本方案對(duì)部分重點(diǎn)電路進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，并通過測(cè)試驗(yàn)證了本方案所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路各部分功率驅(qū)動(dòng)電路滿足KAI-01050 CCD的功率驅(qū)動(dòng)要求，在四通道輸出模式下，幀頻可達(dá)120f/s，充分驗(yàn)證了該方案的合理性。

　　此CCD功率驅(qū)動(dòng)電路的難點(diǎn)包括40MHz高速水平轉(zhuǎn)移和復(fù)位時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)、三電平階梯波形垂直轉(zhuǎn)移時(shí)鐘V1和高壓脈沖電子快門信號(hào)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。利用高速時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器ISL55110和鉗位電路實(shí)現(xiàn)了高速水平轉(zhuǎn)移時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng);利用兩個(gè)高速M(fèi)OSFET驅(qū)動(dòng)器組合的方案，實(shí)現(xiàn)了三電平階梯波形垂直轉(zhuǎn)移時(shí)鐘V1的驅(qū)動(dòng);利用兩個(gè)互補(bǔ)高速三極管輪流開關(guān)工作實(shí)現(xiàn)了高壓脈沖電子快門信號(hào)的驅(qū)動(dòng)。

　　電荷耦合器件(CCD)是一種光電轉(zhuǎn)換式圖像傳感器，它將光信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。由于CCD具有集成度高、低功耗、低噪聲、測(cè)量精度高、壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此，在精密測(cè)量、非接觸無損檢測(cè)、文件掃描與航空遙感等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。CCD的功率驅(qū)動(dòng)是CCD應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一，只有驅(qū)動(dòng)脈沖的相位和電壓幅值滿足CCD的要求，CCD才能正常的完成光電轉(zhuǎn)換功能，輸出滿足應(yīng)用需求的信號(hào)。時(shí)序極為嚴(yán)格的多路驅(qū)動(dòng)信號(hào)是CCD正常工作的條件，由于CCD是容性負(fù)載，因此設(shè)計(jì)具有一定帶負(fù)載能力驅(qū)動(dòng)信號(hào)成了CCD相機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

　　KAI-01050是KODAK公司生產(chǎn)的一款高速面陣行間轉(zhuǎn)移CCD，其驅(qū)動(dòng)電路不僅有高達(dá)40MHz的高速水平轉(zhuǎn)移信號(hào)，還有三電平階梯的垂直轉(zhuǎn)移信號(hào)和高壓脈沖的電子快門信號(hào)。這些都屬于本文論述的功率驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

　　本文圍繞CCD KAI-01050進(jìn)行功率驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，對(duì)各部分的設(shè)計(jì)進(jìn)行原理分析，并對(duì)其中部分電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證，最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性。

　　1 KAI-01050面陣CCD

　　KAI-01050是KODAK公司生產(chǎn)的一款高速面陣行間轉(zhuǎn)移CCD，1024(V)×1024(H)像素，像元大小為5.5μm×5.5μm，其模擬輸出可選擇單通道、雙通道和四通道輸出模式。其水平轉(zhuǎn)移時(shí)鐘最高頻率為40MHz，此時(shí)，單通道輸出幀頻最高可達(dá)30f/s，雙通道輸出幀頻最高可達(dá)60f/s，四通道輸出幀頻最高可達(dá)120f/s.

　　本文的論述的相機(jī)要求相機(jī)輸出幀頻為120f/s，因此要求CCD工作在最高水平轉(zhuǎn)移時(shí)鐘率40MHz.本CCD的驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓幅值要求和等效電容值如表1所示。

　　由表1可知，KAI-01050的驅(qū)動(dòng)信號(hào)種類比較多，主要包括行轉(zhuǎn)移(垂直轉(zhuǎn)移)時(shí)鐘、像素讀出(水平轉(zhuǎn)移)時(shí)鐘、復(fù)位時(shí)鐘和電子快門信號(hào)。其功率驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)重點(diǎn)和難點(diǎn)如下：

　　(1)垂直轉(zhuǎn)移時(shí)鐘V1為三電平階梯信號(hào);

　　(2)水平轉(zhuǎn)移和復(fù)位時(shí)鐘為40MHz高速信號(hào);

