多CCD图像传感器同步电路

    CCD（ChargeCoupledDevice）图象传感器具有较高的空间分辨率，较高的光电灵敏度和较大的动态范围，在辐射成象，特别是医学成象领域已形成研究与开发的热点。在一些特定的应用场合，如采用多个CCD来传感同一幅闪光图象，需要将各个CCD同步起来，以保证各个CCD产生的视频信号的一致性，从而提供了多个CCD的图象信号进行拼接的可能性。本文主要介绍多CCD图像传感器同步电路的两种实现方案。 

    电路的设计思想是以一个CCD的视频输出信号为基准源，作为其余CCD传感器的外同步信号，使各个CCD同步工作，捕捉同一时刻的图像，如图1所示。将1#CCD图像传感器的视频输出信号连接到多CCD图像传感器同步电路的输入端，经过视频分配放大器处理后（以4个CCD图像传感器为例），输出4路与输入信号完全一致的视频信号。其中3路作为2#、3#、4#CCD图像传感器的外同步信号，剩余1路直接作为1#CCD图像传感器的视频输出信号。 

2、对视频分配放大器的要求 

    多CCD图像传感器同步电路的核心是视频分配放大器。视频分配放大器的总增益为1∶1，完成1路输入多路输出的功能。它将1#CCD输出的视频信号经过放大处理后，输出多路与原输入信号完全一致的视频信号，作为其余各个CCD的外同步输入信号。 
    从电路性能上考虑，视频分配放大器应能满足以下几点要求。 
    （1）有足够的频带宽度，以保证有足够的清晰度。 
    （2）有低的输出阻抗。由于此放大器是将图像信号送到75Ω同轴电缆上，所以放大器应具有75Ω内部输出阻抗，而且要满足75Ω负载电阻所要求的输出功率，同时还能隔离各路负载间的互相影响，保证输出的各路信号之间互不干扰。 
    （3）有较大的动态范围，以满足多种视频信号的要求。 

    根据上述几点，笔者从分立元件电路和集成电路两个角度设计了同步电路的两种实现方案。 

3、直接耦合放大器的原理电路 

    分立元件电路是采用晶体管实现放大功能。用晶体管构成视频放大电路，主要问题有输入电阻低，输入电容大，电流放大系数随频率而变。针对这几点，放大器的设计是采用NPN管与PNP管组成并联调节的单端推挽放大电路，它可以得到约2.5倍的输出，失真又小，非常适用于75Ω线路放大电路。与通常视频分配放大器不同的是，本设计是先对输入信号进行能量等分分配，再分别由4个放大电路进行放大，这样可以保证各路输出信号相互独立，互不影响，而且放大器的输出功率也容易满足负载电路的要求。原理电路见图2。虚框内为其中一路放大电路，虚框外的元件为多路放大电路所共用。 

    放大器的工作过程是：输入的视频信号经电容C1隔直流后，加在Q11的输入端b、e之间，经Q11放大后，将集电极电阻R12上的电压加到Q12的输入端e、b之间，经Q12放大后，以集电极电阻R16上的电压作输出。这两个晶体管都工作在共发射极放大状态，而且两级的工作点互相配合，使输出电压具有较大的变化范围。此放大电路的特点是信号失真小，放大倍数比较高，温度稳定性好，输入阻抗高，输出阻抗低。 

    R1为阻抗匹配电阻，视频信号经过电缆传输，要求视频分配放大器是一个匹配终端。C1、C13为隔断直流电容，隔断放大器的输入端与信号源之间、输出端与负载之间的直流通道，保证放大器的静态工作点不因输入、输出的连接而发生变化。R2、R3、R12、R13和Q11构成分压式电流负反馈偏置电路，其特点是既能提供合适的偏流，又能稳定静态工作点。R2、R3、R12、R13为偏置电阻，将Q11的发射极置于正偏，集电极置于反偏，使其处于线性放大区工作。R2、R3构成串联分压电路，其电流，同时R2与R3的分压关系固定了 Q11的基极电位，满足工作点稳定的条件。R13是用来实现电流负反馈的电阻。如果Q11的集电极电流IC随温度的升高而增大，则在集电极电流IC增大的同时，Q11的发射极电流IE在反馈电阻R13上产生的压降UE将增大，这将使发射极的电位UE上升，由于基极电位Ub不变，所以加在基极－发射极之间的电压UBE随之减小，从而引起基极电流IB减小，引起集电极电流IC的减小，使工作点趋向原来位置，达到稳定Q11工作点的目的。 

