專利名稱：天文用ccd相機的ccd周邊電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種天文用CCD相機的CCD周邊電路，尤其是一種能用于天文觀測的CCD相機在雙通道讀出模式下的CCD周邊電路。
背景技術(shù)：
CCD是一種光電轉(zhuǎn)換器件，從上世紀70年代以來，作為光學圖像的電子傳感器，被廣泛應(yīng)用于各類光電成像系統(tǒng)中。在安全監(jiān)控及電視攝像系統(tǒng)、民用和軍用CCD照相機、科學級成像系統(tǒng)中，都有各種不同種類和不同級別的CCD器件。由于CCD是光電成像器件，要使其正常工作，除了要有一個優(yōu)良的光學系統(tǒng)進行光學成像之外，還需要一個優(yōu)良的外圍電路與系統(tǒng)來支持它的電氣運行。就CCD相機電路來說，主要包括CCD周邊電路、偏置電源電路、時鐘驅(qū)動電路、模擬信號處理電路、時序發(fā)生電路和數(shù)字控制電路等。在科學研究應(yīng)用中，特別是在夜間天文觀測用的CCD相機系統(tǒng)中，對成像性能的要求十分苛刻。為此，天文用CCD相機電路的設(shè)計，就以CCD器件為核心，采用一些特殊的技術(shù)與方法，以保證能達到或接近所選用的CCD器件本身的性能。也就是說，要在電路設(shè)計和制作的過程中，盡量減小CCD周邊及其它輔助電路對其性能的影響。 CCD是相機或成像系統(tǒng)的心臟，其周邊電路的好壞，直接影響整個CCD成像系統(tǒng)的性能，它是整個相機電路中十分重要的一部分。不同相機的CCD周邊電路不盡相同，即使對于相同的CCD器件，隨著現(xiàn)代半導體產(chǎn)品的更新和電子技術(shù)的發(fā)展，其周邊電路在實現(xiàn)的技術(shù)方案上也會不斷有一些新的發(fā)展和革新。

發(fā)明內(nèi)容本實用新型提供一種天文用CCD相機的CCD周邊電路，該電路采用Atmel公司生產(chǎn)的CCD器件TH7899M作為相機的圖像傳感器，并以Texas Instruments公司生產(chǎn)的集成運算放大器0PA842為基礎(chǔ)構(gòu)建CCD模擬信號前置放大電路。 實用新型的技術(shù)方案是天文用CCD相機的CCD周邊電路，由CCD周邊電路和輸出模擬信號前置放大電路組成，具體由偏置電源RC濾波電路、CCD器件TH7899M、時鐘驅(qū)動信號接入電容網(wǎng)絡(luò)和以射極跟隨器、隔直電容、運算放大器0PA842和限帶RC環(huán)節(jié)等構(gòu)成的前置放大器電路。CCD器件的直流電源端和其它偏置輸入端通過阻容網(wǎng)絡(luò)與外部輸入電源相連接，其垂直、水平時鐘輸入端通過電容網(wǎng)絡(luò)與外部輸入驅(qū)動時鐘相連接，其模擬信號輸出
端后接前置放大電路。 在這種天文用CCD相機的CCD周邊電路中，與TH7899M的第1、2輸出放大器相關(guān)的各偏置及電源輸入端懸空、第1、2輸出放大器的CCD模擬信號輸出端也懸空；與TH7899M的第3、4輸出放大器相關(guān)的各偏置和電源輸入端均通過一個RC濾波電路接相應(yīng)的外部偏置電源。CCD的水平、垂直時鐘按TH7899M規(guī)定的第17種工作模式，與接入CCD的時鐘輸入引腳相接，且外部輸入的水平、垂直驅(qū)動時鐘都對地接有一個電容。 此外，這種天文用CCD相機的CCD周邊電路中的前置放大電路則是由射極跟隨器、
3隔直電容、運算放大器0PA842構(gòu)成的同相放大器和限帶RC環(huán)節(jié)順序連接構(gòu)成的。[0008] 本實用新型的有益效果是用TH7899M作為光電成像器件，用簡單的RC網(wǎng)絡(luò)作為其偏置電源的濾波電路，用射極跟隨器、隔直電容和集成運算放大器0PA842構(gòu)成的CCD模擬信號前置放大器，整個電路簡單實用，同時適合于全幀成像和幀轉(zhuǎn)移成像。結(jié)合適當?shù)牟季趾筒季€，可得到具有一定放大倍數(shù)的低噪聲的CCD模擬輸出信號。
以下結(jié)合附圖詳細說明本實用新型的具體結(jié)構(gòu)，但本實用新型的結(jié)構(gòu)不限于附圖所示。

圖1是CCD周邊電路功能框圖。 圖2是TH7899M CCD器件的周邊電路圖。 圖3是TH7899M的模擬信號前置放大器電路圖。
