动电路设计方法，是EMCCD 设计中的关键技术。

　　1 EMCCD 原理及 CCD60 特性

　　1.1 EMCCD 工作原理[3]

　　EMCCD 技术始于全固态电子倍增技术，它与普通 CCD 的不同之处是在水平寄存器中增加了固态电子倍增结构(CCM)，光生电荷包在进入读出放大器前先进行倍增放大。因此，EMCCD在高增益状态下可以产生更多的光电子从而减小读出噪声对信号的影响，获得较高的探测灵敏度。

　　电子增益是通过 R2HV 与 RDC 之间的高压电场对电子进行加速后与硅晶格发生碰撞来实现的，这是一个随机过程，每个单元的平均增益在1%到 1.5%之间(设为 R)，则经过 N 级增益后可得到的总增益G 为

　　由上式可知，即使单级增益 R 很小，在经过多级放大后也可以得到较大的倍增增益 G。增益 G 是与R2HV 和 RDC 之间的压差以及芯片的工作温度密切相关的，温度越低、压差越大则增益也越大。1.2 CCD60 特性[4]CCD60 是英国 E2V 公司生产的一款低照度、高帧频、背照式、帧转移型 EMCCD，它独特的读出放大器电路使得它在 1 000 帧/秒情况下的等效读出噪声小于 1 个电子;它工作在 IMO(时钟反转)模式下，可大大抑制暗电流的产生，减轻后续芯片深度制冷带来的困难;背照减薄(Back-Thinning)技术可在较宽的波长范围内都获得较高的量子效率;芯片具有微光成像和高帧频的特点，具有较广的应用范围。