    Q11选用NPN管，Q12选用PNP管，构成互补式直接耦合电路。因为在直接耦合放大电路中，第二级的基极电压也就是第一级的集电极电压，如果采用同类型（例如NPN型）晶体管，则各级管子的集电极电位逐步升高，会限制放大级。而在前后级配合使用NPN和PNP管，可以把后级的集电极电位降下来。 
  
    R12、R16为Q12的偏置电阻，将Q12的发射极置于正偏，集电极置于反偏，使其处于线性放大区工作。R14、R15为反馈电阻，与R13一起构成两级电压串联负反馈网络。这种电路的闭环放大倍数Af只取决于反馈电阻（R14＋R15）与R13的比值，倍，而与晶体管无关，所以电路的静态工作点稳定。而且可以稳定输出信号电压，使得放大器的输出电阻减小，驱动能力提高，放大倍数稳定。在输入端由于反馈信号串联连接，提高了放大器的输入阻抗。实现以下几种功能。 
    （1）提高增益的稳定性。在放大器的使用过程中，经常由于电源电压波动，温度与负载变化等因素，使放大器的增益发生变化，影响了工作性能的稳定。如果采用负反馈，就可以使放大器的增益变化相对减小。 
    （2）减小频率失真和非线性失真。本反馈网络是用纯电阻元件构成的，所以放大器的增益基本与频率无关。 
    （3）扩展通频带。由于放大电路中晶体管结电容的存在，在低频段和高频段放大倍数都要下降。引入负反馈可使闭环增益趋于稳定，因此闭环幅频特性的下降速率减慢。与开环幅频特性相比，闭环的下限截止频率小于开环的下限截止频率，而闭环的上限截止频率大于开环的上限截止频率，所以闭环的通频带大于开环的通频带。 
    （4）增加输入电阻。输入电阻越小，放大器从信号源索取的信号电流越大，而放大电路得到的输入电压越小，这不仅加重了信号源的负担，而且输出电压也随输入电压的减小而减小。串联负反馈削弱了使放大电路输入电压的作用，使真正加到放大电路输入端的净输入电压下降了。因此，在同样的输入电压下，输入电流将下降，也就相当于输入电阻增大了。 
    （5）减小输出电阻。当负载电阻减小，输出信号电压有下降的趋势，由于负反馈的作用，使有效的输入信号电压上升，因而使输出信号电压上升，从而保持电压不变；反之亦然。对于负载来说，负反馈的作用就相当于把放大器的输出电阻减小了。同时提高了放大器的带负载能力。 

    为了保证放大器工作更加可靠，在Q11的基极和Q12的集电极分别串接了阻尼电阻R11和R17，以防寄生振荡。由于集电极电流较大，因而阻尼电阻R17不宜过大（一般是十几欧姆到几十欧姆），否则会使能量消耗过大。基极阻尼电阻R11也不能太大（一般是几十欧姆到几百欧姆），否则也会过多地影响频率响应。同时R17还具有匹配负载电阻的作用。 