具體實施方式圖1中，由多個RC濾波電路組成的阻容網(wǎng)絡(luò)1， CCD器件2為TH7899M，由多個電容器組成的電容網(wǎng)絡(luò)3，由射極跟隨器、隔直電容、運算放大器0PA842和限帶RC環(huán)節(jié)等順序構(gòu)成的前置放大器電路4，外部偏置電源輸入端5，外部驅(qū)動時鐘輸入端6，放大后的CCD模擬信號輸出端7。 CCD周邊電路的實施例如圖2所示，電路的核心是CCD器件TH7899M，使用其片上輸出放大器3、4作為CCD模擬輸出通道，另外2個片上輸出放大器1、2則不使用。因此，TH7899M中與片上輸出放大器1、2關(guān)聯(lián)的偏置電源輸入引腳VDD1、 VDD2、 VDR1、 VDR2、 VGL1、VGL2、 VGS1、 VGS2、 VS1、 VS2均懸空；而與片上輸出放大器3、4關(guān)聯(lián)的偏置電源輸入引腳VDD3、VDD4、VDR3、VDR4、VGL3、VGL4、VGS3、VGS4、VS3、VS4分別通過簡單的RC濾波網(wǎng)絡(luò)與相應(yīng)的偏置電源輸入端連接，VS3、 VS4接地；VEDA、 VEDB則并接后經(jīng)同一個RC濾波網(wǎng)絡(luò)與相應(yīng)的偏置電源輸入端連接；與片上輸出放大器1、2關(guān)聯(lián)的水平轉(zhuǎn)移時鐘驅(qū)動輸入引腳LB1、LB2、 LB3、 LB4、 LB5、 LB6、 Rl、 R2、 Sl、 S2均通過一個RC濾波電路接水平的高電平偏置電源；時鐘驅(qū)動輸入引腳的連接采用TH7899M說明書確定的第17種工作模式(幀轉(zhuǎn)移成像模式之一 )相同，即與片上輸出放大器3、4關(guān)聯(lián)的水平轉(zhuǎn)移時鐘驅(qū)動輸入引腳LA1、LA3、LA5連接第一相水平時鐘HL1_A， LA2、 LA4、 LA6接第二相水平時鐘HL2_A， R3、 R4接水平復位時鐘HR34，S3、S4連接水平和阱時鐘HS34 ;CCD的垂直轉(zhuǎn)移時鐘驅(qū)動輸入引腳PA1、 PB1、 TA連接垂直時鐘VMA， PA2、 PB2連接垂直時鐘VMD， PA3、 PB3連接垂直時鐘VMC， PA4、 PB4連接垂直時鐘VMB， PC1、PD1連接垂直時鐘VPA， PC2、PD2連接垂直時鐘VPD， PC3、PD3連接垂直時鐘VPC， PC4、PD4連接垂直時鐘VPB， TB通過一個RC濾波電路連接垂直的低電平偏置電源；與片上輸出放大器1、2關(guān)聯(lián)的輸出引腳V0S1、 V0S2懸空，與片上輸出放大器3、4關(guān)聯(lián)的輸出引腳V0S3、V0S4則連接其后的前置放大電路；其余引腳接地。引入的水平、垂直時鐘都對地連接有一個小電容，用于調(diào)節(jié)時鐘的上升沿和下降沿。 通過對比TH7899M的說明書可知，該子電路中驅(qū)動時鐘輸入引腳的連接方式，同時滿足TH7899M的第14種工作模式(全幀成像模式之一 )，因此，可以很方便地使TH7899M同時兼?zhèn)淙珟上窈蛶D(zhuǎn)移成像運行的條件，所以這種周邊電路的連接方式，同時適合于V out = 0.96.Vccdout
1 + -
為減小白噪聲的影響，使用限帶RC環(huán)節(jié)，即圖中R6和C61,
TH7899M的全幀成像和幀轉(zhuǎn)移成像電路設(shè)計。 圖2所示CCD周邊電路中電阻、電容的選取每一個RC濾波電路環(huán)節(jié)的電阻器電阻值應(yīng)根據(jù)CCD工作時該引腳的電流值確定，而電容器的電容值則應(yīng)根據(jù)工作頻率確定。例如對于接VDD3、 VDD4的電阻，由于這2個引腳的電流可達lOmA，故電阻值可取100 Q或更小一點，對工作在中高讀出頻率的電路，電容可選為O. luF。與水平、垂直驅(qū)動時鐘信號相連接的電容，可根據(jù)實際調(diào)試情況決定，例如當某個時鐘的上升沿或下降沿寬度(時間)窄時，加大該時鐘所連接的電容，延長電平轉(zhuǎn)換的過渡過程。 前置放大電路的實施例如圖3所示，該電路的輸入就是CCD輸出信號Vccdout，首先進入由R3、 R4、 R9和Ql組成的射極跟隨器。由于射極跟隨器的放大倍數(shù)約為0. 96 (略小于1)，信號幅度會稍稍減小，但使用射極跟隨器作為CCD信號的緩沖器，有利于CCD信號的提取并對CCD片上輸出放大器起到保護作用。射極跟隨器后連接隔直電容C11，可去除Vccdout中的直流成份，以便后級同相放大器進行模擬信號的放大。前置放大電路的末級是由集成運算放大器0PA842和電阻Rll、 R16連接成的標準同相放大器。該放大器放大后的模擬信號經(jīng)電阻R6、電容C61、射頻同軸連接器J1和屏蔽線輸出到后續(xù)的模擬信號處理電路中。通過前置放大電路后的模擬輸出信號V_out與關(guān)系Vccdout大致為
