面向科学级CCD控制器的通用测试系统的设计与实现

发布时间：2020-11-05 14:59

　　 随着半导体技术的高速发展,科学级CCD(Charge Couple Device)由于其具有超高的量子效率、超低的读出噪声、高分辨率以及宽光谱响应范围等优点被广泛应用于各种微弱光信号探测领域,包括天文观测,生物发光,量子光学等。尤其在天文观测中,目前国内外建设的光学天文望远镜所应用的核心成像设备均是科学级CCD相机。CCD相机由包括CCD传感器的CCD相机头和驱动CCD成像及数据读出的CCD控制器组成。CCD控制器是CCD相机的关键的部分,完成对CCD芯片的驱动和视频信号的读出,它的性能直接决定了CCD相机的成像性能。同时科学级CCD芯片价格昂贵,容易损坏,为了避免CCD造成不必要的损坏,在安装CCD前必须保证CCD控制器的功能及性能满足设计需求,同时完成对CCD控制器的质量控制。因此在研发过程中对CCD控制器进行全面测试是非常重要的环节。根据不同CCD型号的差别提出了能适应于不同CCD控制器的通用测试系统设计,通过软硬件配合可以在不安装CCD芯片的情况下实现对CCD控制器的全面的自动化测试。本文基于此需求对CCD控制器测试系统展开研究。测试系统基于现场可编程门阵列(FPGA)设计,是本文研究的重点。在测试系统中设计了测试所需的各个功能模块,包括对控制器产生的时钟信号、偏压信号、风扇信号、快门信号、数字电源进行测试,对控制器的视频采样电路、温度采样电路进行测试。在时钟测试模块中,对所有时钟的时序以及高低电平进行测试;在偏压测试模块中,对所有偏压的电压值、噪声值、上电断电顺序进行测试,并完成对偏压实时的过冲监测,避免对CCD造成损害;测试系统产生仿真CCD视频波形并根据软件设定叠加不同的随机噪声用于测试CCD控制器视频采样电路的功能及性能。本文针对不同CCD控制器的测试设计了相应的转接板,用于连接测试系统和待测试的CCD控制器。在转接板上实现了测试接口的统一,通过更换相应的转接板测试系统可以兼容对所有CCD控制器的测试。测试系统对应用于南极CSTAR(Chinese Small Telescope Array)望远镜的CCD相机控制器进行了详细的功能、性能测试以及严格的低温可靠性测试。结果表明CCD控制器的时钟产生电路、偏压产生电路、以及视频采样电路功能正常,性能达到预期,并且在低温下具有很好的稳定性,满足在南极的使用要求。本文对面向不同望远镜研发的CCD相机控制器以及CCD驱动读出ASIC(Application Specific Integrated Circuit)芯片进行了测试。通用测试系统的实现极大程度上提高了CCD控制器的测试效率,降低了CCD芯片损坏的风险,同时为后续科学级CCD控制器的研发与测试提供了诸多的便捷,为CCD控制器自动化测试奠定了基础。本文通过合理的结构设计将测试系统实现成了一台通用测试仪器设备,具有标准的测试接口以及可供用户操作的触摸显示屏。本论文的主要工作内容可归纳为以下几个部分:1.基于科学级CCD控制器的测试需求,设计完成了CCD控制器通用测试系统电子学模块,包括对CCD控制器的时钟、偏压、视频采样电路、温度采样电路、数字电源、风扇信号以及快门信号进行测试。2.针对测试系统设计了一套通信指令协议,并完成了测试系统的FPGA固件设计。3.完成了通用测试电子学系统的整体调试,并对实验室多款科学级CCD控制器以及CCD驱动读出ASIC芯片进行了详细测试,达到了测试目标。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN386.5
【部分图文】：

