1、多CCD圖像同步獲取系統(tǒng) CCD（ChargeCoupledDevice）圖象傳感器具有較高的空間分辨率，較高的光電靈敏度和較大的動(dòng)態(tài)范圍，在輻射成象，特別是醫(yī)學(xué)成象領(lǐng)域已形成研究與開發(fā)的熱點(diǎn)。在一些特定的應(yīng)用場(chǎng)合，如采用多個(gè)CCD來傳感同一幅閃光圖象，需要將各個(gè)CCD同步起來，以保證各個(gè)CCD產(chǎn)生的視頻信號(hào)的一致性，從而提供了多個(gè)CCD的圖象信號(hào)進(jìn)行拼接的可能性。本文主要介紹多CCD圖像傳感器同步電路的兩種實(shí)現(xiàn)方案。 電路的設(shè)計(jì)思想是以一個(gè)CCD的視頻輸出信號(hào)為基準(zhǔn)源，作為其余CCD傳感器的外同步信號(hào)，使各個(gè)CCD同步工作，捕捉同一時(shí)刻的圖像，如圖1所示。將1#CCD圖像傳感器的視頻輸出信號(hào)連接到多CCD圖像傳感器同步電路的輸入端，經(jīng)過視頻分配放大器處理后（以4個(gè)CCD圖像傳感器為例），輸出4路與輸入信號(hào)完全一致的視頻信號(hào)。其中3路作為2#、3#、4#CCD圖像傳感器的外同步信號(hào)，剩余1路直接作為1#CCD圖像傳感器的視頻輸出信號(hào)。 2、對(duì)視頻分配放大器的要求 多CCD圖像傳感器同步電路的核心是視頻分配放大器。視頻分配放大器的總增益為1∶1，完成1路輸入多路輸出的功能。它將1#CCD輸出的視頻信號(hào)經(jīng)過放大處理后，輸出多路與原輸入信號(hào)完全一致的視頻信號(hào)，作為其余各個(gè)CCD的外同步輸入信號(hào)。 從電路性能上考慮，視頻分配放大器應(yīng)能滿足以下幾點(diǎn)要求。 （1）有足夠的頻帶寬度，以保證有足夠的清晰度。 （2）有低的輸出阻抗。由于此放大器是將圖像信號(hào)送到75Ω同軸電纜上，所以放大器應(yīng)具有75Ω內(nèi)部輸出阻抗，而且要滿足75Ω負(fù)載電阻所要求的輸出功率，同時(shí)還能隔離各路負(fù)載間的互相影響，保證輸出的各路信號(hào)之間互不干擾。 （3）有較大的動(dòng)態(tài)范圍，以滿足多種視頻信號(hào)的要求。 根據(jù)上述幾點(diǎn)，筆者從分立元件電路和集成電路兩個(gè)角度設(shè)計(jì)了同步電路的兩種實(shí)現(xiàn)方案。 3、直接耦合放大器的原理電路 分立元件電路是采用晶體管實(shí)現(xiàn)放大功能。用晶體管構(gòu)成視頻放大電路，主要問題有輸入電阻低，輸入電容大，電流放大系數(shù)隨頻率而變。針對(duì)這幾點(diǎn)，放大器的設(shè)計(jì)是采用NPN管與PNP管組成并聯(lián)調(diào)節(jié)的單端推挽放大電路，它可以得到約2.5倍的輸出，失真又小，非常適用于75Ω線路放大電路。與通常視頻分配放大器不同的是，本設(shè)計(jì)是先對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行能量等分分配，再分別由4個(gè)放大電路進(jìn)行放大，這樣可以保證各路輸出信號(hào)相互獨(dú)立，互不影響，而且放大器的輸出功率也容易滿足負(fù)載電路的要求。原理電路見圖2。虛框內(nèi)為其中一路放大電路，虛框外的元件為多路放大電路所共用。 放大器的工作過程是：輸入的視頻信號(hào)經(jīng)電容C1隔直流后，加在Q11的輸入端b、e之間，經(jīng)Q11放大后，將集電極電阻R12上的電壓加到Q12的輸入端e、b之間，經(jīng)Q12放大后，以集電極電阻R16上的電壓作輸出。