錯誤的負載

作者 : Konstantin Stefanov,英國公開大學(Open University)電子影像中心資深研究員

幾年前,我接手了兩個用於驅動和讀出CCD的系統,它們主要用於培訓人們如何使用CCD,但是系統雜訊很大,根據產品規格手冊,雜訊不是正常的5個電子RMS,而是經常高於60個電子…使用該系統的大多數人已經習慣了高雜訊,難道只能聳聳肩,就接受這個「事實」了嗎?

幾年前,我接手了兩個用於驅動和讀出電荷耦合元件(CCD)的系統,它們主要用於培訓人們如何使用CCD,但是相同的系統也用於正確的科學應用。眾所周知,系統雜訊很大,根據產品規格手冊,雜訊不是正常的5個電子RMS,而是經常高於60個電子。使用該系統的大多數人已經習慣了高雜訊,只能聳聳肩——這是一直以來無法解決的問題。

但是,我認為這是不可接受的情況,因此開始進行調查。我檢查了電源,查看了來自控制箱的驅動脈衝的品質,縮短了電纜以最大程度地減少了振鈴,並驗證焊接在CCD旁的前置放大器沒有任何振盪。沒有一個部份顯示出,且似乎也沒有什麼改變。我甚至用了一塊佈局合理的全新PCB替換了裝有CCD的小PCB,因為沒人能找到舊PCB的原理圖和佈線。該原理圖非常簡單,很容易從產品規格手冊中重新建置。

令人困惑的是,我發現高雜訊出現在CCD進入所謂「反轉模式(inverted mode)」點的附近,這是正常的工作模式,由於暗電流變小了。當來自驅動器盒的外部偏置電源之一達到+ 9V左右時,就會發生這種情況。我在適配器插座中使用了另一種類型的CCD,以便它可以插入到有問題的系統中,我看到另一個CCD沒有這個問題。看起來像是CCD本身得負起這個責任,但這怎麼可能?它們是用於科學光譜學設備的昂貴元件,並且是既定、暢銷的產品。

我們的CCD已由許多受訓人員使用操作過,且它們有可能已受到某種程度的損壞。我們得到了一個嶄新的閃亮批次元件,但顯示出完全相同的高雜訊。但是,這次,CCD來自製造商,每個都有自己的測試表,這表示它們的雜訊出廠時絕對是可以接受的。

這時我幾乎放棄了,但是有一天,當我在示波器上搜索時,我注意到+ 9V偏置線上的高頻「霧(mist)」。它透過CCD引腳上龐大RC網路進行了嚴格的濾波,因此其幅度很小。CCD非常敏感,且電源中的100µV雜訊很容易在輸出端產生60個電子雜訊。這一切變得越來越可疑,我決定測量有問題的電源電流。令我難以置信的是,事實證明CCD正在向電源端供應大約2mA的電流,而不像正常負載那樣吸收電流!CCD產品規格手冊並未具體說明電源消耗的電流,因此我認為它與大多數其他電源一樣可以忽略不計。我真是大錯特錯啊!

接下來,我找出了CCD驅動器盒的原理圖,發現+ 9V偏置線是由單電源微功率運算放大器驅動,產品規格手冊自豪地表示這是「高輸出驅動器:最小5mA」。這敲響了我腦袋裡所有的警鐘。運算放大器可能過載嗎?其輸出電壓完全符合預期。運算放大器沒有過載,但在某種程度上受到其輸出電流的挑戰,且在超過2mA時,它會產生某種微弱的振盪。它不是在較低電流下發生,這可以解釋為什麼另一個CCD沒有顯示雜訊問題——它從+9V接腳流出的電流約為1mA。

因此,問題似乎是由不喜歡下灌電流(sinking current)的微弱運算放大器引起。我在+9V偏置線上對固定負電源之一添加了一個電阻,選擇此值,以便無論電壓如何,運算放大器始終能夠提供電流,同時要記住從CCD出來的2mA電流。經過此修復程序後,CCD雜訊立即下降到產品規格手冊中的值,且問題再也沒有出現過了。

你是否有在工作中或業餘時間解決工程問題的難忘經歷?請告訴我們你的故事。

(參考原文:The load that was not,by Konstantin Stefanov,EDN Taiwan Anthea Chuang編譯)

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