ＭＯＳ电容器是ＣＣＤ内部最基本的单元，它是金属一氧化物一半导体（ＭＯＳ）??器件结构。首先在Ｐ型或Ｎ型硅衬底上生长一层约１２０ｎｍ厚的二氧化硅，然后??在二氧化硅薄层上依次沉积金属电极（栅极），就形成了如图１．２所示规律的ＭＯＳ??电容器阵列。通过在ＭＯＳ电容器两端加上输入、输出二极管就形成了?ＣＣＤ芯??片。由于半导体内的光生伏特效应［２］，当光子入射时，ＭＯＳ电容器中的半导体材??料会激发出电子。当向二氧化硅表面的金属电极上施加正向偏压ＵＧ时，如果ＵＧ??大于阈值电压Ｕｔｈ，将会在硅衬底中形成耗尽区，即所谓的势阱。通过对ＵＧ进行??一定顺序的控制，可以将电荷从一个像元转移到另一个像元，直到全部电荷包转??９??

图１．２?ＣＣＤ的ＭＯＳ电容器??下面以典型的三相ＣＣＤ电荷转移过程为例进行介绍。当栅极①施加１０Ｖ的??电压时，电荷积累在其衬底下形成势阱如图１．３?（ａ）所示。随后，当栅极①和②??同时施加１０Ｖ的电压时，会在其共同的衬底中产生一个新势阱，存放着原来积??聚在栅极①势阱中的电荷，如图１．３?（ｂｅ）所示。当栅极①施加的电压从１０Ｖ变??为２Ｖ时，势阱再次发生变化同时伴随着电荷从栅极①势阱转移到栅极②势阱，??如图１．３?（ｄｅ）所示。对于三相ＣＣＤ，每一个像元都由共同的三个时钟控制，即??０１、＜＆２、０３，如图１．３?（ｆ）所示。当ＯＫ?（Ｄ２、０３进行规律的时序变换时，所??有像元内积聚的电荷都将同时转移到下一像元，最后转移到输出级依次输出。??③?①？?？?？?③??２Ｖ１０Ｖ?２Ｖ?２Ｖ?２Ｖ１０Ｖ?２－１０Ｖ２Ｖ?２Ｖ１０Ｖ１０Ｖ２Ｖ??—?义）讲??①②③?①＠③??２Ｖ１０Ｖ－＾２Ｖ１０Ｖ２Ｖ?２Ｖ?２Ｖ１０Ｖ?２Ｖ?，??９?９?９?９?叫－ｒｏｊ＾??电荷移动??（ｄ）?（ｅ）?（ｆｌ??图１．３三相ＣＣＤ中电荷的转移过程??图１．４左是ＣＣＤ片内的输出结构

／ｙ／?Ｍｏｓ电容器??入射光??图１．２?ＣＣＤ的ＭＯＳ电容器??下面以典型的三相ＣＣＤ电荷转移过程为例进行介绍。当栅极①施加１０Ｖ的??电压时，电荷积累在其衬底下形成势阱如图１．３?（ａ）所示。随后，当栅极①和②??同时施加１０Ｖ的电压时，会在其共同的衬底中产生一个新势阱，存放着原来积??聚在栅极①势阱中的电荷，如图１．３?（ｂｅ）所示。当栅极①施加的电压从１０Ｖ变??为２Ｖ时，势阱再次发生变化同时伴随着电荷从栅极①势阱转移到栅极②势阱，??如图１．３?（ｄｅ）所示。对于三相ＣＣＤ，每一个像元都由共同的三个时钟控制，即??０１、＜＆２、０３，如图１．３?（ｆ）所示。当ＯＫ?（Ｄ２、０３进行规律的时序变换时，所??有像元内积聚的电荷都将同时转移到下一像元，最后转移到输出级依次输出。??③?①？?？?？?③??２Ｖ１０Ｖ?２Ｖ?２Ｖ?２Ｖ１０Ｖ?２－１０Ｖ２Ｖ?２Ｖ１０Ｖ１０Ｖ２Ｖ??—?义）讲??①②③?①＠③??２Ｖ１０Ｖ－＾２Ｖ１０Ｖ２Ｖ?２Ｖ?２Ｖ１０Ｖ?２Ｖ?
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本文编号：2871797