高速CCD成像電路抗串擾技術(shù)

薛旭成，李洪法，郭永飛

(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033)

1 引言

電荷耦合器件(CCD)由于具有低噪聲、寬動態(tài)范圍以及線性響應等優(yōu)點，在成像領(lǐng)域獲得了廣泛的應用。使用CCD成像系統(tǒng)時，需要成像電路的支持。成像電路主要包括CCD時序產(chǎn)生及驅(qū)動電路、CCD視頻信號放大電路、CCD視頻信號相關(guān)雙采樣電路以及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路等。其中CCD驅(qū)動電路驅(qū)動電容性負載，會導致瞬態(tài)大電流的產(chǎn)生，而此電流會成為一種干擾源。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成像電路是一個復雜的模數(shù)信號混合電路系統(tǒng)。如果設(shè)計中不采取抗串擾技術(shù)，CCD驅(qū)動信號和數(shù)字電路信號會對CCD視頻模擬信號產(chǎn)生串擾，在高速情況下這種串擾會更加嚴重。此外，為了實現(xiàn)高速成像，CCD往往采用多個視頻抽頭并行輸出技術(shù)，每個抽頭都需要相應的處理電路，這樣成像電路又是一個多通道并行處理系統(tǒng)，這些通道間也會產(chǎn)生相互串擾。串擾的產(chǎn)生主要是由于印刷電路板(Print Circuit Board，PCB)的設(shè)計不合理，這種現(xiàn)象在調(diào)試階段才會發(fā)現(xiàn)，此時PCB已經(jīng)加工完成，難以修改，重新設(shè)計又會增加產(chǎn)品的成本，使產(chǎn)品不能按期完成，因此，在設(shè)計階段就要對串擾現(xiàn)象進行研究，并采取有效措施防止串擾的產(chǎn)生。

國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)人員對串擾問題已經(jīng)進行了大量的研究。如，哈勃望遠鏡上WF/PC I相機出現(xiàn)的串擾問題，其等效噪聲電子數(shù)達100e-。為了解決它的定位，花費了近一年的時間。最后，是在采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換時采用集總參數(shù)電路的方法禁止時鐘并屏蔽復位信號及視頻信號線來降低串擾［1］。文獻［2-4］對信號在PCB中的傳輸進行了分析建模，解決了信號完整性問題。文獻［5-6］分析了傳輸線間相互串擾的傳輸線模型。文獻［7］則采用信號處理的方法識別串擾信號的頻率。本文應用相鄰走線的傳輸線模型和電源接地的開關(guān)噪聲模型具體分析了CCD成像系統(tǒng)的串擾，并研究了相應的抗串擾技術(shù)。

2 CCD成像電路串擾模型

為了解決串擾問題，需要研究串擾產(chǎn)生的原因。如果PCB上的走線是理想的導線，那么電路就不會發(fā)生串擾。理想的導線包含兩方面內(nèi)容：一是指信號在導線上的傳輸不需要時間;二是指導線的電阻、電感以及電容都是零。信號在導線上的傳輸不需要時間表明導線上的各點電壓在同一時刻是相同的，也就是說導線可以認為是一點，這是基爾霍夫電路理論的假設(shè)。由于導線的各點電壓相同，因此，電路理論中信號只是時間的函數(shù)而不是空間的函數(shù)。實際上由麥克斯韋方程組描述的電磁理論才是準確的物理定律?；鶢柣舴螂娐防碚撚捎诤雎粤诵盘栯S空間的變化，因此只是低頻近似理論。當電路工作頻率提高時，信號就會出現(xiàn)反射等現(xiàn)象，此時需要用基于電磁理論的傳輸線理論來進行分析。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走線非理想導致的電阻、電感和電容現(xiàn)象稱為寄生現(xiàn)象。寄生現(xiàn)象導致了信號線被其他走線通過互容和互感方式進行干擾，信號反射等現(xiàn)象則進一步使串擾加重。此外，電路間共用電源和地線也會導致由公共阻抗產(chǎn)生的串擾。

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視頻信號走線、CCD驅(qū)動走線、數(shù)字電路走線等。不管這些走線是什么類型，當靠近信號走線時，都有可能對信號走線構(gòu)成干擾。這時串擾的模型可以看成是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，而離源端最遠的一端為遠端，如圖1所示。

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

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

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

式中：Cm表示干擾信號上升沿在走線中延伸長度對應的總電容，V表示干擾信號電壓，Δx表示干擾信號上升沿在走線中延伸的長度，tr表示干擾信號上升沿時間，v表示干擾信號的傳播速度。通過互感產(chǎn)生的干擾電壓為：

