高速面陣CCD KAI-01050功率驅動(dòng)電路的設計方案(一)

此CCD功率驅動(dòng)電路的難點(diǎn)包括40 MHz高速水平轉移和復位時(shí)鐘驅動(dòng)、三電平階梯波形垂直轉移時(shí)鐘V1和高壓脈沖電子快門(mén)信號驅動(dòng)設計。利用高速時(shí)鐘驅動(dòng)器ISL55110和鉗位電路實(shí)現了高速水平轉移時(shí)鐘的驅動(dòng)；利用兩個(gè)高速MOSFET驅動(dòng)器組合的方案，實(shí)現了三電平階梯波形垂直轉移時(shí)鐘V1的驅動(dòng)；利用兩個(gè)互補高速三極管輪流開(kāi)關(guān)工作實(shí)現了高壓脈沖電子快門(mén)信號的驅動(dòng)。對部分重點(diǎn)電路進(jìn)行了仿真驗證，并通過(guò)測試驗證了本方案所設計的驅動(dòng)電路滿(mǎn)足高幀頻面陣CCD KAI-01050的各項驅動(dòng)要求。

　　0 引言

　　電荷耦合器件（CCD）是一種光電轉換式圖像傳感器，它將光信號直接轉換成電信號。由于CCD 具有集成度高、低功耗、低噪聲、測量精度高、壽命長(cháng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此，在精密測量、非接觸無(wú)損檢測、文件掃描與航空遙感等領(lǐng)域中得到了廣泛的應用。CCD 的功率驅動(dòng)是CCD 應用的關(guān)鍵技術(shù)之一，只有驅動(dòng)脈沖的相位和電壓幅值滿(mǎn)足CCD 的要求，CCD 才能正常的完成光電轉換功能，輸出滿(mǎn)足應用需求的信號。時(shí)序極為嚴格的多路驅動(dòng)信號是CCD正常工作的條件，由于CCD 是容性負載，因此設計具有一定帶負載能力驅動(dòng)信號成了CCD相機系統設計中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

　　KAI-01050是KODAK公司生產(chǎn)的一款高速面陣行間轉移CCD，其驅動(dòng)電路不僅有高達40 MHz的高速水平轉移信號，還有三電平階梯的垂直轉移信號和高壓脈沖的電子快門(mén)信號。這些都屬于本文論述的功率驅動(dòng)電路設計的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

　　本文圍繞CCD KAI-01050進(jìn)行功率驅動(dòng)電路設計，對各部分的設計進(jìn)行原理分析，并對其中部分電路進(jìn)行仿真驗證，最后通過(guò)試驗驗證設計的可行性。

　　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30 f/s，雙通道輸出幀頻最高可達60 f/s，四通道輸出幀頻最高可達120 f/s.

　　本文的論述的相機要求相機輸出幀頻為120 f/s，因此要求CCD 工作在最高水平轉移時(shí)鐘率40 MHz.本CCD 的驅動(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的驅動(dòng)信號種類(lèi)比較多，主要包括行轉移（垂直轉移）時(shí)鐘、像素讀出（水平轉移）時(shí)鐘、復位時(shí)鐘和電子快門(mén)信號。其功率驅動(dòng)電路設計重點(diǎn)和難點(diǎn)如下：

　?。?）垂直轉移時(shí)鐘V1為三電平階梯信號；

　?。?）水平轉移和復位時(shí)鐘為40 MHz高速信號；

　?。?）電子快門(mén)信號為的峰值達29~40 V的高壓脈沖信號。

2 功率驅動(dòng)電路設計

　　CCD驅動(dòng)電路原理框圖如圖1所示。