[发明专利]一种用于EMCCD的数控高压倍增电路

说明书

技术领域

本发明涉及光学成像器件EMCCD的倍增时钟驱动技术，尤其涉及远程设置EMCCD的倍增倍数技术，属于自动化控制领域。

背景技术

EMCCD技术也被成为“片上增益”技术，是一种比较新的微弱信号探测技术，它与普通CCD的区别是在其读出寄存器后又接续有增益寄存器，其电极结构不同于读出寄存器，电荷经多级的增益寄存器后，信号的增益可达1000倍以上。片上增益随着温度而变化，研究表明，温度越低，片上的倍增增益越高，噪声越低，在实际应用中根据不同的使用条件要求选择温度控制方案。

EMCCD技术的首次应用是在2001年，Andor Techology Ltd将EMCCD技术应用于他们发布的iXon系列的高端超高灵敏度的相机上。EMCCD技术在之后的十几年内快速发展，主要应用于天文观测、航天、生物观测等领域，根据不同的应用条件，选择不同的致冷条件和倍增控制方法。2007年，Derek Ives的文章《Advanced Microelectronics ULTRASPEC–A low light level astronomical CCD camera for a high speed spectro-photometer application》介绍了采用EMCCD作为成像器件制造的光谱探测望远镜，该望远镜位于智利，工作时的致冷温度达到-100℃。目前Andor、E2V、Princeton Instrument等公司均有工业级使用半导体致冷器的EMCCD相机出售。在航天领域，EMCCD尚无在轨应用的先例，目前仍在探索阶段，2008年，龚德铸、王立、卢欣在《空间技术与应用》发表的《微光探测EMCCD在高灵敏度星敏感器中的应用初探》中，对于EMCCD在航天中应用进行了探索性的研究。

由于存在片上倍增技术，EMCCD的外围驱动电路与普通的CCD相比，需要增加一路控制倍增的高压倍增信号，倍增信号通常采用满足一定相位条件的正弦波或方波信号，正弦波峰电压值的一致性和方波高电平的稳定性影响图像质量。图5为E2V公司的EMCCD成像芯片CCD201倍增倍数与方波高电平的关系，在38V～48V区间内近似成指数关系。EMCCD成像芯片的倍增电压在48V附近常温下的倍增倍数约为800倍，倍增倍数与电压波动的关系约为4.8/10mV，计算5ms的积分时间下对图像的影响为0.9DN/10mV。在非倍增模式下，12位显示的图像噪声约为6.4DN。与电路其他的噪声相比，倍增电压的波动不能使电路噪声显著增加。

为了满足EMCCD相机在航天领域的应用，除了要求上述倍增稳定性之外，电路功能上还要实现远程指令设置倍增倍数的功能，同时电路要兼具小型化和低功耗的特点，固定倍增和模拟式的倍增调节均无法满足使用要求。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种用于EMCCD的数控高压倍增电路，满足倍增稳定性，具备小型化和低功耗的特点。

本发明的技术解决方案是：一种用于EMCCD的数控高压倍增电路，包括直流电平转换电路、数模转换电路和推挽驱动电路；

外部输入的十位数字控制信号的高两位和低八位分别输出给直流电平转换电路和数模转换电路，直流电平转换电路在所述高两位数字信号的作用下，将外部输入的+56V高压直流电平转化为高压时钟驱动信号的高电平，输出给推挽驱动电路；数模转换电路将所述低八位数字信号转化成模拟电压，作为高压时钟驱动信号的低电平输出给推挽驱动电路；

推挽驱动电路对外部输入的时钟信号进行隔直，利用隔直后的时钟信号对直流电平转换电路的输出电平进行电平转换，得到低电平为0V、高电平为直流电平转换电路输出电平的方波信号，将得到的方波信号与数模转换电路输出的电平相叠加，得到高压时钟驱动信号并向外输出。

所述的直流电平转换电路包括二极管D1、二极管D2、直流电平转换芯片U1、电容C1、电容C2、电容C3、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、场效应管Q1以及场效应管Q2；

直流电平转换芯片U1的输入端与外部输入的+56V高压直流电平连接，直流电平转换芯片U1的输出端用于输出直流电平转换电路的输出电平VDD；二极管D1的负极与直流电平转换芯片U1的输入端连接，二极管D1的正极与直流电平转换芯片U1的输出端连接；