高度集成电路在光电探测中的设计与应用

摘 要： 由于空间相机的大规模化高集成的发展，以及空间的限制，不得不进行优化设计，甚至通过特殊技术来减少电路板的面积。针对一款TDI CCD探测器的驱动电路的复杂性，基于厚膜技术将驱动电路集成在一个模块中。厚膜技术的优势在于可靠性高，设计灵活，投资小，成本低，周期短。通过厚膜集成后的模块面积减少到未集成的[13]。在实验中用示波器测的厚膜集成后的模块输出的信号完全满足TDI CCD探测器的需求。同时该设计对航天任务中大规模电路集成化提供了一定的参考借鉴作用。

关键词： 厚膜; 电荷耦合器件; 驱动电路; 集成电路

中图分类号： TN386.5?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）06?0145?04

Design and application of highly?integrated circuit in photoelectric detection

SUN Zhen?ya， LIU Dong?bin

（Changchun Institute of Optics， Fine Mechanics and Physics， Chinese Academy of Sciences， Changchun 130033， China）

Abstract： Because of the large?scale and high?integration development for the space camera， and the limitation of space， the circuit has to be optimized， even some special technologies have to be used to reduce the area of the circuit board. In consideration of the complexity of driver circuit of CCD detector， the driver circuit was integrated in a module by the thick film technology. There are many advantages in thick film technology such as high reliability， flexible design， low cost and short cycle. The integrated area through the thick film technology was reduced to the 1/3 area as the original circuit board before integration. The output signal of the thick film integrated module is perfect for the demand of CCD detector. At the same time， the design provides a certain reference for the large?scale integrated circuit design in the space missions.

Keywords： thick film; CCD; drive circuit; integrated circuit

0 引 言

随着人类对太空的探索，空间相机的发展越来越迅速。在许多空间光电探测的电路系统中多使用CCD （电荷耦合器件，Charge?Couple Device）来进行光电转换。CCD是将入射光在所有光敏单元激发的光信号转换成模拟电信号的光电转换器件。该器件具有小体积、轻重量、低功耗、高精度、长寿命等优点，被广泛应用在空间光电探测、航天遥感观测、载荷对地观测等领域[1?3]。

CCD工作时需要适当的时序驱动信号，并且产生的电信号需要进行后续处理后才能给控制系统识别。CCD产生的电信号是模拟信号需要进行相应的视频处理电路，视频处理电路系统包AFE（，Analog Front End，模拟前端），FPGA和数字信号处理模块。

空间相机的发展越发趋向于大规模化高集成的设计，空间相机中的硬件电路的高度集成化变得越来越让人们关注与研究。目前，关于空间光电探测电路系统的高集成度的技术发展主要体现在厚膜电路和半导体级的ASIC（Application Specific Integrated Circuits，专用集成电路）两个领域。厚膜电路是将电阻、电容、电感、芯片的管芯通过互连的铜线在印制板上制成的，其优势在于性能可靠，设计灵活，投资小，成本低，周期短。ASIC是按照用户的需求，在一个芯片上专门设计具有某些特定功能的集成电路，其性能高（可以比厚膜电路做的更高）、可靠性高。但是由于用户的需求量少，对于用户来说其成本相对较高，且难度高[4?5]。

为实现空间相机电子学的大规模化、高集成的要求，本文将比较通用的一款TDI CCD探测器的时序驱动电路模块设计成厚膜集成电路，并且根据实际PCB版优化厚膜电路设计和性能指标，得到了较好的结果。

1 TDI CCD探测器

该TDI（Time Delayed and integration，时间延迟积分）CCD探测器可以探测到两类光谱区。这两类光谱区分别是彩色B区和全色P区。由于实际情况需要，将该CCD探测器的时钟工作频率设定在20 MHz，行频设置在1 kHz。由于该CCD探测器的光谱区多，所以它的驱动时序也是很复杂的，一共有89个驱动信号，将可以共用的信号合并后仍然有61个驱动信号。由于该探测器实际需求的驱动信号过多，本文中仅以CIxP为例讲述驱动电路的设计以及实验结果。表1中给出了该CCD探测器的CIxP驱动信号的电压幅值范围。该CCD探测器的驱动信号需要FPGA产生相应的时序的驱动信号，并通过相应的时序驱动电路变为所需要的电压幅值范围。

表1 CI和TCK时钟驱动信号

图1中的CIx和TCK的上升沿时间记为tr，典型值50 ns;CIx和TCK的下降沿时间记为tf，典型值50 ns;转移时间记为ttran，典型值3.6 μs，根据实际工作需要改为1 ms;TCKB的信号周期记为TTCKB，根据行频而定;TCKP的信号周期记为TTCKP，根据行频而定;CI2的下降沿到CI1的上升沿的时间差记为t1，典型值0.5 μs;CI1的上升沿到CI3的下降沿的时间差记为t2，典型值0.5 μs;CI3的下降沿到CI2的上升沿的时间差记为t3，典型值0.5 μs;CI2的上升沿到CI4的下降沿的时间差记为t4，典型值0.5 μs;CI5的下降沿到CI3的上升沿的时间差记为t5，典型值0.5 μs;CI3的上升沿到TCK的下降沿的时间差记为t6，典型值0.5 μs;CI1的下降沿到CI4的上升沿的时间差记为t7，典型值0.5 μs;CI1和TCK的高电平时间记为tcla，典型值2.5 μs;CI2、CI3和CI4的低电平时间记为tclb，典型值1.5 μs。

