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。3 实验测试
　　根据以上原理，设计了KAI-01050 的驱动电路，并进行了测试。图7为水平转移时钟的测试波形图，驱动信号频率为40 MHz，幅值-4~0 V，上升沿与下降沿时间仅为1.8 ns左右，符合CCD驱动时序要求。

　　

　　

　　图8 为三电平垂直转移时钟和电子快门是驱动信号波形，图中上面是三电平转移时钟信号，低电平为-9 V，中间电平0 V，高电平12 V;下面波形为电子快门信号，常态电平为6.9 V左右，在计数器计数到需要曝光的时序位置时，输出一个脉冲宽度不小于1 μs的29~40 V脉冲（相机设计值为32 V）。这两个信号其上升沿下降沿时间都很陡峭，满足驱动时序的要求。
　　4 结语
　　本文首先介绍了KAI-01050 CCD驱动信号的特点，分析了其功率驱动电路的设计难点，基于本方案设计的重点和难点进行了各种CCD 信号功率驱动电路的设计，并对部分电路进行仿真，验证了设计的合理性。本设计方案已经加工成产品，经实验验证，各部分功率驱动电路满足KAI-01050 CCD 的功率驱动要求，在四通道输出模式下，帧频可达120 f/s，充分验证了该方案的合理性。