高速CCD成像電路抗串?dāng)_技術(shù)

薛旭成，李洪法，郭永飛

(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春130033)

1 引言

電荷耦合器件(CCD)由于具有低噪聲、寬動(dòng)態(tài)范圍以及線性響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，在成像領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。使用CCD成像系統(tǒng)時(shí)，需要成像電路的支持。成像電路主要包括CCD時(shí)序產(chǎn)生及驅(qū)動(dòng)電路、CCD視頻信號(hào)放大電路、CCD視頻信號(hào)相關(guān)雙采樣電路以及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路等。其中CCD驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電容性負(fù)載，會(huì)導(dǎo)致瞬態(tài)大電流的產(chǎn)生，而此電流會(huì)成為一種干擾源。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路是模擬域和數(shù)字域的轉(zhuǎn)換電路。因此，CCD成像電路是一個(gè)復(fù)雜的模數(shù)信號(hào)混合電路系統(tǒng)。如果設(shè)計(jì)中不采取抗串?dāng)_技術(shù)，CCD驅(qū)動(dòng)信號(hào)和數(shù)字電路信號(hào)會(huì)對(duì)CCD視頻模擬信號(hào)產(chǎn)生串?dāng)_，在高速情況下這種串?dāng)_會(huì)更加嚴(yán)重。此外，為了實(shí)現(xiàn)高速成像，CCD往往采用多個(gè)視頻抽頭并行輸出技術(shù)，每個(gè)抽頭都需要相應(yīng)的處理電路，這樣成像電路又是一個(gè)多通道并行處理系統(tǒng)，這些通道間也會(huì)產(chǎn)生相互串?dāng)_。串?dāng)_的產(chǎn)生主要是由于印刷電路板(Print Circuit Board，PCB)的設(shè)計(jì)不合理，這種現(xiàn)象在調(diào)試階段才會(huì)發(fā)現(xiàn)，此時(shí)PCB已經(jīng)加工完成，難以修改，重新設(shè)計(jì)又會(huì)增加產(chǎn)品的成本，使產(chǎn)品不能按期完成，因此，在設(shè)計(jì)階段就要對(duì)串?dāng)_現(xiàn)象進(jìn)行研究，并采取有效措施防止串?dāng)_的產(chǎn)生。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)人員對(duì)串?dāng)_問(wèn)題已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究。如，哈勃望遠(yuǎn)鏡上WF/PC I相機(jī)出現(xiàn)的串?dāng)_問(wèn)題，其等效噪聲電子數(shù)達(dá)100e-。為了解決它的定位，花費(fèi)了近一年的時(shí)間。最后，是在采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)采用集總參數(shù)電路的方法禁止時(shí)鐘并屏蔽復(fù)位信號(hào)及視頻信號(hào)線來(lái)降低串?dāng)_［1］。文獻(xiàn)［2-4］對(duì)信號(hào)在PCB中的傳輸進(jìn)行了分析建模，解決了信號(hào)完整性問(wèn)題。文獻(xiàn)［5-6］分析了傳輸線間相互串?dāng)_的傳輸線模型。文獻(xiàn)［7］則采用信號(hào)處理的方法識(shí)別串?dāng)_信號(hào)的頻率。本文應(yīng)用相鄰走線的傳輸線模型和電源接地的開(kāi)關(guān)噪聲模型具體分析了CCD成像系統(tǒng)的串?dāng)_，并研究了相應(yīng)的抗串?dāng)_技術(shù)。