2 驱动电路设计

本文针对该CCD探测器的驱动电路设计分为两个步骤：

（1） 通过现在市面上的芯片选择适合该驱动电路芯片设计而成。

（2） 对通过芯片设计的驱动电路做实验得到与该CCD探测器相需求的时序结果，进行整合通过厚膜技术来实现最终电路。

最终的驱动电路分为左右两个模块（两个模块设计的完全相同）分别针对该CCD探测器左右驱动时序，并且把驱动电路中用到的LDO等电压转换模块通过厚膜技术集成到一个模块[6?7]。

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图1 P和B区的垂直转移时序图

图2给出了驱动模块的管脚示意图，该模块可以产生一般的水平驱动信号（20 MHz）以及大部分的垂直驱动信号，51号脚是针对模块内部的测温度的热敏电阻预留的。图中的左侧的上面两组是输入信号，右侧的上面两组是输出信号。其他的为电源和地信号。

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图2 驱动模块的管脚图

图3给出驱动模块的版图，速度较快的水平驱动信号（20 MHz）均放在版图的最，内部放置的是垂直转移信号。该厚膜模块最后的面积为37 mm×37 mm，约为原来没有厚膜集成的[13]。

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图3 驱动模块的厚膜版图

该模块中集成的大部分芯片是EL7457，EL7457是一款高速度，同相位，四通道的CMOS驱动器。该驱动器可以驱动40 MHz的信号，并且输出电流值可以达到2 A。

以CI1P，CI2P，CI3P，CI4P这4个信号为例，这4个信号的幅值范围是-5～5 V，但是从图2的时序图中可以知道，CI1P的信号大部分的时间内都是低的，而CI2P，CI3P，CI4P的信号大部分的时间内都是高的。所以电路设计时将区别对待，由图4知EL7457的供电电压设置为10 V可以让CIxP的信号幅值达到10 V，通过0.22 μF的电容隔直后，再通过二极管与电阻并联接偏置电压的设计将其拉到正常工作的范围，出来的信号在工作电压范围方面就达到CCD手册的要求。CI1P的偏置电压设置为-5 V，当10 V的方波信号过来后由于二极管的正向钳位作用使得CI1P的最小电压是-5 V，所以得到了-5～5 V的信号，且无信号时为低（-5 V）。CI2P，CI3P，CI4P的的偏置电压设置为5 V，当10 V的方波信号过来后由于二极管的正向钳位作用使得CI2P，CI3P，CI4P的最大电压是5 V，所以得到了-5～5 V的信号，且无信号时为高（5 V）。

OFFSET偏置电压通过电阻分压外接运放负反馈驱动的形式产生的，见图5，采用这种电路结构优势在于可以减少电路中线性稳压器的数量，由于该探测器需求的驱动信号数量多，电压值多，若所有电压值都采用线性稳压器，不但会导致电路板尺寸会大很多，而且更加引入散热的问题。同时偏置电压信号所需要的电流相当的小根本不需要线性稳压器[8?9]。

3 驱动信号的实验结果

针对CIxP的测试，在实验测试中以驱动模块的输入信号（FPGA的输出信号）TCKP_FPGA为基准信号，对CIxP以及其对于的OFFSET偏置电压进行单组测量。

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图4 CIxP原理图

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图5 OFFSET偏置电压原理图

图6中的三组信号分别是：TCKP_FPGA（幅值范围0～3.3 V）、CI1P（与TCKP_FPGA有相同的相位，幅值范围-5～4 V）、以及CI1P信号对应二极管上的嵌位电压OFFSET-5 V。

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图6 CI1P的信号

图7中的三组信号分别是：TCKP_FPGA（幅值范围0～3.3 V）、CI2P（超前于TCKP_FPGA约0.5 μs，幅值范围-4～5 V）、以及CI2P信号对应二极管上的嵌位电压OFFSET+5 V（在TCKP_FPGA的下降沿末端有波动）。

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图7 CI2P的信号

图8中的三组信号分别是：TCKP_FPGA（幅值范围0～3.3 V），CI3P（反向于TCKP_FPGA，且下降沿到TCKP_FPGA的上升沿的时间约延后0.5 μs，幅值范围-4～5 V）、以及CI3P信号对应二极管上的嵌位电压OFFSET+5 V（在TCKP_FPGA的下降沿末端有波动）。

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图8 CI3P的信号

图9中的三组信号分别是：TCKP_FPGA（幅值范围0～3.3 V）、CI4P（反向于TCKP_FPGA，且下降沿到TCKP_FPGA的上升沿的时间约延后1.5 μs，幅值范围-4～5 V）、以及CI3P信号对应二极管上的嵌位电压OFFSET+5 V（在TCKP_FPGA的下降沿末端有波动）。

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图9 CI4P的信号

CIxP的四组信号由于实际电路图中的电容分压导致最终幅值没有达到10 V，但是仍然在CCD的手册要求范围内。OFFSET电压在信号变化较多的点会有串扰导致波动，但是对实际的CIxP影响甚微[10?11]。

4 结 语

通过厚膜技术对驱动电路集成后的面积减少到[13]，虽然该模块需要添加散热，但是面积的减少使得在同样面积的PCB上集成更多的模块，实现更多的CCD阵列。对所有驱动信号用示波器进行测量，均满足要求。本文中仅给出CIxP的信号波形进行事例。实验结果表明驱动电路的厚膜技术可以满足在光电探测中的集成应用。本设计中的驱动电路的厚膜集成也对其他航天任务中大规模电路的集成提供了一定的参考借鉴作用。

参考文献

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