CCD相機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

1 引言

電荷耦合器件（Charge Coupled Device）是美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的W.S.Boyle和G.E.Smith于1970年發(fā)明的半導(dǎo)體器件[1]。它被視為七十年代以來(lái)出現(xiàn)的最重要的一種半導(dǎo)體器件[2]。CCD由于具有信號(hào)輸出噪聲低、動(dòng)態(tài)范圍大、量子效率高以及電荷轉(zhuǎn)移效率高等優(yōu)點(diǎn)，因而以CCD為探測(cè)器的相機(jī)在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)、安全保衛(wèi)系統(tǒng)、智能交通系統(tǒng)以及Internet接入裝置等領(lǐng)域都得以廣泛應(yīng)用。隨著CCD技術(shù)的迅速發(fā)展，CCD相機(jī)也朝著速度更高、控制更方便、品質(zhì)性能更好的方向發(fā)展。

雖然有些CCD僅需要時(shí)序信號(hào)而不需要功率驅(qū)動(dòng)，但大多數(shù)高性能CCD是需要功率驅(qū)動(dòng)的，且驅(qū)動(dòng)波形要求是雙極性的且幅度都較大。所以CCD時(shí)序產(chǎn)生單元[3]產(chǎn)生的TTL信號(hào)需要進(jìn)行電平搬移和放大。而CCD為容性負(fù)載，所以在高速驅(qū)動(dòng)脈沖作用下會(huì)產(chǎn)生較大的瞬態(tài)電流，這就需要驅(qū)動(dòng)電路具有足夠強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)能力。當(dāng)前以CCD驅(qū)動(dòng)集成電路來(lái)實(shí)現(xiàn)CCD功率驅(qū)動(dòng)可以滿(mǎn)足一些相機(jī)要求。然而當(dāng)CCD驅(qū)動(dòng)波形為雙極性時(shí)，單電源工作的驅(qū)動(dòng)集成電路仍然需要外加電平搬移電路。當(dāng)CCD的驅(qū)動(dòng)波形電壓幅度超出CCD驅(qū)動(dòng)集成電路的工作電壓時(shí)，這些驅(qū)動(dòng)集成電路就不能滿(mǎn)足要求了，所以本文在分析了CCD功率驅(qū)動(dòng)電路及其要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了采用分立元器件的較通用的CCD相機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路。

2 CCD功率驅(qū)動(dòng)電路及其要求

圖1所示是典型的CCD相機(jī)框圖。CCD相機(jī)一般由CCD感光芯片、CCD時(shí)序發(fā)生器、CCD功率驅(qū)動(dòng)器、模擬處理前端、數(shù)字圖像處理單元、控制器、電源部分以及外部光學(xué)成像系統(tǒng)等組成。從圖中可以看出CCD功率驅(qū)動(dòng)部分的作用是把CCD時(shí)序產(chǎn)生單元輸出的各種轉(zhuǎn)移脈沖信號(hào)進(jìn)行功率放大，以滿(mǎn)足CCD對(duì)驅(qū)動(dòng)波形電壓及電流以及時(shí)序的要求。驅(qū)動(dòng)信號(hào)的好壞會(huì)對(duì)CCD的電荷轉(zhuǎn)移效率產(chǎn)生較大的影響，從而影響成像的質(zhì)量。

圖1 CCD相機(jī)框圖

Fig.1 the block diagram of the CCD camera
對(duì)功率驅(qū)動(dòng)電路的要求是，波形電壓擺幅滿(mǎn)足CCD的要求，波形的上升和下降沿足夠快以滿(mǎn)足CCD的要求。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%到90%，設(shè)邊沿變化為線(xiàn)性的，負(fù)載為300pF電容，電壓幅度為20V，上升或下降沿的時(shí)間為20ns，那么在邊沿變化處會(huì)產(chǎn)生的電流為0.24安。在更高速的情況下電流將會(huì)更大。
綜上可見(jiàn)，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。因此CCD功率驅(qū)動(dòng)器的溫度往往較高[4]，選擇器件時(shí)要選擇工作電流足夠大的器件以滿(mǎn)足要求。
   
表1列出了當(dāng)前使用較廣泛的幾個(gè)CCD功率驅(qū)動(dòng)集成電路。從表中我們可以看出EL7457的上升和下降沿的變化最快，而且它為雙電源工作，因此不需要額外的電平搬移電路，但是EL7457的缺點(diǎn)是其工作電壓范圍較窄。注意，表中所列的電壓-5~15V是表示正負(fù)電源的最大范圍，實(shí)際上其正負(fù)電源的差值最大是15V[5]，所以如果負(fù)電源為-5V時(shí)，正電源只能達(dá)到10V，只有負(fù)電源為0V時(shí)，正電源才能達(dá)到15V。且EL7457的負(fù)電源也只能達(dá)到-5V。EL7212的上升和下降時(shí)間和EL7457相近，但是其為單電源工作，在雙極性的驅(qū)動(dòng)波形情況下，需要另外的電平搬移電路。ICL7667也是單電源工作，上升和下降沿較慢，只能用在相對(duì)慢速的CCD相機(jī)中。

