1、多CCD圖像同步獲取系統 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態范圍，在輻射成象，特別是醫學成象領域已形成研究與開發的熱點。在一些特定的應用場合，如采用多個CCD來傳感同一幅閃光圖象，需要將各個CCD同步起來，以保證各個CCD產生的視頻信號的一致性，從而提供了多個CCD的圖象信號進行拼接的可能性。本文主要介紹多CCD圖像傳感器同步電路的兩種實現方案。 電路的設計思想是以一個CCD的視頻輸出信號為基準源，作為其余CCD傳感器的外同步信號，使各個CCD同步工作，捕捉同一時刻的圖像，如圖1所示。將1#CCD圖像傳感器的視頻輸出信號連接到多CCD圖像傳感器同步電路的輸入端，經過視頻分配放大器處理后（以4個CCD圖像傳感器為例），輸出4路與輸入信號完全一致的視頻信號。其中3路作為2#、3#、4#CCD圖像傳感器的外同步信號，剩余1路直接作為1#CCD圖像傳感器的視頻輸出信號。 2、對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輸出的視頻信號經過放大處理后，輸出多路與原輸入信號完全一致的視頻信號，作為其余各個CCD的外同步輸入信號。 從電路性能上考慮，視頻分配放大器應能滿足以下幾點要求。 （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送到75Ω同軸電纜上，所以放大器應具有75Ω內部輸出阻抗，而且要滿足75Ω負載電阻所要求的輸出功率，同時還能隔離各路負載間的互相影響，保證輸出的各路信號之間互不干擾。 （3）有較大的動態范圍，以滿足多種視頻信號的要求。 根據上述幾點，筆者從分立元件電路和集成電路兩個角度設計了同步電路的兩種實現方案。 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現放大功能。用晶體管構成視頻放大電路，主要問題有輸入電阻低，輸入電容大，電流放大系數隨頻率而變。針對這幾點，放大器的設計是采用NPN管與PNP管組成并聯調節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，本設計是先對輸入信號進行能量等分分配，再分別由4個放大電路進行放大，這樣可以保證各路輸出信號相互獨立，互不影響，而且放大器的輸出功率也容易滿足負載電路的要求。原理電路見圖2。虛框內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：輸入的視頻信號經電容C1隔直流后，加在Q11的輸入端b、e之間，經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Q12放大后，以集電極電阻R16上的電壓作輸出。這兩個晶體管都工作在共發射極放大狀態，而且兩級的工作點互相配合，使輸出電壓具有較大的變化范圍。此放大電路的特點是信號失真小，放大倍數比較高，溫度穩定性好，輸入阻抗高，輸出阻抗低。 R1為阻抗匹配電阻，視頻信號經過電纜傳輸，要求視頻分配放大器是一個匹配終端。C1、C13為隔斷直流電容，隔斷放大器的輸入端與信號源之間、輸出端與負載之間的直流通道，保證放大器的靜態工作點不因輸入、輸出的連接而發生變化。R2、R3、R12、R13和Q11構成分壓式電流負反饋偏置電路，其特點是既能提供合適的偏流，又能穩定靜態工作點。R2、R3、R12、R13為偏置電阻，將Q11的發射極置于正偏，集電極置于反偏，使其處于線性放大區工作。R2、R3構成串聯分壓電路，其電流，同時R2與R3的分壓關系固定了 Q11的基極電位，滿足工作點穩定的條件。R13是用來實現電流負反饋的電阻。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，Q11的發射極電流IE在反饋電阻R13上產生的壓降UE將增大，這將使發射極的電位UE上升，由于基極電位Ub不變，所以加在基極－發射極之間的電壓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，使工作點趨向原來位置，達到穩定Q11工作點的目的。 Q11選用NPN管，Q12選用PNP管，構成互補式直接耦合電路。因為在直接耦合放大電路中，第二級的基極電壓也就是第一級的集電極電壓，如果采用同類型（例如NPN型）晶體管，則各級管子的集電極電位逐步升高，會限制放大級。而在前后級配合使用NPN和PNP管，可以把后級的集電極電位降下來。 R12、R16為Q12的偏置電阻，將Q12的發射極置于正偏，集電極置于反偏，使其處于線性放大區工作。R14、R15為反饋電阻，與R13一起構成兩級電壓串聯負反饋網絡。這種電路的閉環放大倍數Af只取決于反饋電阻（R14＋R15）與R13的比值，倍，而與晶體管無關，所以電路的靜態工作點穩定。而且可以穩定輸出信號電壓，使得放大器的輸出電阻減小，驅動能力提高，放大倍數穩定。在輸入端由于反饋信號串聯連接，提高了放大器的輸入阻抗。實現以下幾種功能。 （1）提高增益的穩定性。在放大器的使用過程中，經常由于電源電壓波動，溫度與負載變化等因素，使放大器的增益發生變化，影響了工作性能的穩定。如果采用負反饋，就可以使放大器的增益變化相對減小。 （2）減小頻率失真和非線性失真。本反饋網絡是用純電阻元件構成的，所以放大器的增益基本與頻率無關。 （3）擴展通頻帶。由于放大電路中晶體管結電容的存在，在低頻段和高頻段放大倍數都要下降。引入負反饋可使閉環增益趨于穩定，因此閉環幅頻特性的下降速率減慢。與開環幅頻特性相比，閉環的下限截止頻率小于開環的下限截止頻率，而閉環的上限截止頻率大于開環的上限截止頻率，所以閉環的通頻帶大于開環的通頻帶。 （4）增加輸入電阻。輸入電阻越小，放大器從信號源索取的信號電流越大，而放大電路得到的輸入電壓越小，這不僅加重了信號源的負擔，而且輸出電壓也隨輸入電壓的減小而減小。串聯負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，也就相當于輸入電阻增大了。 （5）減小輸出電阻。當負載電阻減小，輸出信號電壓有下降的趨勢，由于負反饋的作用，使有效的輸入信號電壓上升，因而使輸出信號電壓上升，從而保持電壓不變；反之亦然。對于負載來說，負反饋的作用就相當于把放大器的輸出電阻減小了。同時提高了放大器的帶負載能力。 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），否則會使能量消耗過大。基極阻尼電阻R11也不能太大（一般是幾十歐姆到幾百歐姆），否則也會過多地影響頻率響應。同時R17還具有匹配負載電阻的作用。 C11與R15組成消除自激的校正網絡，將放大電路的主極點頻率壓低，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“零點漂移”，采用了以下幾種措施。 （1）電路設計采用負反饋，通過把Q12晶體管的集電極電位變化反饋到Q11的發射極，來實現直流工作點的穩定。原理是：當溫度改變時，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發射極的電位也增加。由于R2、R3的分壓關系固定了Q11的基極電位，所以反饋作用使Q11的基極電位與發射極的電位差減小，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，抑制了零點漂移。 （2）選用硅管，其Iceo數值很小，對工作點的影響不大。 （3）減小電源波動。選用開關穩壓電源模塊，并在電源輸出端接消振電容，把電源電壓的波動降低到允許的范圍之內。 在設計視頻放大器的PCB電路時，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（寄生電容、引線電感）及各個參數（包括實在的集中參數及寄生參數）之間的相互影響減弱到最小的程度，從而在調試視頻放大器時就可減少很多麻煩（如頻率不足、寄生振蕩等）。 為了使寄生參數減弱到最小限度，凡是處在視頻電壓下的元件都應盡量就近相接，并且力求尺寸愈小愈好。元件所處的位置應與金屬地電位盡可能地遠；元件與元件的聯結應沿最短的途徑；引線與引線應相互遠離并不宜平行。尤其是集電極電路必須與基極電路遠離，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），并且由末級依次連接，在一點接地，避免用放大器的底盤作地線。 4、MAX4137視頻放大器 美國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換系統。其增益為2V／V，－3dB帶寬為 185MHz，轉換速率SR為1000V／μs，輸出通道的信號轉換時間25ns，輸出幅度2V，輸出電流65mA，可驅動150Ω的負載。電源電壓± 5V，輸入阻抗高，容抗低。其內部電路（見圖3）由1個輸入放大器和4個輸出放大器組成。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。輸入放大器是由同相輸入運算放大器采用電壓串聯負反饋形式構成，當視頻信號從運放的同相端加入時，在輸出端產生一個較大的同相電壓信號。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成，實現隔離、緩沖及將高阻匹配到低阻，提高驅動能力的功能，還具有短路保護功能。 基本工作原理是：輸入信號通過電壓串聯負反饋放大器放大后，平均分配到4個電壓跟隨器，各電壓跟隨器根據其對應的SEL信號電平狀態來確定各輸出端的輸出狀態。 MAX4137可用于視頻信號的轉換和分配、高分辨RGBCRT監視、高速模擬總線驅動、RF信號處理、復合視頻前置放大器等領域。 MAX4137的外圍元件少，C1～C5均起電源消振作用，R1～R5為匹配電阻。典型應用見圖4。此電路調試簡便，可靠性高。 欲獲得185MHz的頻帶，在設計PCB板時應遵照下列幾項原則。 （1）在PCB板禁止出現閉環線路，以減小電磁感應，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，一個信號層，一個地層。 5、結束語 這兩種電路，筆者在實際應用中均采用過，效果十分理想。分立元件電路級聯比較方便，只需將虛框內部分并聯即可，可以根據CCD的數量靈活設計所需的路數。只要PCB電路設計合理，就可一舉成功。集成芯片電路體積小，整個電路的占用空間為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用于閉路電視監視系統，將一臺攝象機的視頻信號提供給多臺監視器或其它設備。