式中：Lm表示干擾信號上升沿在走線中延伸長度對應的總電感，I表示干擾信號電流。干擾信號的傳播速度為：

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

通過互容產(chǎn)生的干擾電流流到遠端的大小為：

《水利工程代碼編制規(guī)范》（SL 213—2012）在原有標準《水利工程基礎(chǔ)信息代碼編制規(guī)定》（SL 213—98）基礎(chǔ)上，進行了幾方面修訂：一是將標準名稱由“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碼；修改了湖泊代碼的編碼規(guī)則；修改了水文測站代碼的編碼規(guī)則；修改了穿堤建筑物的編碼規(guī)則；將墑情測站代碼、地下水觀測井站代碼歸入水文測站代碼；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為干擾走線總長度。通過互感產(chǎn)生的干擾電壓在近端大小為：

通過互感產(chǎn)生的干擾電壓在遠端大小為：

由式(3)，(4)，(6)可得近端串擾系數(shù)為：

同樣由式(3)，(5)，(7)可得遠端串擾系數(shù)為：

下面分析電源和地線對串擾的影響。由于電源和地線不是理想的導線，因此，會通過電源和地線的公共阻抗產(chǎn)生串擾。圖3為電源和接地的開關(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。當通道1電路中有變化的電流dI/dt時，就會導致A點電壓的波動：

圖3 電源接地的開關(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)生串擾。同樣B點也會產(chǎn)生電壓波動，從而產(chǎn)生串擾。

3 CCD成像電路抗串擾技術(shù)

對上述串擾模型進行分析，可以得到相應的有效抗串擾措施。

3.1 特性阻抗控制和端接技術(shù)

端接方案如圖4所示?？梢栽谠炊硕私?，也可以在接收端端接。對于數(shù)字信號，為了降低功耗可以只在源端端接，而對于模擬信號，則在源端和接收端都進行端接，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端串擾。

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，奇模則傳輸反相位的信號。偶模的單位長度傳輸延時為：

奇模的單位長度傳輸延時則為：

而信號單位長度傳輸延時可表示為：

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相同，得到：

即：

根據(jù)式(9)可得遠端串擾系數(shù)為零。實際上，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端噪聲。為此，可以在帶狀線間加入接地走線形成防護走線，進一步降低串擾。對于CCD視頻信號，采用帶狀線并使用防護布線進行隔離將大幅度降低串擾。

3.3 電源隔離及去耦技術(shù)

CCD視頻信號串擾的另外一個原因是共用電源，為此，需對多通道電源供電進行隔離設(shè)計。如圖6所示，每個通道的電源入口都采用去耦濾波設(shè)計。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)，具體實現(xiàn)時還要使用多個電容并聯(lián)以減少寄生電感。

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

如圖7所示，采用多個過孔連接方法對去耦電容布線［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)字電路對模擬電路造成干擾，應對模擬電路和數(shù)字電路進行分區(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，當它跨越分割的地平面時，返回電流要按照最低電感的路徑返回，如虛線所示。這樣返回路徑和沒有分割地平面相比電感大了很多，因此，會造成地平面電壓的波動，形成地彈，從而影響信號。

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

4 實驗結(jié)果

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

圖9 存在串擾的成像電路PCB及串擾圖像Fig.9 PCB of crosstalk imaging circuit and crosstalk image

采用上述抗串擾技術(shù)對該CCD成像電路進行了重新設(shè)計，視頻信號走線采用具有防護走線的帶狀線。對新的成像電路進行了PCB走線特性阻抗的控制和端接，電源進行了隔離設(shè)計，采用統(tǒng)一的地平面。圖10(a)為新的成像電路的成像圖像，可以看出串擾已經(jīng)消除。圖10(b)為測試通道隔離度的串擾圖像。實驗中把一個通道的視頻輸入接地并設(shè)置偏置，研究另外一個圖像通道對其的影響。由于輸入接地的通道沒有串擾產(chǎn)生，圖像為10 bit，因此，通道隔離度大于60 dB。

圖10 新系統(tǒng)的成像及串擾測試圖像Fig.10 Imaging of new system and crosstalk test image

5 結(jié)論

CCD成像電路系統(tǒng)是個多通道并行處理模數(shù)混合信號系統(tǒng)。由于電路工作頻率高，如果在設(shè)計中對抗串擾措施不給予充分重視，信號通道間極易發(fā)生串擾現(xiàn)象，且驅(qū)動信號和數(shù)字信號也會干擾模擬信號，從而使圖像質(zhì)量下降。本文通過對串擾機理的分析，給出了有效的抗串擾措施，所有的模擬和數(shù)字信號線都采用特性阻抗控制技術(shù)和端接技術(shù)，避免了信號自身的反射對信號質(zhì)量的影響。對多通道的CCD視頻信號采用帶狀線而非微帶線并使用防護布線進行隔離。對多通道的電源供電進行了隔離設(shè)計，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擾。采用統(tǒng)一的地平面對模擬電路和數(shù)字電路進行分區(qū)布局，避免了地彈對信號的影響。采取上述技術(shù)，避免了串擾的發(fā)生，通道隔離度大于60 dB，保證了圖像的質(zhì)量。

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