高速面阵CCD KAI-01050功率驱动电路的设计方案

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　此CCD功率驱动电路的难点包括40 MHz高速水平转移和复位时钟驱动、三电平阶梯波形垂直转移时钟V1和高压脉冲电子快门信号驱动设计。利用高速时钟驱动器ISL55110和钳位电路实现了高速水平转移时钟的驱动；利用两个高速MOSFET驱动器组合的方案，实现了三电平阶梯波形垂直转移时钟V1的驱动；利用两个互补高速三极管轮流开关工作实现了高压脉冲电子快门信号的驱动。对部分重点电路进行了仿真验证，并通过测试验证了本方案所设计的驱动电路满足高帧频面阵CCD KAI-01050的各项驱动要求。
　　0 引言
　　电荷耦合器件（CCD）是一种光电转换式图像传感器，它将光信号直接转换成电信号。由于CCD 具有集成度高、低功耗、低噪声、测量精度高、寿命长等诸多优点，因此，在精密测量、非接触无损检测、文件扫描与航空遥感等领域中得到了广泛的应用。CCD 的功率驱动是CCD 应用的关键技术之一，只有驱动脉冲的相位和电压幅值满足CCD 的要求，CCD 才能正常的完成光电转换功能，输出满足应用需求的信号。时序极为严格的多路驱动信号是CCD正常工作的条件，由于CCD 是容性负载，因此设计具有一定带负载能力驱动信号成了CCD相机系统设计中的重点和难点。
　　KAI-01050是KODAK公司生产的一款高速面阵行间转移CCD，其驱动电路不仅有高达40 MHz的高速水平转移信号，还有三电平阶梯的垂直转移信号和高压脉冲的电子快门信号。这些都属于本文论述的功率驱动电路设计的重点和难点。
　　本文围绕CCD KAI-01050进行功率驱动电路设计，对各部分的设计进行原理分析，并对其中部分电路进行仿真验证，最后通过试验验证设计的可行性。
　　1 KAI-01050 面阵CCD
　　KAI-01050是KODAK公司生产的一款高速面阵行间转移CCD，1 024（V）×1 024（H）像素，像元大小为5.5 μm×5.5 μm，其模拟输出可选择单通道、双通道和四通道输出模式。其水平转移时钟最高频率为40 MHz，此时，单通道输出帧频最高可达30 f/s，双通道输出帧频最高可达60 f/s，四通道输出帧频最高可达120 f/s.
　　本文的论述的相机要求相机输出帧频为120 f/s，因此要求CCD 工作在最高水平转移时钟率40 MHz.本CCD 的驱动信号电压幅值要求和等效电容值如表1所示。

　　

　　由表1可知，KAI-01050的驱动信号种类比较多，主要包括行转移（垂直转移）时钟、像素读出（水平转移）时钟、复位时钟和电子快门信号。其功率驱动电路设计重点和难点如下：
　　（1）垂直转移时钟V1为三电平阶梯信号；
　　（2）水平转移和复位时钟为40 MHz高速信号；
　　（3）电子快门信号为的峰值达29~40 V的高压脉冲信号。　2 功率驱动电路设计
　　CCD驱动电路原理框图如图1所示。

　　

　　FPGA 产生垂直转移时钟、水平转移时钟、复位时钟和电子快门信号。由于FPGA产生的是3.3 V幅度的信号，需要经过功率驱动电路，转换成符合CCD要求的驱动脉冲信号，进而驱动CCD 正常工作。本文重点论述其中的功率驱动电路部分。
　　2.1 电压偏置模块
　　功率驱动电路所需电压如表1所示，根据电压需求设计的电压偏置电路原理框图如图2所示。

　　

　　系统采用+12 V电源供电，电压偏置电路首先使用开关电源芯片（DC/DC）进行一级电压转换。又由于DC/DC输出电压的纹波和开关噪声较大，不能直接给电路供电，所以使用LDO芯片进行二次电压变换，最终获得稳定、低噪声的电压。