　　(3)電子快門信號(hào)為的峰值達(dá)29~40V的高壓脈沖信號(hào)。

　　2功率驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

　　CCD驅(qū)動(dòng)電路原理框圖如圖1所示。

　　圖1 CCD驅(qū)動(dòng)電路原理框圖

　　fPGA產(chǎn)生垂直轉(zhuǎn)移時(shí)鐘、水平轉(zhuǎn)移時(shí)鐘、復(fù)位時(shí)鐘和電子快門信號(hào)。由于FPGA產(chǎn)生的是3.3V幅度的信號(hào)，需要經(jīng)過功率驅(qū)動(dòng)電路，轉(zhuǎn)換成符合CCD要求的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)CCD正常工作。本文重點(diǎn)論述其中的功率驅(qū)動(dòng)電路部分。

　　2.1電壓偏置模塊

　　功率驅(qū)動(dòng)電路所需電壓如表1所示，根據(jù)電壓需求設(shè)計(jì)的電壓偏置電路原理框圖如圖2所示。

　　圖2 電壓偏置電路原理框圖

　　系統(tǒng)采用+12V電源供電，電壓偏置電路首先使用開關(guān)電源芯片(DC/DC)進(jìn)行一級(jí)電壓轉(zhuǎn)換。又由于DC/DC輸出電壓的紋波和開關(guān)噪聲較大，不能直接給電路供電，所以使用LDO芯片進(jìn)行二次電壓變換，最終獲得穩(wěn)定、低噪聲的電壓。

　　2.2水平轉(zhuǎn)移和復(fù)位驅(qū)動(dòng)電路

　　由以上可知，欲使CCD工作在最高幀頻120f/s，水平轉(zhuǎn)移和復(fù)位時(shí)鐘的頻率需要工作在40MHz.每個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)功率需求如式(1)所示：

　　式中：C為CCD時(shí)鐘管腳的等效電容;V為信號(hào)的擺幅;f為工作頻率。由式(1)可知，頻率越高，需要的功率越大。

　　時(shí)鐘信號(hào)不僅對(duì)高低電平電壓有要求，上升沿和下降沿時(shí)間也必須要在指定的范圍內(nèi)。要得到指定的上升時(shí)間，就必須提供相應(yīng)大小的驅(qū)動(dòng)電流。對(duì)CCD功率驅(qū)動(dòng)電路的要求是在較大電壓擺幅情況下在快速的變化沿時(shí)能夠提供足夠大的瞬態(tài)驅(qū)動(dòng)電流。

　　由于CCD為容性負(fù)載，由下面電容模型的公式可以算出驅(qū)動(dòng)器需要提供的瞬態(tài)電流。

　　上面的計(jì)算中定義上升或下降沿的時(shí)間對(duì)應(yīng)電平幅度的10%~90%.設(shè)邊沿變化為線性的，對(duì)于水平轉(zhuǎn)移時(shí)鐘，電壓幅度為4V，負(fù)載電容取最大值90pF，對(duì)于40MHz信號(hào)，上升或下降沿的最長(zhǎng)時(shí)間按5ns計(jì)算，那么在邊沿變化處會(huì)產(chǎn)生的電流為57.6MA;對(duì)于復(fù)位時(shí)鐘，電壓幅度為5V，負(fù)載電容取最大值16pF，對(duì)于40MHz復(fù)位信號(hào)，占空比取1∶4，上升或下降沿的時(shí)間按3ns計(jì)算，那么在邊沿變化處會(huì)產(chǎn)生的電流為21.3MA.

　　本文選用InterSIL公司高速驅(qū)動(dòng)器ISL55110和二極管鉗位電路進(jìn)行復(fù)位和水平轉(zhuǎn)移時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)電路。此驅(qū)動(dòng)器最高可提供3.5 A的驅(qū)動(dòng)電流，在100pF的負(fù)載電容下，電壓擺幅為12V時(shí)，上升時(shí)間僅為1.4ns，下降時(shí)間僅為1.2ns.完全滿足水平轉(zhuǎn)移和復(fù)位時(shí)鐘的功率驅(qū)動(dòng)要求。

