此CCD功率驱动电路的难点包含40 MHz高速水平搬运和复位时钟驱动、三电平阶梯波形笔直搬运时钟V1和高压脉冲电子快门信号驱动规划。运用高速时钟驱动器ISL55110和钳位电路完结了高速水平搬运时钟的驱动;运用两个高速MOSFET驱动器组合的计划，完结了三电平阶梯波形笔直搬运时钟V1的驱动;运用两个互补高速三极管轮番开关作业完结了高压脉冲电子快门信号的驱动。对部分要点电路进行了仿真验证，并通过测验验证了本计划所规划的驱动电路满意高帧频面阵CCD KAI-01050的各项驱动要求。
0 导言
电荷耦合器材(CCD)是一种光电转化式图画传感器，它将光信号直接转化成电信号。因为CCD 具有集成度高、低功耗、低噪声、丈量精度高、寿命长等许多长处，因而，在精细丈量、非触摸无损检测、文件扫描与航空遥感等领域中得到了广泛的运用。CCD的功率驱动是CCD 运用的关键技术之一，只要驱动脉冲的相位和电压幅值满意CCD 的要求，CCD 才干正常的完结光电转化功用，输出满意运用需求的信号。时序极为严厉的多路驱动信号是CCD正常作业的条件，因为CCD 是容性负载，因而规划具有必定带负载才能驱动信号成了CCD相机体系规划中的要点和难点。
KAI-01050是KODAK公司出产的一款高速面阵行间搬运CCD,其驱动电路不只有高达40 MHz的高速水平搬运信号，还有三电平阶梯的笔直搬运信号和高压脉冲的电子快门信号。这些都归于本文论说的功率驱动电路规划的要点和难点。
本文环绕CCD KAI-01050进行功率驱动电路规划，对各部分的规划进行原理剖析，并对其间部分电路进行仿真验证，终究通过试验验证规划的可行性。
1 KAI-01050 面阵CCD
KAI-01050是KODAK公司出产的一款高速面阵行间搬运CCD,1 024(V)×1 024(H)像素，像元巨细为5.5 μm×5.5 μm,其模仿输出可挑选单通道、双通道和四通道输出形式。其水平搬运时钟最高频率为40 MHz,此刻，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.
本文的论说的相机要求相机输出帧频为120 f/s,因而要求CCD 作业在最高水平搬运时钟率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的驱动信号品种比较多，首要包含行搬运(笔直搬运)时钟、像素读出(水平搬运)时钟、复位时钟和电子快门信号。其功率驱动电路规划要点和难点如下：
(1)笔直搬运时钟V1为三电平阶梯信号;
(2)水平搬运和复位时钟为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 功率驱动电路规划
CCD驱动电路原理框图如图1所示。
FPGA 发生笔直搬运时钟、水平搬运时钟、复位时钟和电子快门信号。因为FPGA发生的是3.3 V起伏的信号，需求通过功率驱动电路，转化成契合CCD要求的驱动脉冲信号，然后驱动CCD 正常作业。本文要点论说其间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，依据电压需求规划的电压偏置电路原理框图如图2所示。
体系选用+12 V电源供电，电压偏置电路首要运用开关电源芯片(DC/DC)进行一级电压转化。又因为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，所以运用LDO芯片进行二次电压改换，终究取得安稳、低噪声的电压。
2.2 水平搬运和复位驱动电路
由以上可知，欲使CCD作业在最高帧频120 f/s,水平搬运和复位时钟的频率需求作业在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 为作业频率。由式(1)可知，频率越高，需求的功率越大。
时钟信号不只对凹凸电平电压有要求，上升沿和下降沿时刻也有必要要在指定的规模内。要得到指定的上升时刻，就有必要供给相应巨细的驱动电流。对CCD 功率驱动电路的要求是在较大电压摆幅状况下在快速的改变沿时能够供给足够大的瞬态驱动电流。
因为CCD 为容性负载，由下面电容模型的公式能够算出驱动器需求供给的瞬态电流。
上面的核算中界说上升或下降沿的时刻对应电平起伏的10%~90%.设边缘改变为线性的，关于水平搬运时钟，电压起伏为4 V,负载电容取最大值90 pF,关于40 MHz 信号，上升或下降沿的最长时刻按5 ns 核算，那么在边缘改变处会发生的电流为57.6 mA;关于复位时钟，电压起伏为5 V,负载电容取最大值16 pF,关于40 MHz复位信号，占空比取1∶4,上升或下降沿的时刻按3 ns核算，那么在边缘改变处会发生的电流为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搬运时钟的驱动电路。此驱动器最高可供给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，上升时刻仅为1.4 ns,下降时刻仅为1.2 ns.彻底满意水平搬运和复位时钟的功率驱动要求。
2.3 笔直搬运驱动电路
笔直搬运信号分为两种：
(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,中心电平为GND,低电平为-9 V.
