高度集成電路在光電探測中的設計與應用

摘 "要： 由于空間相機的大規?；呒傻陌l展，以及空間的限制，不得不進行優化設計，甚至通過特殊技術來減少電路板的面積。針對一款TDI CCD探測器的驅動電路的復雜性，基于厚膜技術將驅動電路集成在一個模塊中。厚膜技術的優勢在于可靠性高，設計靈活，投資小，成本低，周期短。通過厚膜集成后的模塊面積減少到未集成的[13]。在實驗中用示波器測的厚膜集成后的模塊輸出的信號完全滿足TDI CCD探測器的需求。同時該設計對航天任務中大規模電路集成化提供了一定的參考借鑒作用。

關鍵詞： 厚膜; 電荷耦合器件; 驅動電路; 集成電路

中圖分類號： TN386.5?34 " " " " " " " " " 文獻標識碼： A " " " " " " " " " " " " " "文章編號： 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

隨著人類對太空的探索，空間相機的發展越來越迅速。在許多空間光電探測的電路系統中多使用CCD （電荷耦合器件，Charge?Couple Device）來進行光電轉換。CCD是將入射光在所有光敏單元激發的光信號轉換成模擬電信號的光電轉換器件。該器件具有小體積、輕重量、低功耗、高精度、長壽命等優點，被廣泛應用在空間光電探測、航天遙感觀測、載荷對地觀測等領域[1?3]。

CCD工作時需要適當的時序驅動信號，并且產生的電信號需要進行后續處理后才能給控制系統識別。CCD產生的電信號是模擬信號需要進行相應的視頻處理電路，視頻處理電路系統包AFE（，Analog Front End，模擬前端），FPGA和數字信號處理模塊。

空間相機的發展越發趨向于大規?；呒傻脑O計，空間相機中的硬件電路的高度集成化變得越來越讓人們關注與研究。目前，關于空間光電探測電路系統的高集成度的技術發展主要體現在厚膜電路和半導體級的ASIC（Application Specific Integrated Circuits，專用集成電路）兩個領域。厚膜電路是將電阻、電容、電感、芯片的管芯通過互連的銅線在印制板上制成的，其優勢在于性能可靠，設計靈活，投資小，成本低，周期短。ASIC是按照用戶的需求，在一個芯片上專門設計具有某些特定功能的集成電路，其性能高（可以比厚膜電路做的更高）、可靠性高。但是由于用戶的需求量少，對于用戶來說其成本相對較高，且難度高[4?5]。

為實現空間相機電子學的大規模化、高集成的要求，本文將比較通用的一款TDI CCD探測器的時序驅動電路模塊設計成厚膜集成電路，并且根據實際PCB版優化厚膜電路設計和性能指標，得到了較好的結果。

1 "TDI CCD探測器

該TDI（Time Delayed and integration，時間延遲積分）CCD探測器可以探測到兩類光譜區。這兩類光譜區分別是彩色B區和全色P區。由于實際情況需要，將該CCD探測器的時鐘工作頻率設定在20 MHz，行頻設置在1 kHz。由于該CCD探測器的光譜區多，所以它的驅動時序也是很復雜的，一共有89個驅動信號，將可以共用的信號合并后仍然有61個驅動信號。由于該探測器實際需求的驅動信號過多，本文中僅以CIxP為例講述驅動電路的設計以及實驗結果。表1中給出了該CCD探測器的CIxP驅動信號的電壓幅值范圍。該CCD探測器的驅動信號需要FPGA產生相應的時序的驅動信號，并通過相應的時序驅動電路變為所需要的電壓幅值范圍。

表1 CI和TCK時鐘驅動信號

圖1中的CIx和TCK的上升沿時間記為tr，典型值50 ns;CIx和TCK的下降沿時間記為tf，典型值50 ns;轉移時間記為ttran，典型值3.6 μs，根據實際工作需要改為1 ms;TCKB的信號周期記為TTCKB，根據行頻而定;TCKP的信號周期記為TTCKP，根據行頻而定;CI2的下降沿到CI1的上升沿的時間差記為t1，典型值0.5 μs;CI1的上升沿到CI3的下降沿的時間差記為t2，典型值0.5 μs;CI3的下降沿到CI2的上升沿的時間差記為t3，典型值0.5 μs;CI2的上升沿到CI4的下降沿的時間差記為t4，典型值0.5 μs;CI5的下降沿到CI3的上升沿的時間差記為t5，典型值0.5 μs;CI3的上升沿到TCK的下降沿的時間差記為t6，典型值0.5 μs;CI1的下降沿到CI4的上升沿的時間差記為t7，典型值0.5 μs;CI1和TCK的高電平時間記為tcla，典型值2.5 μs;CI2、CI3和CI4的低電平時間記為tclb，典型值1.5 μs。

2 "驅動電路設計

本文針對該CCD探測器的驅動電路設計分為兩個步驟：

（1） 通過現在市面上的芯片選擇適合該驅動電路芯片設計而成。

（2） 對通過芯片設計的驅動電路做實驗得到與該CCD探測器相需求的時序結果，進行整合通過厚膜技術來實現最終電路。

最終的驅動電路分為左右兩個模塊（兩個模塊設計的完全相同）分別針對該CCD探測器左右驅動時序，并且把驅動電路中用到的LDO等電壓轉換模塊通過厚膜技術集成到一個模塊[6?7]。

