基于KAI-01050 CCD功率電路的驅(qū)動(dòng)方案

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)120 f/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40 MHz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、測量精度高、壽命長等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此，在精密測量、非接觸無損檢測、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)40 MHz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，1 024（V）×1 024（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40 MHz，此時(shí)，單通道輸出幀頻最高可達(dá)30 f/s，雙通道輸出幀頻最高可達(dá)60 f/s，四通道輸出幀頻最高可達(dá)120 f/s.

本文的論述的相機(jī)要求相機(jī)輸出幀頻為120 f/s，因此要求CCD工作在最高水平轉(zhuǎn)移時(shí)鐘率40 MHz.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40 MHz高速信號(hào)；

（3）電子快門信號(hào)為的峰值達(dá)29~40 V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3.3 V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+12 V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120 f/s，水平轉(zhuǎn)移和復(fù)位時(shí)鐘的頻率需要工作在40 MHz.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4 V，負(fù)載電容取最大值90 pF，對(duì)于40 MHz信號(hào)，上升或下降沿的最長時(shí)間按5 ns計(jì)算，那么在邊沿變化處會(huì)產(chǎn)生的電流為57.6 mA；對(duì)于復(fù)位時(shí)鐘，電壓幅度為5 V，負(fù)載電容取最大值16 pF，對(duì)于40 MHz復(fù)位信號(hào)，占空比取1∶4，上升或下降沿的時(shí)間按3 ns計(jì)算，那么在邊沿變化處會(huì)產(chǎn)生的電流為21.3 mA.

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100 pF的負(fù)載電容下，電壓擺幅為12 V時(shí)，上升時(shí)間僅為1.4 ns，下降時(shí)間僅為1.2 ns.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-9 V；

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

第一種驅(qū)動(dòng)比較簡單，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21 V，如果選用普通的CCD驅(qū)動(dòng)器，很難產(chǎn)生21 V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1 800 pF時(shí)，上升/下降時(shí)間小于15 ns，4.5~35 V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-9 V，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