    C11与R15组成消除自激的校正网络，将放大电路的主极点频率压低，从而破坏了自激振荡的条件。C11的容值不能过大，否则电路的高频响应将变差。 
    C12为电源去耦电容，减小电源电压的纹波。 
    为减小“零点漂移”，采用了以下几种措施。 
    （1）电路设计采用负反馈，通过把Q12晶体管的集电极电位变化反馈到Q11的发射极，来实现直流工作点的稳定。原理是：当温度改变时，假如Q12的集电极电流增加，那么反馈电压也将增加，使反馈到Q11发射极的电位也增加。由于R2、R3的分压关系固定了Q11的基极电位，所以反馈作用使Q11的基极电位与发射极的电位差减小，从而使Q11的基极电流减小，则Q11的集电极电流也相应减小，Q11的集电极电流即是Q12的基极电流，它的减小牵制了Q12集电极电流的增加，抑制了零点漂移。 
    （2）选用硅管，其Iceo数值很小，对工作点的影响不大。 
    （3）减小电源波动。选用开关稳压电源模块，并在电源输出端接消振电容，把电源电压的波动降低到允许的范围之内。 

    在设计视频放大器的PCB电路时，必须注意元件的排列。只有合理的安排，才能使电路中的寄生参数（寄生电容、引线电感）及各个参数（包括实在的集中参数及寄生参数）之间的相互影响减弱到最小的程度，从而在调试视频放大器时就可减少很多麻烦（如频率不足、寄生振荡等）。 

    为了使寄生参数减弱到最小限度，凡是处在视频电压下的元件都应尽量就近相接，并且力求尺寸愈小愈好。元件所处的位置应与金属地电位尽可能地远；元件与元件的联结应沿最短的途径；引线与引线应相互远离并不宜平行。尤其是集电极电路必须与基极电路远离，以防两者之间的寄生耦合。 

    放大器的地线最好采用比较粗的裸铜线（直径为1mm左右），并且由末级依次连接，在一点接地，避免用放大器的底盘作地线。 

4、MAX4137视频放大器 
    
    美国MAXIM公司的MAX4137是1入4出电压反馈式视频放大器，适用于高速视频分配转换系统。其增益为2V／V，－3dB带宽为 185MHz，转换速率SR为1000V／μs，输出通道的信号转换时间25ns，输出幅度2V，输出电流65mA，可驱动150Ω的负载。电源电压± 5V，输入阻抗高，容抗低。其内部电路（见图3）由1个输入放大器和4个输出放大器组成。输出选择端SEL1～SEL4（低电平有效）控制输出放大器是否输出信号。输入放大器是由同相输入运算放大器采用电压串联负反馈形式构成，当视频信号从运放的同相端加入时，在输出端产生一个较大的同相电压信号。其电压幅度为，具有高阻抗和低容抗的输入特性。输出放大器是由电压跟随器构成，实现隔离、缓冲及将高阻匹配到低阻，提高驱动能力的功能，还具有短路保护功能。 

    基本工作原理是：输入信号通过电压串联负反馈放大器放大后，平均分配到4个电压跟随器，各电压跟随器根据其对应的SEL信号电平状态来确定各输出端的输出状态。 

    MAX4137可用于视频信号的转换和分配、高分辨RGBCRT监视、高速模拟总线驱动、RF信号处理、复合视频前置放大器等领域。 

    MAX4137的外围元件少，C1～C5均起电源消振作用，R1～R5为匹配电阻。典型应用见图4。此电路调试简便，可靠性高。 

    欲获得185MHz的频带，在设计PCB板时应遵照下列几项原则。 
    （1）在PCB板禁止出现闭环线路，以减小电磁感应，所有连线尽可能短，不能采用90°拐角，选用弧形拐角。 
    （2）不使用IC插座，以减小其容抗和感抗， 
    采用表面组装元件，元件间的连接取捷径，可得到较高的频率。 
    （3）至少采用两层板，一个信号层，一个地层。 

5、结束语 

    这两种电路，笔者在实际应用中均采用过，效果十分理想。分立元件电路级联比较方便，只需将虚框内部分并联即可，可以根据CCD的数量灵活设计所需的路数。只要PCB电路设计合理，就可一举成功。集成芯片电路体积小，整个电路的占用空间为2.5cm×3cm（双面板），有效地提高了空间利用率。这两种视频分配放大器还可以应用于闭路电视监视系统，将一台摄象机的视频信号提供给多台监视器或其它设备。