　　2.2 水平转移和复位驱动电路

　　由以上可知，欲使CCD工作在最高帧频120 f/s，水平转移和复位时钟的频率需要工作在40 MHz.每个驱动信号功率需求如式（1）所示：

　　式中：C 为CCD时钟管脚的等效电容；V 为信号的摆幅；f 为工作频率。由式（1）可知，频率越高，需要的功率越大。
　　时钟信号不仅对高低电平电压有要求，上升沿和下降沿时间也必须要在指定的范围内。要得到指定的上升时间，就必须提供相应大小的驱动电流。对CCD 功率驱动电路的要求是在较大电压摆幅情况下在快速的变化沿时能够提供足够大的瞬态驱动电流。
　　由于CCD 为容性负载，由下面电容模型的公式可以算出驱动器需要提供的瞬态电流。

　　

　　上面的计算中定义上升或下降沿的时间对应电平幅度的10%~90%.设边沿变化为线性的，对于水平转移时钟，电压幅度为4 V，负载电容取最大值90 pF，对于40 MHz 信号，上升或下降沿的最长时间按5 ns 计算，那么在边沿变化处会产生的电流为57.6 mA;对于复位时钟，电压幅度为5 V，负载电容取最大值16 pF，对于40 MHz复位信号，占空比取1∶4，上升或下降沿的时间按3 ns计算，那么在边沿变化处会产生的电流为21.3 mA.
　　本文选用Intersil公司高速驱动器ISL55110和二极管钳位电路进行复位和水平转移时钟的驱动电路。此驱动器最高可提供3.5 A的驱动电流，在100 pF的负载电容下，电压摆幅为12 V时，上升时间仅为1.4 ns，下降时间仅为1.2 ns.完全满足水平转移和复位时钟的功率驱动要求。
　　2.3 垂直转移驱动电路
　　垂直转移信号分为两种：
　　（1）正常的两电平阶梯波形的V2T，V2B，V3T，V3B，V4T和V4B，高电平为GND，低电平为-9 V;
　　（2）三电平阶梯波形的V1T 和V1B，高电平为12 V，中间电平为GND，低电平为-9 V.
　　第一种驱动比较简单，利用驱动器和钳位电路的组合就可实现，本文不在赘述。本节主要介绍第二种电路的驱动。介绍了利用驱动器组合来实现三电平阶梯波形驱动，即把三电平阶梯脉冲分为上下两个信号，分别利用两个驱动器进行驱动，利用其中一个驱动器的输出控制另一个驱动的高电平电源管脚，从而实现三电平阶梯脉冲的驱动。
　　本文也选用驱动器组合的方法来实现，由表1 可知，KAI-01050 CCD的三电阶梯脉冲驱动的高低电平的差为21 V，如果选用普通的CCD 驱动器，很难产生21 V这么大压差的驱动。
　　本文选用IXYS 公司生产的高速MOSFET 驱动器IXDD404，它是一款双通道超快MOSFET 驱动器，每通道最高可以输出峰值为4 A的电流，高容性负载驱动能力，低传输延时时间，在负载为1 800 pF 时，上升/下降时间小于15 ns，4.5~35 V的宽电压操作范围。这些特点满足KAI-01050 三电平阶梯脉冲驱动电路对驱动器的需求。其原理图如图3所示。
　　将三电平信号V1分解为V1HM和V1ML信号，分别经过2 个IXDD404 驱动器U1 和U2 进行驱动。V1ML 经U1 驱动后的信号控制U2 的电源输入管脚，从而两个驱动器的组合产生所需的三电平阶梯波形信号。注意U2的GND 脚，接了-9 V，此处只是为U2 提供0 电平基准，并不是必须接GND.U2前端二极管钳位电路是将逻辑电平输入调整为U2的输入范围。