國家天文臺超大型CCD控制器研製技術取得進展

2021-01-14 中國科學院

　　經過三年努力和兩輪流片試驗，超大型電荷耦合元件（CCD）控制器研製的關鍵元件之一，CCD控制器偏壓及時鐘驅動電路ASIC，日前在中國科學院國家天文臺天文光學與紅外探測器實驗室研製成功，使得國家天文臺在CCD控制器的研製技術上位居國際先進水平，為我國獨立研製超大規模的CCD系統奠定了基礎。

　　隨著光學望遠鏡向更大口徑和更大視場發展，相應的CCD探測器的規模需求也提高到了十億、數十億像元甚至更大，這給其控制器的研製帶來了巨大挑戰。CCD探測器要達到天文觀測要求的優良性能，除了CCD器件本身性能優異以外，其工作所必需的控制器的性能指標至關重要。經過各國天文探測器技術人員多年努力，天文觀測使用的CCD控制器在圖像像質指標上已經達到目前技術的極限。然而當CCD像元規模達到數十億量級時，傳統CCD控制器技術卻遇到了困難。這是因為以傳統技術完成數十億像元的CCD控制器，僅其體積就將達到數十立方米，更遑論眾多模擬量數據通道之間的串擾控制、巨大的功耗以及觀測環境的溫控等問題。因此，支持數十億像元及更大規模的CCD控制器技術成為國際上天文光學探測器研製的最大技術難題和技術發展方向。增加電路的集成度以減小體積，是目前唯一的解決辦法，國際上各大天文CCD實驗室紛紛開始研製CCD控制器專用集成電路ASIC。

　　為了滿足我國大型天文光學紅外望遠鏡的需要，在國家自然基金和天文財政專項的支持下，在國際知名CCD控制器電子學專家魏名智的技術領導下，國家天文臺光學與紅外探測器實驗室開展了CCD探測器ASIC技術的研究。研究方案是CCD控制器的主要電路研製成為兩片ASIC晶片，即CCD控制器偏壓及時鐘驅動電路ASIC（CDA）和CCD信號處理電路ASIC（SPA）。自2014年經過三年的研究實驗，日前新一輪的CDA流片經實驗室測試已證明完全符合設計要求，從而表明國家天文臺擁有自主智慧財產權的CCD控制器偏壓及時鐘驅動專用集成電路CDA研製成功。

　　CDA晶片提供CCD運行需要的所有電壓和驅動脈衝，是CCD控制器的重要組成部分。此次研製的CDA晶片繼承了天文CCD控制器中的經典——UCAM控制器的優良性能品質，也是通用性很強的晶片，其靈活性使得它適用於目前世界上絕大多數的CCD晶片和CCD控制器。它可以和正在研製的SPA組成大規模集成化的多CCD系統或超小型的單CCD控制器，也可作為一個部件單獨集成到任何一個CCD系統中去。高度集成化使CCD控制器性能更可靠穩定，功耗體積更小，更易研製。目前，CDA晶片的版本已是可供批量生產的版本，易進行低成本的重複生產，為國內外科學級CCD系統的研製提供低成本、高性能、高集成度的專用晶片，開闢了新的研發手段。

　　CDA的研製是我國大型CCD控制器的研製技術的進步，為實現空間站光學巡天望遠鏡、大型光學紅外望遠鏡（12米口徑）、南極大視場光學紅外望遠鏡、國際30米光學紅外望遠鏡等大型CCD控制器的研製目標展開了光明前景。

CDA2晶片及其性能測試電路

CDA和SPA各一片即可替代圖中的三塊電路板

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