2 CCD成像電路串?dāng)_模型

為了解決串?dāng)_問(wèn)題，需要研究串?dāng)_產(chǎn)生的原因。如果PCB上的走線是理想的導(dǎo)線，那么電路就不會(huì)發(fā)生串?dāng)_。理想的導(dǎo)線包含兩方面內(nèi)容：一是指信號(hào)在導(dǎo)線上的傳輸不需要時(shí)間;二是指導(dǎo)線的電阻、電感以及電容都是零。信號(hào)在導(dǎo)線上的傳輸不需要時(shí)間表明導(dǎo)線上的各點(diǎn)電壓在同一時(shí)刻是相同的，也就是說(shuō)導(dǎo)線可以認(rèn)為是一點(diǎn)，這是基爾霍夫電路理論的假設(shè)。由于導(dǎo)線的各點(diǎn)電壓相同，因此，電路理論中信號(hào)只是時(shí)間的函數(shù)而不是空間的函數(shù)。實(shí)際上由麥克斯韋方程組描述的電磁理論才是準(zhǔn)確的物理定律。基爾霍夫電路理論由于忽略了信號(hào)隨空間的變化，因此只是低頻近似理論。當(dāng)電路工作頻率提高時(shí)，信號(hào)就會(huì)出現(xiàn)反射等現(xiàn)象，此時(shí)需要用基于電磁理論的傳輸線理論來(lái)進(jìn)行分析。此外，在高頻下PCB走線的電阻、電感以及電容也不能忽略。電感和電容還包括和其它PCB走線間的互感和互容。這些由PCB走線非理想導(dǎo)致的電阻、電感和電容現(xiàn)象稱(chēng)為寄生現(xiàn)象。寄生現(xiàn)象導(dǎo)致了信號(hào)線被其他走線通過(guò)互容和互感方式進(jìn)行干擾，信號(hào)反射等現(xiàn)象則進(jìn)一步使串?dāng)_加重。此外，電路間共用電源和地線也會(huì)導(dǎo)致由公共阻抗產(chǎn)生的串?dāng)_。

圖1 相鄰走線的等效傳輸線模型Fig.1 Transmission line model of two close routes

CCD成像電路中，PCB走線主要包括CCD視頻信號(hào)走線、CCD驅(qū)動(dòng)走線、數(shù)字電路走線等。不管這些走線是什么類(lèi)型，當(dāng)靠近信號(hào)走線時(shí)，都有可能對(duì)信號(hào)走線構(gòu)成干擾。這時(shí)串?dāng)_的模型可以看成是PCB上相鄰的兩條走線，一條為干擾線，另一條為被干擾線。根據(jù)傳輸線理論可知，在被干擾線的兩端測(cè)得的干擾電壓是不同的，距離源端最近的一端為近端，而離源端最遠(yuǎn)的一端為遠(yuǎn)端，如圖1所示。

可以用互容和互感組成的電路模型來(lái)描述耦合。圖2為串?dāng)_模型等效電路。由于互容和互感都與長(zhǎng)度成比例，所以這里使用單位長(zhǎng)度互容CmL和單位長(zhǎng)度互感LmL。

圖2 互容互感耦合電路模型Fig.2 Couple circuit model of mutual capacitance and mutual inductance

當(dāng)信號(hào)沿著干擾線傳播時(shí)，其通過(guò)互容和互感作用到達(dá)被干擾線上。然而，只有在信號(hào)變化的區(qū)域互容和互感才能干擾被干擾線［8］。那么通過(guò)互容產(chǎn)生的干擾電流為：

式中：Cm表示干擾信號(hào)上升沿在走線中延伸長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的總電容，V表示干擾信號(hào)電壓，Δx表示干擾信號(hào)上升沿在走線中延伸的長(zhǎng)度，tr表示干擾信號(hào)上升沿時(shí)間，v表示干擾信號(hào)的傳播速度。通過(guò)互感產(chǎn)生的干擾電壓為：

式中：Lm表示干擾信號(hào)上升沿在走線中延伸長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的總電感，I表示干擾信號(hào)電流。干擾信號(hào)的傳播速度為：

式中，Z為每條走線的特性阻抗。通過(guò)互容產(chǎn)生的干擾電流流到近端的大小為：

通過(guò)互容產(chǎn)生的干擾電流流到遠(yuǎn)端的大小為：

《水利工程代碼編制規(guī)范》（SL 213—2012）在原有標(biāo)準(zhǔn)《水利工程基礎(chǔ)信息代碼編制規(guī)定》（SL 213—98）基礎(chǔ)上，進(jìn)行了幾方面修訂：一是將標(biāo)準(zhǔn)名稱(chēng)由“水利工程基礎(chǔ)信息代碼編制規(guī)定”更改為“水利工程代碼編制規(guī)范”。二是在技術(shù)內(nèi)容上，調(diào)整了河流代碼的編碼規(guī)則；調(diào)整了堤防代碼的編碼規(guī)則；調(diào)整了灌區(qū)和水土保持工程的分類(lèi)碼；修改了湖泊代碼的編碼規(guī)則；修改了水文測(cè)站代碼的編碼規(guī)則；修改了穿堤建筑物的編碼規(guī)則；將墑情測(cè)站代碼、地下水觀測(cè)井站代碼歸入水文測(cè)站代碼；將發(fā)電工程代碼更改為水力發(fā)電工程代碼，并修改了編碼規(guī)則等。

