基于共模扼流圈的高速CCD驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方案（一）

由于CCD驅(qū)動(dòng)器的電壓幅度降低了，使得CCD驅(qū)動(dòng)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，有效地避免了和CCD的容性負(fù)載產(chǎn)生諧振，因此本方案可以保證驅(qū)動(dòng)信號(hào)的質(zhì)量。對(duì)方案所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行了電路板制作和測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案中所設(shè)計(jì)的電路在保證驅(qū)動(dòng)信號(hào)質(zhì)量的前提下，可以有效地降低驅(qū)動(dòng)電路的功耗。

　　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(dòng)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(dòng)電路是成像電路的重要組成部分，驅(qū)動(dòng)電路負(fù)責(zé)把CCD收集的電荷包通過移位寄存器移動(dòng)到輸出節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)電壓的輸出。由于是串行移位，因此需要高速的驅(qū)動(dòng)電路，而在高速成像領(lǐng)域，驅(qū)動(dòng)電路的工作速度更高。此外，CCD驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(duì)較大，功耗大會(huì)導(dǎo)致CCD驅(qū)動(dòng)器溫度較高，溫度高會(huì)影響系統(tǒng)的可靠性和壽命。

　　針對(duì)這個(gè)問題，采用CCD 驅(qū)動(dòng)器首先產(chǎn)生低電壓的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，然后利用共模扼流圈進(jìn)行電壓的放大。由于CCD 驅(qū)動(dòng)器的電壓降低了，使得CCD 驅(qū)動(dòng)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(dòng)信號(hào)的質(zhì)量。

　　1 CCD驅(qū)動(dòng)電路分析

　　為了設(shè)計(jì)高速低功耗CCD 驅(qū)動(dòng)電路，首先對(duì)CCD驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行建模分析。圖1所示為CCD 驅(qū)動(dòng)電路的等效模型。其中V 為驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)輸出，Rdrv 代表驅(qū)動(dòng)器的戴維寧等效內(nèi)阻，Cdrv 代表驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路為RC 充放電電路。

　　對(duì)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?。籚 為信號(hào)電壓幅度大??；f 為信號(hào)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?huì)消耗功耗的。對(duì)于相同的電容C ，當(dāng)電阻值R 較大時(shí)，瞬態(tài)電流值較小但瞬態(tài)電流持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)；當(dāng)電阻值R 較小時(shí)，瞬態(tài)電流值較大但瞬態(tài)電流持續(xù)時(shí)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(dòng)電壓往往很高，例如很多CCD 的復(fù)位脈沖驅(qū)動(dòng)電壓幅度可以達(dá)到10 V.驅(qū)動(dòng)電路的功耗由驅(qū)動(dòng)器的功耗和CCD的功耗兩部分組成。驅(qū)動(dòng)器的功耗是由于驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的寄生電容導(dǎo)致的。例如CCD 驅(qū)動(dòng)器EL7457 的內(nèi)部電容約為80 pF.通過共模扼流圈對(duì)電壓放大可以使得驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓幅度下降，這樣就可以有效地降低驅(qū)動(dòng)器的功耗。