高集成度模块化CCD成像系统关键技术研究

doi:2F90105600662AE1CCDF07C2D385885B

	高集成度模块化CCD成像系统关键技术研究
	孙振亚
学位类型	博士
导师	方伟 ; 刘栋斌
	2019-06-01
学位授予单位	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位授予地点	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
关键词	TDI CCD 高集成度厚膜 ASIC 模块化成像系统
摘要	随着光学遥感卫星的分辨率的提升,成像电子学的复杂程度和技术难度也不断增加,很多新的问题随之产生,如探测器高速驱动、多通道视频信号传输、通道间的串扰影响,高速低噪声的信号处理和数字量化、焦平面热控、体积、功耗等等。因此,有必要采用非常规技术解决以上问题,实现高集成度模块化探测器成像系统。本文基于厚膜集成技术和ASIC(专用集成电路,Application Specific Integrated Circuit,)集成技术,研究了高集成度模块化CCD(电荷耦合器件,Charge-coupled Device)成像系统。传统成像系统受限于离散电子元器件的应用种类固定,占用空间大,散热处理复杂,而厚膜集成电路可以较好的解决这些问题。厚膜集成电路一般都是将芯片的管芯直接焊在基板上,并且可以在基板上直接制作电阻。因为管芯为成品电路,所以其有产品性能可靠、制造容易、周期短、集成度高等优点。所以厚膜集成电路在航天、海洋监测、地面观测等多个领域得到了广泛的应用。虽然其集成度相对于离散器件较高,但是远低于ASIC电路。受限于成像电子学空间的限制以及特殊电路的需求,ASIC技术可以最大规模的对这些特定功能的电路进行集成,但是ASIC技术存在着设计难度高,周期长,一次成品率低,成本高等缺点。本论文主要工作内容如下:(1)结合TDI(时间延迟积分,Time Delay Integration)CCD驱动负载值与频率要求对驱动信号指标进行了分析,并由此给出驱动电路指标的具体要求并对驱动电路进行了仿真验证,重点研究了二极管钳位偏置电压的驱动方式。根据驱动电路与和TDI CCD电源电压参数对线性稳压电源进行了分析研究。(2)根据TDI CCD输出信号参数推导了AFE(模拟前端,Analog Front End)技术指标,研究了模拟前端电路。为了实现采样速度、转换精度的折中,采用了技术成熟、可靠的流水线ADC架构。该ADC可以实现高速率高精度采样、转换。详细分析了非理想因素对ADC参数的影响,流水线ADC的设计方法与步骤。该ADC采用了新颖的相关双采样电路结构,提高了运算放大器的增益,减小了增益误差,同时降低了功耗。(3)基于厚膜技术和ASIC技术,对高集成度模块化CCD成像系统的关键技术进行了研究。采用传统的通用芯片及PCB钢柔板,CCD输出图像信号通过三极管射极跟随器增强输出信号强度传送给双通道并行AFE芯片对CCD模拟输出信号进行数字量化,再传给现场可编程门阵列芯片缓存和整合处理,通过高速LVDS(低电压差分信号,Low-Voltage Differential Signaling)输出芯片传输给数据采集卡并在计算机上成像。该成像系统中所有的驱动信号和处理时序都是通过现场可编程门阵列产生的,计算机可以通过RS422通信总线对成像系统进行控制和部分参数更改。基于厚膜集成电路技术,研究了系统中的驱动电路和CCD二次电源电路,提高了系统的集成度。针对集成、整合的原理相机进行了性能测试。实验结果表明:整个系统基于多芯片组件厚膜技术,驱动电路PCB(印制电路板,Printed Circuit Board)电路板减少了2/3的面积,同时采用了机电热一体化的设计,实现了相机的高密度组装。该系统总数据输出速度达到3.6Gbps,饱和输出图像信噪比52.6dB。厚膜技术和ASIC技术使得整个系统小型化、模块化,易于机电热一体化设计,为高分辨率空间遥感相机的成像电子学系统提供了参考。
页数	125
DOI	2F90105600662AE1CCDF07C2D385885B
语种	中文
引用统计
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/63878
专题	中科院长春光机所知识产出
推荐引用方式 GB/T 7714	孙振亚. 高集成度模块化CCD成像系统关键技术研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2019.

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