　　2.3垂直轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)電路

　　垂直轉(zhuǎn)移信號(hào)分為兩種：

　　(1)正常的兩電平階梯波形的V2T，V2B，V3T，V3B，V4T和V4B，高電平為GND，低電平為-9V;

　　(2)三電平階梯波形的V1T和V1B，高電平為12V，中間電平為GND，低電平為-9V。

　　第一種驅(qū)動(dòng)比較簡(jiǎn)單，利用驅(qū)動(dòng)器和鉗位電路的組合就可實(shí)現(xiàn)，本文不在贅述。本節(jié)主要介紹第二種電路的驅(qū)動(dòng)。介紹了利用驅(qū)動(dòng)器組合來實(shí)現(xiàn)三電平階梯波形驅(qū)動(dòng)，即把三電平階梯脈沖分為上下兩個(gè)信號(hào)，分別利用兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，利用其中一個(gè)驅(qū)動(dòng)器的輸出控制另一個(gè)驅(qū)動(dòng)的高電平電源管腳，從而實(shí)現(xiàn)三電平階梯脈沖的驅(qū)動(dòng)。

　　本文也選用驅(qū)動(dòng)器組合的方法來實(shí)現(xiàn)，由表1可知，KAI-01050 CCD的三電階梯脈沖驅(qū)動(dòng)的高低電平的差為21V，如果選用普通的CCD驅(qū)動(dòng)器，很難產(chǎn)生21V這么大壓差的驅(qū)動(dòng)。

　　本文選用IXYS公司生產(chǎn)的高速M(fèi)OSFET驅(qū)動(dòng)器IXDD404，它是一款雙通道超快MOSFET驅(qū)動(dòng)器，每通道最高可以輸出峰值為4 A的電流，高容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力，低傳輸延時(shí)時(shí)間，在負(fù)載為1 800pF時(shí)，上升/下降時(shí)間小于15ns，4.5~35V的寬電壓操作范圍。這些特點(diǎn)滿足KAI-01050三電平階梯脈沖驅(qū)動(dòng)電路對(duì)驅(qū)動(dòng)器的需求。其原理圖如圖3所示。

　　將三電平信號(hào)V1分解為V1HM和V1ML信號(hào)，分別經(jīng)過2個(gè)IXDD404驅(qū)動(dòng)器U1和U2進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。V1ML經(jīng)U1驅(qū)動(dòng)后的信號(hào)控制U2的電源輸入管腳，從而兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器的組合產(chǎn)生所需的三電平階梯波形信號(hào)。注意U2的GND腳，接了-9V，此處只是為U2提供0電平基準(zhǔn)，并不是必須接GND.U2前端二極管鉗位電路是將邏輯電平輸入調(diào)整為U2的輸入范圍。

　　圖3 三電平階梯脈沖功率驅(qū)動(dòng)原理圖

　　2.4電子快門驅(qū)動(dòng)電路

　　KAI-01050 CCD為防止強(qiáng)光溢出提供一種結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)溢出保護(hù)和曝光時(shí)間可調(diào)節(jié)。溢出保護(hù)功能通過加在器件襯底的直流電壓來實(shí)現(xiàn)，若足夠大的電壓脈沖(峰值為29~40V)加到襯底，所有光電二極管內(nèi)電荷被抽空，隨后開始光積分階段，實(shí)現(xiàn)電子快門功能。

　　KAI-01050的電子快門電壓要求如圖4所示，要求加到襯底上的直流電壓為VSUB，VSUB的典型值為VAB，每個(gè)CCD芯片VAB可能不同，標(biāo)注在CCD的包裝上，為5~15V之間的值，在電子快門期間襯底上的電壓瞬間變?yōu)閂ES(電壓值為29~40V)，電壓脈沖的最小寬度為1μs.如果采用通常的CCD驅(qū)動(dòng)電路，很難實(shí)現(xiàn)這樣高電壓、窄脈沖信號(hào)，為此設(shè)計(jì)采用兩個(gè)互補(bǔ)高速三極管輪流開關(guān)工作來實(shí)現(xiàn)高壓脈沖電子快門信號(hào)的驅(qū)動(dòng)。原理如圖5所示電路，此電路中暫設(shè)VAB為8V.

