CCD相機功率驅動(dòng)電路設計

1 引言

電荷耦合器件（Charge Coupled Device）是美國貝爾實(shí)驗室的W.S.Boyle和G.E.Smith于1970年發(fā)明的半導體器件[1]。它被視為七十年代以來(lái)出現的最重要的一種半導體器件[2]。CCD由于具有信號輸出噪聲低、動(dòng)態(tài)范圍大、量子效率高以及電荷轉移效率高等優(yōu)點(diǎn)，因而以CCD為探測器的相機在機器視覺(jué)系統、安全保衛系統、智能交通系統以及Internet接入裝置等領(lǐng)域都得以廣泛應用。隨著(zhù)CCD技術(shù)的迅速發(fā)展，CCD相機也朝著(zhù)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)序信號而不需要功率驅動(dòng)，但大多數高性能CCD是需要功率驅動(dòng)的，且驅動(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信號需要進(jìn)行電平搬移和放大。而CCD為容性負載，所以在高速驅動(dòng)脈沖作用下會(huì )產(chǎn)生較大的瞬態(tài)電流，這就需要驅動(dòng)電路具有足夠強的電流驅動(dòng)能力。當前以CCD驅動(dòng)集成電路來(lái)實(shí)現CCD功率驅動(dòng)可以滿(mǎn)足一些相機要求。然而當CCD驅動(dòng)波形為雙極性時(shí)，單電源工作的驅動(dòng)集成電路仍然需要外加電平搬移電路。當CCD的驅動(dòng)波形電壓幅度超出CCD驅動(dòng)集成電路的工作電壓時(shí)，這些驅動(dòng)集成電路就不能滿(mǎn)足要求了，所以本文在分析了CCD功率驅動(dòng)電路及其要求的基礎上，設計了采用分立元器件的較通用的CCD相機功率驅動(dòng)電路。

2 CCD功率驅動(dòng)電路及其要求

圖1所示是典型的CCD相機框圖。CCD相機一般由CCD感光芯片、CCD時(shí)序發(fā)生器、CCD功率驅動(dòng)器、模擬處理前端、數字圖像處理單元、控制器、電源部分以及外部光學(xué)成像系統等組成。從圖中可以看出CCD功率驅動(dòng)部分的作用是把CCD時(shí)序產(chǎn)生單元輸出的各種轉移脈沖信號進(jìn)行功率放大，以滿(mǎn)足CCD對驅動(dòng)波形電壓及電流以及時(shí)序的要求。驅動(dòng)信號的好壞會(huì )對CCD的電荷轉移效率產(chǎn)生較大的影響，從而影響成像的質(zhì)量。

圖1 CCD相機框圖

Fig.1 the block diagram of the CCD camera
對功率驅動(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為容性負載，由下面電容模型的公式可以算出驅動(dòng)器需要提供的瞬態(tài)電流。

上面的計算中定義上升或下降沿的時(shí)間對應電平幅度的10%到90%，設邊沿變化為線(xiàn)性的，負載為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CCD功率驅動(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)驅動(dòng)電流。因此CCD功率驅動(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列出了當前使用較廣泛的幾個(gè)CCD功率驅動(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是表示正負電源的最大范圍，實(shí)際上其正負電源的差值最大是15V[5]，所以如果負電源為-5V時(shí)，正電源只能達到10V，只有負電源為0V時(shí)，正電源才能達到15V。且EL7457的負電源也只能達到-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，只能用在相對慢速的CCD相機中。

表1 幾個(gè)CCD功率驅動(dòng)集成電路性能指標

Tab.1 Performance of some CCD driver IC

3 CCD功率驅動(dòng)電路分析與設計

根據上述對CCD功率驅動(dòng)電路的具體要求，我們通過(guò)細致分析，設計了如下的電路形式。圖中時(shí)序發(fā)生單元的時(shí)序信號用脈沖波發(fā)生器和等效內阻R2模擬，負載電容為C3這里設為300pF。

圖2 CCD相機功率驅動(dòng)電路圖