高速面陣CCD KAI

摘要：KAI-01050是KODAK公司生產(chǎn)的最高幀頻可達(dá)120 f/s的高速面陣CCD.本方案針對其驅(qū)動信號特點(diǎn)，詳細(xì)介紹CCD各部分功率驅(qū)動電路設(shè)計(jì)。

此CCD功率驅(qū)動電路的難點(diǎn)包括40 MHz高速水平轉(zhuǎn)移和復(fù)位時鐘驅(qū)動、三電平階梯波形垂直轉(zhuǎn)移時鐘V1和高壓脈沖電子快門信號驅(qū)動設(shè)計(jì)。利用高速時鐘驅(qū)動器ISL55110和鉗位電路實(shí)現(xiàn)了高速水平轉(zhuǎn)移時鐘的驅(qū)動；利用兩個高速M(fèi)OSFET驅(qū)動器組合的方案，實(shí)現(xiàn)了三電平階梯波形垂直轉(zhuǎn)移時鐘V1的驅(qū)動；利用兩個互補(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。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)動電路滿足高幀頻面陣CCD KAI-01050的各項(xiàng)驅(qū)動要求。

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)動是CCD 應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一，只有驅(qū)動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。時序極為嚴(yán)格的多路驅(qū)動信號是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)移時鐘最高頻率為40 MHz,此時，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)移時鐘率40 MHz.本CCD 的驅(qū)動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)動信號種類比較多，主要包括行轉(zhuǎn)移（垂直轉(zhuǎn)移）時鐘、像素讀出（水平轉(zhuǎn)移）時鐘、復(fù)位時鐘和電子快門信號。其功率驅(qū)動電路設(shè)計(jì)重點(diǎn)和難點(diǎn)如下：

（1）垂直轉(zhuǎn)移時鐘V1為三電平階梯信號；

（2）水平轉(zhuǎn)移和復(fù)位時鐘為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)動電路設(shè)計(jì)

CCD驅(qū)動電路原理框圖如圖1所示。

FPGA 產(chǎn)生垂直轉(zhuǎn)移時鐘、水平轉(zhuǎn)移時鐘、復(fù)位時鐘和電子快門信號。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)動電路，轉(zhuǎn)換成符合CCD要求的驅(qū)動脈沖信號，進(jìn)而驅(qū)動CCD 正常工作。本文重點(diǎn)論述其中的功率驅(qū)動電路部分。

2.1 電壓偏置模塊

功率驅(qū)動電路所需電壓如表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)位時鐘的頻率需要工作在40 MHz.每個驅(qū)動信號功率需求如式（1）所示：

式中：C 為CCD時鐘管腳的等效電容；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。

時鐘信號不僅對高低電平電壓有要求，上升沿和下降沿時間也必須要在指定的范圍內(nèi)。要得到指定的上升時間，就必須提供相應(yīng)大小的驅(qū)動電流。對CCD 功率驅(qū)動電路的要求是在較大電壓擺幅情況下在快速的變化沿時能夠提供足夠大的瞬態(tài)驅(qū)動電流。

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間按5 ns 計(jì)算，那么在邊沿變化處會產(chǎn)生的電流為57.6 mA;對于復(fù)位時鐘，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,上升或下降沿的時間按3 ns計(jì)算，那么在邊沿變化處會產(chǎn)生的電流為21.3 mA.

本文選用Intersil公司高速驅(qū)動器ISL55110和二極管鉗位電路進(jìn)行復(fù)位和水平轉(zhuǎn)移時鐘的驅(qū)動電路。此驅(qū)動器最高可提供3.5 A的驅(qū)動電流，在100 pF的負(fù)載電容下，電壓擺幅為12 V時，上升時間僅為1.4 ns,下降時間僅為1.2 ns.完全滿足水平轉(zhuǎn)移和復(fù)位時鐘的功率驅(qū)動要求。

2.3 垂直轉(zhuǎn)移驅(qū)動電路

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)動比較簡單，利用驅(qū)動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。介紹了利用驅(qū)動器組合來實(shí)現(xiàn)三電平階梯波形驅(qū)動，即把三電平階梯脈沖分為上下兩個信號，分別利用兩個驅(qū)動器進(jìn)行驅(qū)動，利用其中一個驅(qū)動器的輸出控制另一個驅(qū)動的高電平電源管腳，從而實(shí)現(xiàn)三電平階梯脈沖的驅(qū)動。

本文也選用驅(qū)動器組合的方法來實(shí)現(xiàn)，由表1 可知，KAI-01050 CCD的三電階梯脈沖驅(qū)動的高低電平的差為21 V,如果選用普通的CCD 驅(qū)動器，很難產(chǎn)生21 V這么大壓差的驅(qū)動。

本文選用IXYS 公司生產(chǎn)的高速M(fèi)OSFET 驅(qū)動器IXDD404,它是一款雙通道超快MOSFET 驅(qū)動器，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)動能力，低傳輸延時時間，在負(fù)載為1 800 pF 時，上升/下降時間小于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)動電路對驅(qū)動器的需求。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IXDD404 驅(qū)動器U1 和U2 進(jìn)行驅(qū)動。V1ML 經(jīng)U1 驅(qū)動后的信號控制U2 的電源輸入管腳，從而兩個驅(qū)動器的組合產(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。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(dǎo)通與截止。兩個互補(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時，三極管Q2就會導(dǎo)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(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，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(dǎo)通，所以輸出到負(fù)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(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)動電路，并進(jìn)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。

圖8 為三電平垂直轉(zhuǎn)移時鐘和電子快門是驅(qū)動信號波形，圖中上面是三電平轉(zhuǎn)移時鐘信號，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)到需要曝光的時序位置時，輸出一個脈沖寬度不小于1 μs的29~40 V脈沖（相機(jī)設(shè)計(jì)值為32 V）。這兩個信號其上升沿下降沿時間都很陡峭，滿足驅(qū)動時序的要求。

4 結(jié)語

本文首先介紹了KAI-01050 CCD驅(qū)動信號的特點(diǎn)，分析了其功率驅(qū)動電路的設(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)動電路滿足KAI-01050 CCD 的功率驅(qū)動要求，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。（作者：曲洪豐，劉棟斌，李俊霖，李哲）