高速面陣CCD KAI-01050 功率驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)方案

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的驅(qū)動(dòng)。對部分重點(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)電路滿足高幀頻面陣CCD KAI-01050的各項(xiàng)驅(qū)動(dòng)要求。

0 引言

電荷耦合器件(CCD)是一種光電轉(zhuǎn)換式圖像傳感器，它將光信號直接轉(zhuǎn)換成電信號。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。時(shí)序極為嚴(yán)格的多路驅(qū)動(dòng)信號是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，還有三電平階梯的垂直轉(zhuǎn)移信號和高壓脈沖的電子快門信號。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)，對各部分的設(shè)計(jì)進(jìn)行原理分析，并對其中部分電路進(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5.5 μm×5.5 μm,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。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;

(2)水平轉(zhuǎn)移和復(fù)位時(shí)鐘為40 MHz高速信號;

(3)電子快門信號為的峰值達(dá)29~40 V的高壓脈沖信號。

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。

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。由于FPGA產(chǎn)生的是3.3 V幅度的信號，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，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。

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)鐘信號不僅對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)間對應(yīng)電平幅度的10%~90%.設(shè)邊沿變化為線性的，對于水平轉(zhuǎn)移時(shí)鐘，電壓幅度為4 V,負(fù)載電容取最大值90 pF,對于40 MHz 信號，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,對于40 MHz復(fù)位信號，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，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)電路對驅(qū)動(dòng)器的需求。其原理圖如圖3所示。

將三電平信號V1分解為V1HM和V1ML信號，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。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。

2.4 電子快門驅(qū)動(dòng)電路

KAI-01050 CCD 為防止強(qiáng)光溢出提供一種結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)溢出保護(hù)和曝光時(shí)間可調(diào)節(jié)。溢出保護(hù)功能通過加在器件襯底的直流電壓來實(shí)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(shí)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(gè)CCD芯片VAB可能不同，標(biāo)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(dòng)電路，很難實(shí)現(xiàn)這樣高電壓、窄脈沖信號，為此設(shè)計(jì)采用兩個(gè)互補(bǔ)高速三極管輪流開關(guān)工作來實(shí)現(xiàn)高壓脈沖電子快門信號的驅(qū)動(dòng)。原理如圖5所示電路，此電路中暫設(shè)VAB為8 V.

首先時(shí)序發(fā)生單元的時(shí)序信號經(jīng)過電容C1和C2耦合到兩個(gè)電阻鉗位端，兩個(gè)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(gè)信號就用于控制兩個(gè)開關(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關(guān)輸出。當(dāng)加在Q2基極的控制信號向上擺動(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的信號為低電平。同理，當(dāng)加在Q2基極的控制信號為低電平時(shí)，三極管Q2截止，而這時(shí)加在Q1基極的信號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的信號為高電平。

因此，這兩個(gè)三極管組成的電路為反相驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)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(jìn)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(xì)節(jié)，輸入波形的周期(為電子快門的周期，在實(shí)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(shí)際中以CCD 器件包裝上標(biāo)注的VAB值為準(zhǔn)。CCD電子快門輸入管腳的等效負(fù)載電容為400 pF,為驗(yàn)證此電路驅(qū)動(dòng)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(fù)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(shí)驗(yàn)測試

根據(jù)以上原理，設(shè)計(jì)了KAI-01050 的驅(qū)動(dòng)電路，并進(jìn)行了測試。圖7為水平轉(zhuǎn)移時(shí)鐘的測試波形圖，驅(qū)動(dòng)信號頻率為40 MHz,幅值-4~0 V,上升沿與下降沿時(shí)間僅為1.8 ns左右，符合CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序要求。

圖8 為三電平垂直轉(zhuǎn)移時(shí)鐘和電子快門是驅(qū)動(dòng)信號波形，圖中上面是三電平轉(zhuǎn)移時(shí)鐘信號，低電平為-9 V,中間電平0 V,高電平12 V;下面波形為電子快門信號，常態(tài)電平為6.9 V左右，在計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到需要曝光的時(shí)序位置時(shí)，輸出一個(gè)脈沖寬度不小于1 μs的29~40 V脈沖(相機(jī)設(shè)計(jì)值為32 V)。這兩個(gè)信號其上升沿下降沿時(shí)間都很陡峭，滿足驅(qū)動(dòng)時(shí)序的要求。

4 結(jié)語

本文首先介紹了KAI-01050 CCD驅(qū)動(dòng)信號的特點(diǎn)，分析了其功率驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，基于本方案設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行了各種CCD 信號功率驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，并對部分電路進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。本設(shè)計(jì)方案已經(jīng)加工成產(chǎn)品，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，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。