Rll、_ i, 由于CCD器件使用兩路模擬圖像信號輸出V0S3、 V0S4，所以實施時必須有兩個前置放大電路。每個前置放大器電路中主要的器件選擇如下 射極跟隨器中三極管和電阻的選取TH7899M的模擬信號輸出端可看作一個具有10.5V直流并疊加了交變模擬圖像信號(小信號)后串聯(lián)一個約230Q電阻的實際信號源。對于其后接的射極跟隨器，輸入電阻一般應(yīng)大于10kQ ，電壓放大倍數(shù)在O. 95至0. 97之間；三極管Ql應(yīng)具有良好的中高頻率電流放大能力，其電流放大倍數(shù)應(yīng)在300至400之間，小信號輸入阻抗在10kQ左右。由此可以推算出圖3中R9應(yīng)在500Q至800 Q之間為宜，R4在R9的五分之一附近取值，R3在R4的五分之一附近取值。 圖3中，隔直電容Cll的大小根據(jù)CCD讀出頻率決定，通?？蛇xluF或0.1uF。 R10是射極跟隨器的交流負載電阻，一般取值為10kQ 。
R11經(jīng)過同相放大器(見圖3)的模擬圖像信號被放大了l + ^7倍。這里反饋電阻Rll
和增益電阻R16應(yīng)根據(jù)CCD交變模擬圖像信號的最大幅值、射極跟隨器的放大倍數(shù)和后續(xù)模擬信號處理電路的最大輸入信號幅值共同決定。 在此前置放大電路中，當沒有0PA842的情況下，集成運算放大器可用0PA642替代。[0023] 限帶RC環(huán)節(jié)中阻容參數(shù)的確定由于射頻同軸連接器Jl接屏蔽線，圖3中R6是就選為屏蔽線的端接電阻，其電阻值由所用的屏蔽線決定，通常是50Q或75Q，而電容C61
則由CCD讀出頻率決定的該RC環(huán)節(jié)的最大截止頻率(應(yīng)等于^ )來近似估算。 在圖2、圖3中，除CCD器件和插座之外，其它均應(yīng)選用表貼封裝的元器件。圖3中的電源濾波電路是必需的，極性電容器選用鉭電容，磁珠和電容的參考應(yīng)根據(jù)電路的工作頻率來確定。
權(quán)利要求一種天文用CCD相機的CCD周邊電路，其特征是CCD器件(2)為TH7899M，其直流電源端和其它偏置輸入端通過阻容網(wǎng)絡(luò)(1)與外部輸入電源(5)相連接，其垂直、水平時鐘輸入端通過電容網(wǎng)絡(luò)(3)與外部輸入驅(qū)動時鐘(6)相連接，其模擬信號輸出端后連接前置放大電路(4)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的天文用CCD相機的CCD周邊電路，其特征是與TH7899M的 第1、2輸出放大器相關(guān)的各偏置及電源輸入端懸空、第1、2輸出放大器的CCD模擬信號輸 出端也懸空；與TH7899M的第3、4輸出放大器相關(guān)的各偏置和電源輸入端均通過一個RC濾 波電路連接相應(yīng)的外部偏置電源。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的天文用CCD相機的CCD周邊電路，其特征是水平、垂直時鐘 按TH7899M規(guī)定的第17種工作模式，與接入CCD的時鐘輸入引腳相接，且外部輸入的水平、 垂直驅(qū)動時鐘都對地接有一個電容。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的天文用CCD相機的CCD周邊電路，其特征是所述的前置放 大電路(4)由射極跟隨器、隔直電容、運算放大器0PA842構(gòu)成的同相放大器和限帶RC環(huán)節(jié) 順序連接構(gòu)成。
專利摘要本實用新型公開了一種雙通道讀出的天文用CCD相機的CCD周邊電路，它由CCD周邊的阻容網(wǎng)絡(luò)和輸出模擬信號前置放大電路組成，其中CCD器件為TH7899M，阻容網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成CCD直流偏置電源的RC濾波電路，驅(qū)動時鐘的接入采用電容網(wǎng)絡(luò)。本實用新型所公開的CCD周邊電路的結(jié)構(gòu)和器件的選取原則，也可用于其它中高速讀出的CCD器件及其周邊電路的設(shè)計之中，整個電路簡單實用，同時適合于全幀成像和幀轉(zhuǎn)移成像。結(jié)合適當?shù)牟季趾筒季€，可得到具有一定放大倍數(shù)的低噪聲的CCD模擬輸出信號。
文檔編號H04N5/335GK201533353SQ200920111659
公開日2010年7月21日 申請日期2009年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月14日
發(fā)明者宋謙, 李彬華, 李漢青, 王春榮 申請人:昆明理工大學