式中，Len為干擾走線總長(zhǎng)度。通過(guò)互感產(chǎn)生的干擾電壓在近端大小為：

通過(guò)互感產(chǎn)生的干擾電壓在遠(yuǎn)端大小為：

由式(3)，(4)，(6)可得近端串?dāng)_系數(shù)為：

同樣由式(3)，(5)，(7)可得遠(yuǎn)端串?dāng)_系數(shù)為：

下面分析電源和地線對(duì)串?dāng)_的影響。由于電源和地線不是理想的導(dǎo)線，因此，會(huì)通過(guò)電源和地線的公共阻抗產(chǎn)生串?dāng)_。圖3為電源和接地的開(kāi)關(guān)噪聲模型。電源和接地的寄生成分主要是電感，用Lp表示電源等效電感，Ld表示接地電感。當(dāng)通道1電路中有變化的電流dI/dt時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致A點(diǎn)電壓的波動(dòng)：

圖3 電源接地的開(kāi)關(guān)噪聲模型Fig.3 Switch noise model of power supply and ground

從而影響其它通道的供電電壓產(chǎn)生串?dāng)_。同樣B點(diǎn)也會(huì)產(chǎn)生電壓波動(dòng)，從而產(chǎn)生串?dāng)_。

3 CCD成像電路抗串?dāng)_技術(shù)

對(duì)上述串?dāng)_模型進(jìn)行分析，可以得到相應(yīng)的有效抗串?dāng)_措施。

3.1 特性阻抗控制和端接技術(shù)

端接方案如圖4所示。可以在源端端接，也可以在接收端端接。對(duì)于數(shù)字信號(hào)，為了降低功耗可以只在源端端接，而對(duì)于模擬信號(hào)，則在源端和接收端都進(jìn)行端接，使反射降至最低。

圖4 傳輸線端接方案Fig.4 Termination scheme for transmission line

3.2 帶狀線及防護(hù)布線隔離技術(shù)

在PCB走線中有兩種常用且重要的走線方式，即微帶線和帶狀線［9］。微帶線是指走線下面為PCB介質(zhì)，參考平面上面為空氣，即PCB的外層走線，如圖5(a)所示。帶狀線為走線被PCB介質(zhì)包圍，上下都是參考平面，如圖5(b)所示。從下面分析可以看出，相鄰的帶狀線不存在遠(yuǎn)端串?dāng)_。

圖5 微帶線和帶狀線結(jié)構(gòu)Fig.5 Structures of mircrostrip and stripline

兩條相鄰的走線可以支持偶模和奇模兩種模態(tài)的傳輸。偶模的兩條走線傳輸同相位的信號(hào)，奇模則傳輸反相位的信號(hào)。偶模的單位長(zhǎng)度傳輸延時(shí)為：

奇模的單位長(zhǎng)度傳輸延時(shí)則為：

而信號(hào)單位長(zhǎng)度傳輸延時(shí)可表示為：

式中：εr為有效介電常數(shù)，c為光速。由于微帶線暴露在空氣中，其偶模和奇模的有效介電常數(shù)是不同的，而帶狀線則是相同的。即帶狀線的偶模和奇模傳輸延時(shí)相同，得到：

即：

根據(jù)式(9)可得遠(yuǎn)端串?dāng)_系數(shù)為零。實(shí)際上，即使是帶狀線，介質(zhì)材料也不可能完全同質(zhì)，所以介電常數(shù)總有一些變化，這種介質(zhì)分布不均勻?qū)⒁疬h(yuǎn)端噪聲。為此，可以在帶狀線間加入接地走線形成防護(hù)走線，進(jìn)一步降低串?dāng)_。對(duì)于CCD視頻信號(hào)，采用帶狀線并使用防護(hù)布線進(jìn)行隔離將大幅度降低串?dāng)_。

3.3 電源隔離及去耦技術(shù)

CCD視頻信號(hào)串?dāng)_的另外一個(gè)原因是共用電源，為此，需對(duì)多通道電源供電進(jìn)行隔離設(shè)計(jì)。如圖6所示，每個(gè)通道的電源入口都采用去耦濾波設(shè)計(jì)。Ld為磁珠，在工作頻率要有足夠高的阻抗。電容Cb和Cd則根據(jù)電路的工作頻率選擇參數(shù)，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)還要使用多個(gè)電容并聯(lián)以減少寄生電感。