這兩個(gè)晶體管都工作在共發(fā)射極放大狀態(tài)，而且兩級(jí)的工作點(diǎn)互相配合，使輸出電壓具有較大的變化范圍。此放大電路的特點(diǎn)是信號(hào)失真小，放大倍數(shù)比較高，溫度穩(wěn)定性好，輸入阻抗高，輸出阻抗低。 R1為阻抗匹配電阻，視頻信號(hào)經(jīng)過電纜傳輸，要求視頻分配放大器是一個(gè)匹配終端。C1、C13為隔斷直流電容，隔斷放大器的輸入端與信號(hào)源之間、輸出端與負(fù)載之間的直流通道，保證放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)不因輸入、輸出的連接而發(fā)生變化。R2、R3、R12、R13和Q11構(gòu)成分壓式電流負(fù)反饋偏置電路，其特點(diǎn)是既能提供合適的偏流，又能穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)。R2、R3、R12、R13為偏置電阻，將Q11的發(fā)射極置于正偏，集電極置于反偏，使其處于線性放大區(qū)工作。R2、R3構(gòu)成串聯(lián)分壓電路，其電流，同時(shí)R2與R3的分壓關(guān)系固定了 Q11的基極電位，滿足工作點(diǎn)穩(wěn)定的條件。R13是用來實(shí)現(xiàn)電流負(fù)反饋的電阻。如果Q11的集電極電流IC隨溫度的升高而增大，則在集電極電流IC增大的同時(shí)，Q11的發(fā)射極電流IE在反饋電阻R13上產(chǎn)生的壓降UE將增大，這將使發(fā)射極的電位UE上升，由于基極電位Ub不變，所以加在基極－發(fā)射極之間的電壓UBE隨之減小，從而引起基極電流IB減小，引起集電極電流IC的減小，使工作點(diǎn)趨向原來位置，達(dá)到穩(wěn)定Q11工作點(diǎn)的目的。 Q11選用NPN管，Q12選用PNP管，構(gòu)成互補(bǔ)式直接耦合電路。因?yàn)樵谥苯玉詈戏糯箅娐分?，第二?jí)的基極電壓也就是第一級(jí)的集電極電壓，如果采用同類型（例如NPN型）晶體管，則各級(jí)管子的集電極電位逐步升高，會(huì)限制放大級(jí)。而在前后級(jí)配合使用NPN和PNP管，可以把后級(jí)的集電極電位降下來。 R12、R16為Q12的偏置電阻，將Q12的發(fā)射極置于正偏，集電極置于反偏，使其處于線性放大區(qū)工作。R14、R15為反饋電阻，與R13一起構(gòu)成兩級(jí)電壓串聯(lián)負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)。這種電路的閉環(huán)放大倍數(shù)Af只取決于反饋電阻（R14＋R15）與R13的比值，倍，而與晶體管無關(guān)，所以電路的靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定。而且可以穩(wěn)定輸出信號(hào)電壓，使得放大器的輸出電阻減小，驅(qū)動(dòng)能力提高，放大倍數(shù)穩(wěn)定。在輸入端由于反饋信號(hào)串聯(lián)連接，提高了放大器的輸入阻抗。實(shí)現(xiàn)以下幾種功能。 （1）提高增益的穩(wěn)定性。在放大器的使用過程中，經(jīng)常由于電源電壓波動(dòng)，溫度與負(fù)載變化等因素，使放大器的增益發(fā)生變化，影響了工作性能的穩(wěn)定。如果采用負(fù)反饋，就可以使放大器的增益變化相對(duì)減小。 （2）減小頻率失真和非線性失真。本反饋網(wǎng)絡(luò)是用純電阻元件構(gòu)成的，所以放大器的增益基本與頻率無關(guān)。 （3）擴(kuò)展通頻帶。由于放大電路中晶體管結(jié)電容的存在，在低頻段和高頻段放大倍數(shù)都要下降。