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圖1 P和B區的垂直轉移時序圖

圖2給出了驅動模塊的管腳示意圖，該模塊可以產生一般的水平驅動信號（20 MHz）以及大部分的垂直驅動信號，51號腳是針對模塊內部的測溫度的熱敏電阻預留的。圖中的左側的上面兩組是輸入信號，右側的上面兩組是輸出信號。其他的為電源和地信號。

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圖2 驅動模塊的管腳圖

圖3給出驅動模塊的版圖，速度較快的水平驅動信號（20 MHz）均放在版圖的最外圍，內部放置的是垂直轉移信號。該厚膜模塊最后的面積為37 mm×37 mm，約為原來沒有厚膜集成的[13]。

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圖3 驅動模塊的厚膜版圖

該模塊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驅動器。該驅動器可以驅動40 MHz的信號，并且輸出電流值可以達到2 A。

以CI1P，CI2P，CI3P，CI4P這4個信號為例，這4個信號的幅值范圍是-5～5 V，但是從圖2的時序圖中可以知道，CI1P的信號大部分的時間內都是低的，而CI2P，CI3P，CI4P的信號大部分的時間內都是高的。所以電路設計時將區別對待，由圖4知EL7457的供電電壓設置為10 V可以讓CIxP的信號幅值達到10 V，通過0.22 μF的電容隔直后，再通過二極管與電阻并聯接偏置電壓的設計將其拉到正常工作的范圍，出來的信號在工作電壓范圍方面就達到CCD手冊的要求。CI1P的偏置電壓設置為-5 V，當10 V的方波信號過來后由于二極管的正向鉗位作用使得CI1P的最小電壓是-5 V，所以得到了-5～5 V的信號，且無信號時為低（-5 V）。CI2P，CI3P，CI4P的的偏置電壓設置為5 V，當10 V的方波信號過來后由于二極管的正向鉗位作用使得CI2P，CI3P，CI4P的最大電壓是5 V，所以得到了-5～5 V的信號，且無信號時為高（5 V）。

OFFSET偏置電壓通過電阻分壓外接運放負反饋驅動的形式產生的，見圖5，采用這種電路結構優勢在于可以減少電路中線性穩壓器的數量，由于該探測器需求的驅動信號數量多，電壓值多，若所有電壓值都采用線性穩壓器，不但會導致電路板尺寸會大很多，而且更加引入散熱的問題。同時偏置電壓信號所需要的電流相當的小根本不需要線性穩壓器[8?9]。

3 "驅動信號的實驗結果

針對CIxP的測試，在實驗測試中以驅動模塊的輸入信號（FPGA的輸出信號）TCKP_FPGA為基準信號，對CIxP以及其對于的OFFSET偏置電壓進行單組測量。

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圖4 CIxP原理圖

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圖5 OFFSET偏置電壓原理圖

圖6中的三組信號分別是：TCKP_FPGA（幅值范圍0～3.3 V）、CI1P（與TCKP_FPGA有相同的相位，幅值范圍-5～4 V）、以及CI1P信號對應二極管上的嵌位電壓OFFSET-5 V。

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圖6 CI1P的信號

圖7中的三組信號分別是：TCKP_FPGA（幅值范圍0～3.3 V）、CI2P（超前于TCKP_FPGA約0.5 μs，幅值范圍-4～5 V）、以及CI2P信號對應二極管上的嵌位電壓OFFSET+5 V（在TCKP_FPGA的下降沿末端有波動）。

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圖7 CI2P的信號

圖8中的三組信號分別是：TCKP_FPGA（幅值范圍0～3.3 V），CI3P（反向于TCKP_FPGA，且下降沿到TCKP_FPGA的上升沿的時間約延后0.5 μs，幅值范圍-4～5 V）、以及CI3P信號對應二極管上的嵌位電壓OFFSET+5 V（在TCKP_FPGA的下降沿末端有波動）。

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圖8 CI3P的信號

圖9中的三組信號分別是：TCKP_FPGA（幅值范圍0～3.3 V）、CI4P（反向于TCKP_FPGA，且下降沿到TCKP_FPGA的上升沿的時間約延后1.5 μs，幅值范圍-4～5 V）、以及CI3P信號對應二極管上的嵌位電壓OFFSET+5 V（在TCKP_FPGA的下降沿末端有波動）。

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圖9 CI4P的信號

CIxP的四組信號由于實際電路圖中的電容分壓導致最終幅值沒有達到10 V，但是仍然在CCD的手冊要求范圍內。OFFSET電壓在信號變化較多的點會有串擾導致波動，但是對實際的CIxP影響甚微[10?11]。

4 "結 "語

通過厚膜技術對驅動電路集成后的面積減少到[13]，雖然該模塊需要添加散熱，但是面積的減少使得在同樣面積的PCB上集成更多的模塊，實現更多的CCD陣列。對所有驅動信號用示波器進行測量，均滿足要求。本文中僅給出CIxP的信號波形進行事例。實驗結果表明驅動電路的厚膜技術可以滿足在光電探測中的集成應用。本設計中的驅動電路的厚膜集成也對其他航天任務中大規模電路的集成提供了一定的參考借鑒作用。

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