表1 幾個(gè)CCD功率驅(qū)動(dòng)集成電路性能指標(biāo)

Tab.1 Performance of some CCD driver IC

3 CCD功率驅(qū)動(dòng)電路分析與設(shè)計(jì)
   
根據(jù)上述對(duì)CCD功率驅(qū)動(dòng)電路的具體要求，我們通過(guò)細(xì)致分析，設(shè)計(jì)了如下的電路形式。圖中時(shí)序發(fā)生單元的時(shí)序信號(hào)用脈沖波發(fā)生器和等效內(nèi)阻R2模擬，負(fù)載電容為C3這里設(shè)為300pF。

圖2 CCD相機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路圖

Fig.2 the circuit of CCD camera power driving
首先時(shí)序發(fā)生單元的時(shí)序信號(hào)經(jīng)過(guò)電容C1和C2耦合到二極管鉗位端，兩個(gè)二極管D1和D2及兩個(gè)電阻R1和R4用于把電容耦合過(guò)來(lái)的信號(hào)鉗位到固定的電平。這里正電平為+10V負(fù)電平為-10V。其中二極管D1把信號(hào)鉗位到正電平，使信號(hào)在正電平的基礎(chǔ)上向下擺動(dòng)。同理二極管D2把信號(hào)鉗位到負(fù)電平，使信號(hào)在負(fù)電平基礎(chǔ)上向上擺動(dòng)。注意二極管的方向要正確。這樣產(chǎn)生的兩個(gè)信號(hào)就用于控制兩個(gè)開(kāi)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(kāi)關(guān)輸出，注意若把發(fā)射極接在一起則為射極跟隨器而非開(kāi)關(guān)工作。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，該電路為反相驅(qū)動(dòng)電路。電阻R3可以控制加在負(fù)載電容的波形的邊沿變化時(shí)間。

在該電路中，二極管選用Philips公司的高速肖特基二極管，型號(hào)為BAT85/PLP[6]。其參數(shù)為：反向連續(xù)電壓VR為30V，前向?qū)▔航礦F在前向電流IF為1mA時(shí)為320mV。反向恢復(fù)時(shí)間trr為4ns。三極管也選用Philips公司的開(kāi)關(guān)三極管，型號(hào)分別為BSR14/PLP[7]和BSR16/PLP[8]。其中VCEO參數(shù)BSR14/PLP為40V，BSR16/PLP為60V。集電極電流IC參數(shù)BSR14/PLP為800mA，BSR16/PLP為600mA。這些參數(shù)都可以滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)波形電壓范圍寬，瞬態(tài)電流大的要求。

上述電路的各個(gè)元器件參數(shù)是按照10MHz的像素轉(zhuǎn)移時(shí)鐘給出的，若為其他的轉(zhuǎn)移時(shí)鐘或頻率有所變化，則可以修改上述參數(shù)，而電路結(jié)構(gòu)形式不變化。

4仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性及合理性。上述設(shè)計(jì)的電路在Cadence公司的OrCAD PSpice AD軟件下進(jìn)行了仿真。仿真的結(jié)果也再次證明了設(shè)計(jì)電路的合理性。圖3為仿真結(jié)果的波形圖，從圖中可以看出該電路為反相驅(qū)動(dòng)，輸出相對(duì)與輸入有10ns左右的延時(shí)。輸出波形在幅度上和邊沿變化時(shí)間上均符合要求。

圖3 仿真結(jié)果波形圖

Fig.3 the waveform of simulation result
按照上述電路結(jié)構(gòu)，我們采用對(duì)應(yīng)的元器件搭建了相應(yīng)的實(shí)際電路。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和仿真的結(jié)果基本一致。這表明此電路可以用在CCD相機(jī)中，這樣可以降低成本提高可靠性。

5結(jié)論

本文的創(chuàng)新點(diǎn)是：以較少的分立元器件實(shí)現(xiàn)了高性能的CCD功率驅(qū)動(dòng)電路，它可以用在傳統(tǒng)CCD功率驅(qū)動(dòng)集成電路在一些情況下無(wú)法勝任的場(chǎng)合。
CCD功率驅(qū)動(dòng)電路對(duì)CCD相機(jī)的性能具有較大的影響。而目前可供使用的CCD功率驅(qū)動(dòng)集成芯片有時(shí)候需要外加電平搬移電路有時(shí)候無(wú)法滿(mǎn)足電壓擺幅等方面的要求，且實(shí)現(xiàn)時(shí)成本較高。為此，本文設(shè)計(jì)了采用分立元器件實(shí)現(xiàn)的CCD功率驅(qū)動(dòng)電路。該電路相對(duì)于目前采用CCD專(zhuān)用功率驅(qū)動(dòng)集成芯片實(shí)現(xiàn)的電路具有成本低、可靠性高、工作電壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。因此，當(dāng)現(xiàn)有的驅(qū)動(dòng)器集成電路不能滿(mǎn)足要求時(shí)，可以使用該電路實(shí)現(xiàn)CCD相機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)。