引入負(fù)反饋可使閉環(huán)增益趨于穩(wěn)定，因此閉環(huán)幅頻特性的下降速率減慢。與開環(huán)幅頻特性相比，閉環(huán)的下限截止頻率小于開環(huán)的下限截止頻率，而閉環(huán)的上限截止頻率大于開環(huán)的上限截止頻率，所以閉環(huán)的通頻帶大于開環(huán)的通頻帶。 （4）增加輸入電阻。輸入電阻越小，放大器從信號(hào)源索取的信號(hào)電流越大，而放大電路得到的輸入電壓越小，這不僅加重了信號(hào)源的負(fù)擔(dān)，而且輸出電壓也隨輸入電壓的減小而減小。串聯(lián)負(fù)反饋削弱了使放大電路輸入電壓的作用，使真正加到放大電路輸入端的凈輸入電壓下降了。因此，在同樣的輸入電壓下，輸入電流將下降，也就相當(dāng)于輸入電阻增大了。 （5）減小輸出電阻。當(dāng)負(fù)載電阻減小，輸出信號(hào)電壓有下降的趨勢(shì)，由于負(fù)反饋的作用，使有效的輸入信號(hào)電壓上升，因而使輸出信號(hào)電壓上升，從而保持電壓不變；反之亦然。對(duì)于負(fù)載來說，負(fù)反饋的作用就相當(dāng)于把放大器的輸出電阻減小了。同時(shí)提高了放大器的帶負(fù)載能力。 為了保證放大器工作更加可靠，在Q11的基極和Q12的集電極分別串接了阻尼電阻R11和R17，以防寄生振蕩。由于集電極電流較大，因而阻尼電阻R17不宜過大（一般是十幾歐姆到幾十歐姆），否則會(huì)使能量消耗過大?；鶚O阻尼電阻R11也不能太大（一般是幾十歐姆到幾百歐姆），否則也會(huì)過多地影響頻率響應(yīng)。同時(shí)R17還具有匹配負(fù)載電阻的作用。 C11與R15組成消除自激的校正網(wǎng)絡(luò)，將放大電路的主極點(diǎn)頻率壓低，從而破壞了自激振蕩的條件。C11的容值不能過大，否則電路的高頻響應(yīng)將變差。 C12為電源去耦電容，減小電源電壓的紋波。 為減小“零點(diǎn)漂移”，采用了以下幾種措施。 （1）電路設(shè)計(jì)采用負(fù)反饋，通過把Q12晶體管的集電極電位變化反饋到Q11的發(fā)射極，來實(shí)現(xiàn)直流工作點(diǎn)的穩(wěn)定。原理是：當(dāng)溫度改變時(shí)，假如Q12的集電極電流增加，那么反饋電壓也將增加，使反饋到Q11發(fā)射極的電位也增加。由于R2、R3的分壓關(guān)系固定了Q11的基極電位，所以反饋?zhàn)饔檬筈11的基極電位與發(fā)射極的電位差減小，從而使Q11的基極電流減小，則Q11的集電極電流也相應(yīng)減小，Q11的集電極電流即是Q12的基極電流，它的減小牽制了Q12集電極電流的增加，抑制了零點(diǎn)漂移。 （2）選用硅管，其Iceo數(shù)值很小，對(duì)工作點(diǎn)的影響不大。 （3）減小電源波動(dòng)。選用開關(guān)穩(wěn)壓電源模塊，并在電源輸出端接消振電容，把電源電壓的波動(dòng)降低到允許的范圍之內(nèi)。 在設(shè)計(jì)視頻放大器的PCB電路時(shí)，必須注意元件的排列。只有合理的安排，才能使電路中的寄生參數(shù)（寄生電容、引線電感）及各個(gè)參數(shù)（包括實(shí)在的集中參數(shù)及寄生參數(shù)）之間的相互影響減弱到最小的程度，從而在調(diào)試視頻放大器時(shí)就可減少很多麻煩（如頻率不足、寄生振蕩等）。 為了使寄生參數(shù)減弱到最小限度，凡是處在視頻電壓下的元件都應(yīng)盡量就近相接，并且力求尺寸愈小愈好。元件所處的位置應(yīng)與金屬地電位盡可能地遠(yuǎn)；元件與元件的聯(lián)結(jié)應(yīng)沿最短的途徑；引線與引線應(yīng)相互遠(yuǎn)離并不宜平行。尤其是集電極電路必須與基極電路遠(yuǎn)離，以防兩者之間的寄生耦合。 