圖6 電源隔離設(shè)計(jì)Fig.6 Design of isolation of power supply

如圖7所示，采用多個(gè)過(guò)孔連接方法對(duì)去耦電容布線［10］，這種方法可以把寄生電感減少到0.4 nH。

圖7 去耦電容布線方法Fig.7 Routing method of decoupling capacitor

3.4 統(tǒng)一地平面技術(shù)

為了防止數(shù)字電路對(duì)模擬電路造成干擾，應(yīng)對(duì)模擬電路和數(shù)字電路進(jìn)行分區(qū)布局，但采用統(tǒng)一的地平面［11］，不能讓走線跨越分割的地平面。如圖8所示，黑色的粗線為PCB走線，當(dāng)它跨越分割的地平面時(shí)，返回電流要按照最低電感的路徑返回，如虛線所示。這樣返回路徑和沒(méi)有分割地平面相比電感大了很多，因此，會(huì)造成地平面電壓的波動(dòng)，形成地彈，從而影響信號(hào)。

圖8 地平面分割Fig.8 Partition of ground plane

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖9為一個(gè)串?dāng)_較嚴(yán)重的CCD成像電路的PCB及其成像結(jié)果。圖9(a)所示為CCD視頻信號(hào)走線，由于是微帶線且走線距離很近，因此，串?dāng)_較嚴(yán)重。圖9(b)為該CCD相鄰兩個(gè)通道的成像圖像，可以看出存在著明顯的相互串?dāng)_現(xiàn)象。

圖9 存在串?dāng)_的成像電路PCB及串?dāng)_圖像Fig.9 PCB of crosstalk imaging circuit and crosstalk image

采用上述抗串?dāng)_技術(shù)對(duì)該CCD成像電路進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，視頻信號(hào)走線采用具有防護(hù)走線的帶狀線。對(duì)新的成像電路進(jìn)行了PCB走線特性阻抗的控制和端接，電源進(jìn)行了隔離設(shè)計(jì)，采用統(tǒng)一的地平面。圖10(a)為新的成像電路的成像圖像，可以看出串?dāng)_已經(jīng)消除。圖10(b)為測(cè)試通道隔離度的串?dāng)_圖像。實(shí)驗(yàn)中把一個(gè)通道的視頻輸入接地并設(shè)置偏置，研究另外一個(gè)圖像通道對(duì)其的影響。由于輸入接地的通道沒(méi)有串?dāng)_產(chǎn)生，圖像為10 bit，因此，通道隔離度大于60 dB。

圖10 新系統(tǒng)的成像及串?dāng)_測(cè)試圖像Fig.10 Imaging of new system and crosstalk test image

5 結(jié)論

CCD成像電路系統(tǒng)是個(gè)多通道并行處理模數(shù)混合信號(hào)系統(tǒng)。由于電路工作頻率高，如果在設(shè)計(jì)中對(duì)抗串?dāng)_措施不給予充分重視，信號(hào)通道間極易發(fā)生串?dāng)_現(xiàn)象，且驅(qū)動(dòng)信號(hào)和數(shù)字信號(hào)也會(huì)干擾模擬信號(hào)，從而使圖像質(zhì)量下降。本文通過(guò)對(duì)串?dāng)_機(jī)理的分析，給出了有效的抗串?dāng)_措施，所有的模擬和數(shù)字信號(hào)線都采用特性阻抗控制技術(shù)和端接技術(shù)，避免了信號(hào)自身的反射對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響。對(duì)多通道的CCD視頻信號(hào)采用帶狀線而非微帶線并使用防護(hù)布線進(jìn)行隔離。對(duì)多通道的電源供電進(jìn)行了隔離設(shè)計(jì)，并采取有效的去耦電容布線方法降低寄生電感，從而避免了由電源公共阻抗引起的串?dāng)_。采用統(tǒng)一的地平面對(duì)模擬電路和數(shù)字電路進(jìn)行分區(qū)布局，避免了地彈對(duì)信號(hào)的影響。采取上述技術(shù)，避免了串?dāng)_的發(fā)生，通道隔離度大于60 dB，保證了圖像的質(zhì)量。

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