EMCCD ( E lectr on Mult iply ing Charg e Co upLEDDevice) 是新一代高質量微光成像器件。與傳統CCD( Charg e Coupled Device) 相比， 它采用了片上電子增益技術， 利用片上增益寄存器使圖像信息在電子轉移過程中得到放大， 這使得它在很高的讀出速率下仍具有相對很低的讀出噪聲， 能在微光源下高分辨力成像。

　　EMCCD的這些特性使其在航天微光目標探測、微光生命科學成像、軍用高性能夜視探測等領域具有極大的應用潛力。EMCCD 驅動電路是EMCCD 應用的核心技術， 其性能直接影響到成像質量。目前常用的時序產生方法有以下幾種：

　　( 1) 直接數字電路驅動法。這種方法原理簡單， 容易實現。但是邏輯設計較復雜， 調試非常困難， 而且在實際電路中因使用芯片較多， 為整個系統帶來不可靠性。

　　( 2) MCU 驅動法。該方法是通過編程MCU 的I/ O端口來獲得CCD 驅動脈沖信號的。這種方法的靈活性好， 精度也可以很高， 對不同的CCD 器件只需要修改程序即可。由于CCD 的驅動頻率為MHz 級， 使得選用MCU 器件的工作頻率必須很高( 提高了硬件成本) , 同時因頻繁的中斷和任務調度使MCU 效率很低。

　　( 3) EPROM 驅動法。這種驅動電路一般由晶體震蕩器、計數電路和EPROM 存儲器構成。這種驅動時序產生方法， 結構簡單、明確， 調試容易， 缺點是結構尺寸太大， 對于實現復雜的驅動時序有較大困難。

　　( 4) 專用IC 驅動方法。這種方法就是利用CCD專用IC 來產生時序， 集成度高， 功能強， 使用方便。對攝像機等視頻領域應用的CCD 或三元彩色CCD, 這種驅動方法是首選。一般由相應的CCD 廠家提供。

　　另一種更有效的方法就是使用CPLD, FPGA 等大規模可編程邏輯器件實現。通過對該邏輯器件的編程，能實現任意復雜的時序邏輯， 且調試方便， 只使用一片集成電路以及少數外圍器件， 故可靠性高。本文即采用這種方法， 實現了CCD97 所需的12 路驅動時序。

　　1 CCD97 簡介

　　CCD97 是E2V 公司的背照式低照度CCD 圖像傳感器， 有效像素512 × 512, 像素大小16 μm × 16 μm, 它是幀轉移型CCD, 芯片采用反向輸出模式抑制暗電流，其靈敏度高， 噪聲控制方面精益求精， 由于采用新的輸出放大電路， 使它能在11 MHz 的像素讀出速率下， 以低于1 電子/ 像素的超低噪聲工作， 其量子效率高達92. 5%。它獲取圖像速度快， 具有正常CCD 和EMCCD雙讀出模式。在微光成像系統中更具有優越性， 能實現真正意義上的24 h 實時監控。

　　2 驅動電路的設計

　　2. 1 CCD97 驅動電路的要求

　　成像區向存儲區的轉移波形如圖1 所示。

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　　圖1 成像區向存儲區的轉移波形

　　信號電荷在增益寄存器中的轉移波形如圖2 所示。

　　圖2 為信號電荷在增益寄存器中的轉移波形， 轉移脈沖RΦ2HV 的高電平必須先于RΦ1 和RΦ2 到達， 同時RΦ1 和RΦ2 需要交替變化。

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　　圖2 增益寄存器信號電荷轉移時序相位關系

　　幀轉移時序如下：

　　IΦ 與SΦ 為幀轉移脈沖， RΦ1, 2, 3 為行轉移脈沖。IΦ 與SΦ 的典型工作頻率為1 MHz, R Φ 的工作頻率為11 MHz。

　　在I 1, 2 和I 3, 4 反向時序下， 將成像區圖像信號逐行轉移至存儲區。需要轉移的行數為512+ 8+ 8= 528。

　　行轉移時序圖：

　　與幀轉移結束， 在轉移時序R 1, 2, 3 以及R HV的時序作用下， 存儲區的圖像以行為單位進行轉移， 逐像素通過移位寄存器組， 然后從讀出放大器讀出( EMCCD讀出模式) , 其操作時序如圖3 所示。

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　　圖3行轉移時序圖

　　CCD97 所需的電壓和波形如表1所示。

　　表1 CCD97 時序信號的電壓需求

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　　由CPLD, FPGA 等可編程器件發生的時序邏輯冒充為TT L 型， 要想它能驅動CCD97 工作， 必須按照表1進行電平轉換。