　　圖4 KAI-01050

　　首先時(shí)序發(fā)生單元的時(shí)序信號(hào)經(jīng)過電容C1和C2耦合到兩個(gè)電阻鉗位端，兩個(gè)電阻R1和R2用于把電容耦合過來的信號(hào)鉗位到固定的電平。這樣產(chǎn)生的兩個(gè)信號(hào)就用于控制兩個(gè)開關(guān)三極管的導(dǎo)通與截止。兩個(gè)互補(bǔ)的三極管的集電極接在一起作為開關(guān)輸出。當(dāng)加在Q2基極的控制信號(hào)向上擺動(dòng)時(shí)，三極管Q2就會(huì)導(dǎo)通，而這時(shí)加在Q1基極的信號(hào)恰處在高電平期間，因而三極管Q1截止，所以輸出到負(fù)載C3的信號(hào)為低電平。同理，當(dāng)加在Q2基極的控制信號(hào)為低電平時(shí)，三極管Q2截止，而這時(shí)加在Q1基極的信號(hào)恰以高電平向下擺動(dòng)，因而三極管Q1導(dǎo)通，所以輸出到負(fù)載C3的信號(hào)為高電平。

　　因此，這兩個(gè)三極管組成的電路為反相驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路輸出經(jīng)電容C3耦合到D1的鉗位電路，D1的作用是將輸出信號(hào)的低電平鉗位到VSUB(本電路中取值為8V)。經(jīng)鉗位電路后產(chǎn)生最后的電子快門信號(hào)。

　　圖5 電子快門功率驅(qū)動(dòng)電路

　　利用Cadence軟件集成PSpICe工具對(duì)圖5所示的電路進(jìn)行仿真，仿真的輸入波形高脈沖寬度選擇為電子快門要求的最小寬度1μs.為看到仿真波形的細(xì)節(jié)，輸入波形的周期(為電子快門的周期，在實(shí)際使用中為可調(diào)周期)選擇較短的20μs.鉗位電壓VSUB取值為8V，可以取5~15V之間的任何值，實(shí)際中以CCD器件包裝上標(biāo)注的VAB值為準(zhǔn)。CCD電子快門輸入管腳的等效負(fù)載電容為400pF，為驗(yàn)證此電路驅(qū)動(dòng)能力是否滿足要求，此電路中加如了容值為400pF的C4模擬CCD的等效電容負(fù)載。仿真結(jié)果如圖6所示。

　　圖6 電子快門功率驅(qū)動(dòng)電路仿真波形

　　圖中下方曲線為輸入波形，上方曲線為輸出波形。

　　由輸出波形可知，高脈沖寬度與輸入一致，未出現(xiàn)失真，低電平為8V，高電平為34V，滿足29V≤VES≤40V的要求。

　　3實(shí)驗(yàn)測(cè)試

　　根據(jù)以上原理，設(shè)計(jì)了KAI-01050的驅(qū)動(dòng)電路，并進(jìn)行了測(cè)試。圖7為水平轉(zhuǎn)移時(shí)鐘的測(cè)試波形圖，驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率為40MHz，幅值-4~0V，上升沿與下降沿時(shí)間僅為1.8ns左右，符合CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序要求。

　　圖7 水平轉(zhuǎn)移時(shí)鐘的測(cè)試波形圖

　　圖8 三電平轉(zhuǎn)移時(shí)鐘和電子快門信號(hào)波形

　　圖8為三電平垂直轉(zhuǎn)移時(shí)鐘和電子快門是驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形，圖中上面是三電平轉(zhuǎn)移時(shí)鐘信號(hào)，低電平為-9V，中間電平0V，高電平12V;下面波形為電子快門信號(hào)，常態(tài)電平為6.9V左右，在計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到需要曝光的時(shí)序位置時(shí)，輸出一個(gè)脈沖寬度不小于1μs的29~40V脈沖(相機(jī)設(shè)計(jì)值為32V)。這兩個(gè)信號(hào)其上升沿下降沿時(shí)間都很陡峭，滿足驅(qū)動(dòng)時(shí)序的要求。

　　4結(jié)語

　　本文首先介紹了KAI-01050 CCD驅(qū)動(dòng)信號(hào)的特點(diǎn)，分析了其功率驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，基于本方案設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行了各種CCD信號(hào)功率驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，并對(duì)部分電路進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。