高速面陣CCD KAI-01050功率驅(qū)動電路的設(shè)計方案（二）

2.4 電子快門驅(qū)動電路

　　KAI-01050 CCD 為防止強光溢出提供一種結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)溢出保護和曝光時間可調(diào)節(jié)。溢出保護功能通過加在器件襯底的直流電壓來實現(xiàn)，若足夠大的電壓脈沖（峰值為29~40 V）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CCD芯片VAB可能不同，標注在CCD的包裝上，為5~15 V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29~40 V），電壓脈沖的最小寬度為1 μs.如果采用通常的CCD 驅(qū)動電路，很難實現(xiàn)這樣高電壓、窄脈沖信號，為此設(shè)計采用兩個互補高速三極管輪流開關(guān)工作來實現(xiàn)高壓脈沖電子快門信號的驅(qū)動。原理如圖5所示電路，此電路中暫設(shè)VAB為8 V.

　　首先時序發(fā)生單元的時序信號經(jīng)過電容C1和C2耦合到兩個電阻鉗位端，兩個電阻R1 和R2 用于把電容耦合過來的信號鉗位到固定的電平。這樣產(chǎn)生的兩個信號就用于控制兩個開關(guān)三極管的導通與截止。兩個互補的三極管的集電極接在一起作為開關(guān)輸出。當加在Q2基極的控制信號向上擺動時，三極管Q2就會導通，而這時加在Q1 基極的信號恰處在高電平期間，因而三極管Q1截止，所以輸出到負載C3的信號為低電平。同理，當加在Q2基極的控制信號為低電平時，三極管Q2截止，而這時加在Q1基極的信號恰以高電平向下擺動，因而三極管Q1導通，所以輸出到負載C3的信號為高電平。

　　因此，這兩個三極管組成的電路為反相驅(qū)動電路。驅(qū)動電路輸出經(jīng)電容C3 耦合到D1 的鉗位電路，D1 的作用是將輸出信號的低電平鉗位到VSUB（本電路中取值為8 V）。經(jīng)鉗位電路后產(chǎn)生最后的電子快門信號。

　　利用Cadence軟件集成PSpice工具對圖5所示的電路進行仿真，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1 μs.為看到仿真波形的細節(jié)，輸入波形的周期（為電子快門的周期，在實際使用中為可調(diào)周期）選擇較短的20 μs.鉗位電壓VSUB 取值為8 V，可以取5~15 V 之間的任何值，實際中以CCD 器件包裝上標注的VAB值為準。CCD電子快門輸入管腳的等效負載電容為400 pF，為驗證此電路驅(qū)動能力是否滿足要求，此電路中加如了容值為400 pF 的C4模擬CCD的等效電容負載。仿真結(jié)果如圖6所示。

　　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8 V，高電平為34 V，滿足29 V≤VES≤40 V的要求。

3 實驗測試

　　根據(jù)以上原理，設(shè)計了KAI-01050 的驅(qū)動電路，并進行了測試。圖7為水平轉(zhuǎn)移時鐘的測試波形圖，驅(qū)動信號頻率為40 MHz，幅值-4~0 V，上升沿與下降沿時間僅為1.8 ns左右，符合CCD驅(qū)動時序要求。