高速多通道CCD预放电路设计
摘要：高速成像应用中，CCD的输出通道数较多，且每个通道的速度也很高。多通道输出需要多个放大器对信号进行放大。当放大器数量较多时，电路板布局时很难使放大器靠近CCD放置。较长的电路板走线产生的寄生电容和CCD输出电阻形成的低通电路严重限制了带宽。因此，在电路设计时采用了高频补偿方法解决了带宽限制的问题。在电路板设计时采用去除运算放大器反馈端地平面的方法避免了放大电路自激振荡。
关键词：高速CCD；预放电路；寄生电容；高频补偿
0 引言
电荷耦合器件(CCD)具有低噪声、宽动态范围、高速以及线性响应等优点。在高速成像应用中，CCD必须具有多通道输出的能力。通过多通道并行输出提高成像系统的速度。每个通道的速度也要保持较高的速度，通常每个通道的工作速度能达到25～40 MHz。CCD的输出电阻并不是很小，一般情况下其输出电阻可以达到300 Ω左右。因此需要预放电路进行阻抗变换，使输出电阻变小。且要使预放电路尽可能靠近CCD。因为如果预放电路和CCD有一定距离时，电路板走线会存在一定的寄生电容。该寄生电容和CCD输出电阻形成一阶低通电路，从而限制电路的带宽。然而，CCD多通道输出需要多个放大器对信号进行放大。当放大器数量较多时，电路板布局时就没有足够的空间使放大器靠近CCD放置。放大器不能靠近CCD放置，走线寄生电容就会限制带宽。所以只能通过高频补偿技术来扩展带宽。需要注意到是，高频补偿时一定不要导致放大器工作不稳定。此外高速运算放大器设计不当也极易产生自激振荡。因此，通过电路板设计中去除运算放大器反馈端地平面的方法避免自激振荡。
1 多通道CCD预放电路设计
多通道CCD预放电路中各个通道应该是完全一致的，这可以保证各个通道导致的成像结果具有一致性。因此，下面设计讨论一个通道的设计，其他通道采用完全相同的设计即可。首先对CCD输出电阻和电路板走线进行分析，如图1所示。CCD输出可以等效为电压源y和串联等效电阻Rc。走线可以直接用寄生电容Cp来表示。那么由于电阻和电容构成了低通电路，因此会限制带宽。式(1)给出其传递函数。
可见存在一个极点s=-1／RgCp，即系统在大于该极点对应频率后，响应会按照每十倍频程20 dB下降。
为了不让该极点限制带宽，必须使用零点来抵消这一极点。实现这一功能的电路如图2所示。该电路的传递函数由式(2)给出。该电路引入了一个零点s=-1／(Rg+Rf)Cg。所以只有让该零点等于上述极点即可实现高频补偿。即满足式(3)即可。该电路在引入零点的同时也引入了一个极点s=-1／RgCg，所以需要使该极点频率尽可能高，也即Rg的值要足够大。
反馈网络的传递函数由式(4)给出：
电路中的反馈网络并不会使放大器不稳定。因为反馈网络有一个极点，使得相位会产生延迟，但是反馈网络的零点则使相位产生超前。因此反馈网络使得相位先产生一定的延迟，然后在高频处回到了零相位。这样不会对放大器产生稳定性问题。
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