基于共模扼流圈的高速CCD驅(qū)動電路設(shè)計(jì)方案
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0 引言
電荷耦合器件(CCD)在光電成像領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，它具有高速、低噪聲、寬動態(tài)范圍以及線性響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，然而要使CCD正常工作，需要成像電路的支持。其中，CCD驅(qū)動電路是成像電路的重要組成部分，驅(qū)動電路負(fù)責(zé)把CCD收集的電荷包通過移位寄存器移動到輸出節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信號電壓的輸出。由于是串行移位，因此需要高速的驅(qū)動電路，而在高速成像領(lǐng)域，驅(qū)動電路的工作速度更高。此外，CCD驅(qū)動波形的電壓幅度往往很高，而CCD的移位寄存器是電容性負(fù)載，高速大電壓幅度驅(qū)動電容性負(fù)載需要較大的功耗，因此，基于CCD的成像系統(tǒng)功耗都相對較大，功耗大會導(dǎo)致CCD驅(qū)動器溫度較高，溫度高會影響系統(tǒng)的可靠性和壽命。
針對這個問題，采用CCD驅(qū)動器首先產(chǎn)生低電壓的驅(qū)動信號，然后利用共模扼流圈進(jìn)行電壓的放大。由于CCD驅(qū)動器的電壓降低了，使得CCD驅(qū)動器的自身功耗大幅度下降。由于共模扼流圈的差模電感很小，可以有效避免和CCD的容性負(fù)載產(chǎn)生諧振，因此可以保證驅(qū)動信號的質(zhì)量。
1 CCD驅(qū)動電路分析
為了設(shè)計(jì)高速低功耗CCD驅(qū)動電路，首先對CCD驅(qū)動電路進(jìn)行建模分析。圖1所示為CCD驅(qū)動電路的等效模型。其中V為驅(qū)動器的信號輸出，Rdrv代表驅(qū)動器的戴維寧等效內(nèi)阻，Cdrv代表驅(qū)動器的等效電容，Rccd代表CCD內(nèi)部的走線等效串聯(lián)電阻，Cccd代表CCD的等效負(fù)載電容?？梢奀CD驅(qū)動電路為RC充放電電路。
對于RC電路，其功耗可以用公式(1)近似給出。
式中：C為電容值大小；V為信號電壓幅度大?。籪為信號的工作頻率。公式中并不包含電阻R的項(xiàng)，而實(shí)際上功耗則都消耗在電阻R上，因?yàn)殡娙菔遣粫墓牡?。對于相同的電容C，當(dāng)電阻值R較大時，瞬態(tài)電流值較小但瞬態(tài)電流持續(xù)時間較長；當(dāng)電阻值R較小時，瞬態(tài)電流值較大但瞬態(tài)電流持續(xù)時間較短。這是公式中沒有電阻R項(xiàng)的原因。
公式(1)還指出功耗和電壓的平方是成正比的。因此只要把電壓幅度降低就能大幅度降低功耗。而CCD的驅(qū)動電壓往往很高，例如很多CCD的復(fù)位脈沖驅(qū)動電壓幅度可以達(dá)到10V。驅(qū)動電路的功耗由驅(qū)動器的功耗和CCD的功耗兩部分組成。驅(qū)動器的功耗是由于驅(qū)動器內(nèi)部的寄生電容導(dǎo)致的。例如CCD驅(qū)動器EL7457的內(nèi)部電容約為80pF。通過共模扼流圈對電壓放大可以使得驅(qū)動器的輸出電壓幅度下降，這樣就可以有效地降低驅(qū)動器的功耗。
2 基于共模扼流圈的驅(qū)動電路設(shè)計(jì)
共模扼流圈是一個緊密耦合的1:1變壓器，其漏電感較小。圖2所示為變壓器的電路符號，其由線圈電感L1和線圈電感L2組成，其互感為M。當(dāng)L1=L2=M時，該變壓器就是共模扼流圈。
分析此類含有耦合電感的電路，采用的方法是去耦等效受控源，如圖3所示。把具有耦合的電路拆分成兩個獨(dú)立的支路進(jìn)行分析。公式(2)和(3)給出具體的計(jì)算方法。
根據(jù)上述公式可知，當(dāng)差模信號通過共模扼流圈時，由于磁通量相互抵消，所以就像共模扼流圈不存在一樣；當(dāng)共模信號通過共模扼流圈時，由于磁通量相互疊加，所以共模扼流圈具有很大的阻抗。這里采用共模扼流圈實(shí)現(xiàn)高速CCD驅(qū)動的電路拓?fù)鋄4]如圖4所示。圖中V1代表CCD驅(qū)動器，L1和L2組成共模扼流圈，其同名端在圖中用小圓圈標(biāo)出。C1為交流耦合電容，避免變壓器直流短路。R1和C2為端接網(wǎng)絡(luò)，用于抵消共模扼流圈的漏電感。R2代表CCD的等效串聯(lián)電阻，C2代表CCD的等效負(fù)載電容。共模扼流圈在該電路中的作用是把輸入信號的電壓幅度放大2倍。其工作原理為輸入信號分別從L1和L2的非同名端加入。那么L2產(chǎn)生的磁通會在L1的兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓，該感應(yīng)電壓和加在L1端的電壓疊加從而實(shí)現(xiàn)了電壓的2倍放大。R1和C2的取值需要在實(shí)際的電路板調(diào)試時進(jìn)行調(diào)整以保證輸出信號達(dá)到最佳。
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