放大器的地線最好采用比較粗的裸銅線（直徑為1mm左右），并且由末級(jí)依次連接，在一點(diǎn)接地，避免用放大器的底盤作地線。 4、MAX4137視頻放大器 美國(guó)MAXIM公司的MAX4137是1入4出電壓反饋式視頻放大器，適用于高速視頻分配轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。其增益為2V／V，－3dB帶寬為 185MHz，轉(zhuǎn)換速率SR為1000V／μs，輸出通道的信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)間25ns，輸出幅度2V，輸出電流65mA，可驅(qū)動(dòng)150Ω的負(fù)載。電源電壓± 5V，輸入阻抗高，容抗低。其內(nèi)部電路（見圖3）由1個(gè)輸入放大器和4個(gè)輸出放大器組成。輸出選擇端SEL1～SEL4（低電平有效）控制輸出放大器是否輸出信號(hào)。輸入放大器是由同相輸入運(yùn)算放大器采用電壓串聯(lián)負(fù)反饋形式構(gòu)成，當(dāng)視頻信號(hào)從運(yùn)放的同相端加入時(shí)，在輸出端產(chǎn)生一個(gè)較大的同相電壓信號(hào)。其電壓幅度為，具有高阻抗和低容抗的輸入特性。輸出放大器是由電壓跟隨器構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)隔離、緩沖及將高阻匹配到低阻，提高驅(qū)動(dòng)能力的功能，還具有短路保護(hù)功能。 基本工作原理是：輸入信號(hào)通過電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大器放大后，平均分配到4個(gè)電壓跟隨器，各電壓跟隨器根據(jù)其對(duì)應(yīng)的SEL信號(hào)電平狀態(tài)來確定各輸出端的輸出狀態(tài)。 MAX4137可用于視頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換和分配、高分辨RGBCRT監(jiān)視、高速模擬總線驅(qū)動(dòng)、RF信號(hào)處理、復(fù)合視頻前置放大器等領(lǐng)域。 MAX4137的外圍元件少，C1～C5均起電源消振作用，R1～R5為匹配電阻。典型應(yīng)用見圖4。此電路調(diào)試簡(jiǎn)便，可靠性高。 欲獲得185MHz的頻帶，在設(shè)計(jì)PCB板時(shí)應(yīng)遵照下列幾項(xiàng)原則。 （1）在PCB板禁止出現(xiàn)閉環(huán)線路，以減小電磁感應(yīng)，所有連線盡可能短，不能采用90°拐角，選用弧形拐角。 （2）不使用IC插座，以減小其容抗和感抗， 采用表面組裝元件，元件間的連接取捷徑，可得到較高的頻率。 （3）至少采用兩層板，一個(gè)信號(hào)層，一個(gè)地層。 5、結(jié)束語(yǔ) 這兩種電路，筆者在實(shí)際應(yīng)用中均采用過，效果十分理想。分立元件電路級(jí)聯(lián)比較方便，只需將虛框內(nèi)部分并聯(lián)即可，可以根據(jù)CCD的數(shù)量靈活設(shè)計(jì)所需的路數(shù)。只要PCB電路設(shè)計(jì)合理，就可一舉成功。集成芯片電路體積小，整個(gè)電路的占用空間為2.5cm×3cm（雙面板），有效地提高了空間利用率。這兩種視頻分配放大器還可以應(yīng)用于閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)，將一臺(tái)攝象機(jī)的視頻信號(hào)提供給多臺(tái)監(jiān)視器或其它設(shè)備。