第一种驱动比较简单，运用驱动器和钳位电路的组合就可完结，本文不在赘述。本节首要介绍第二种电路的驱动。介绍了运用驱动器组合来完结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，别离运用两个驱动器进行驱动，运用其间一个驱动器的输出操控另一个驱动的高电平电源管脚，然后完结三电平阶梯脉冲的驱动。
本文也选用驱动器组合的方法来完结，由表1 可知，KAI-01050 CCD的三电阶梯脉冲驱动的凹凸电平的差为21 V,假如选用一般的CCD 驱动器，很难发生21 V这么大压差的驱动。
本文选用IXYS 公司出产的高速MOSFET 驱动器IXDD404,它是一款双通道超快MOSFET 驱动器，每通道最高能够输出峰值为4 A的电流，高容性负载驱动才能，低传输延时时刻，在负载为1 800 pF 时，上升/下降时刻小于15 ns,4.5~35 V的宽电压操作规模。这些特色满意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，别离通过2 个IXDD404 驱动器U1 和U2 进行驱动。V1ML 经U1 驱动后的信号操控U2 的电源输入管脚，然后两个驱动器的组合发生所需的三电平阶梯波形信号。留意U2的GND 脚，接了-9 V,此处仅仅为U2 供给0 电平基准，并不是有必要接GND.U2前端二极管钳位电路是将逻辑电平输入调整为U2的输入规模。
2.4 电子快门驱动电路
KAI-01050 CCD 为避免强光溢出供给一种结构可完结溢出维护和曝光时刻可调理。溢出维护功用通过加在器材衬底的直流电压来完结，若足够大的电压脉冲(峰值为29~40 V)加到衬底，一切光电二极管内电荷被抽暇，随后开端光积分阶段，完结电子快门功用。
KAI-01050 的电子快门电压要求如图4所示，要求加到衬底上的直流电压为VSUB,VSUB 的典型值为VAB,每个CCD芯片VAB或许不同，标示在CCD的包装上，为5~15 V之间的值，在电子快门期间衬底上的电压瞬间变为VES(电压值为29~40 V)，电压脉冲的最小宽度为1 μs.假如选用一般的CCD 驱动电路，很难完结这样高电压、窄脉冲信号，为此规划选用两个互补高速三极管轮番开关作业来完结高压脉冲电子快门信号的驱动。原理如图5所示电路，此电路中暂设VAB为8 V.
首要时序发生单元的时序信号通过电容C1和C2耦合到两个电阻钳位端，两个电阻R1 和R2 用于把电容耦合过来的信号钳位到固定的电平。这样发生的两个信号就用于操控两个开关三极管的导通与截止。两个互补的三极管的集电极接在一同作为开关输出。当加在Q2基极的操控信号向上摇摆时，三极管Q2就会导通，而这时加在Q1 基极的信号恰处在高电平期间，因而三极管Q1截止，所以输出到负载C3的信号为低电平。同理，当加在Q2基极的操控信号为低电平时，三极管Q2截止，而这时加在Q1基极的信号恰以高电平向下摇摆，因而三极管Q1导通，所以输出到负载C3的信号为高电平。
因而，这两个三极管组成的电路为反相驱动电路。驱动电路输出经电容C3 耦合到D1 的钳位电路，D1 的作用是将输出信号的低电平钳位到VSUB(本电路中取值为8 V)。经钳位电路后发生终究的电子快门信号。
运用Cadence软件集成PSpice东西对图5所示的电路进行仿真，仿真的输入波形高脉冲宽度挑选为电子快门要求的最小宽度1 μs.为看到仿真波形的细节，输入波形的周期(为电子快门的周期，在实践运用中为可调周期)挑选较短的20 μs.钳位电压VSUB 取值为8 V,能够取5~15 V 之间的任何值，实践中以CCD 器材包装上标示的VAB值为准。CCD电子快门输入管脚的等效负载电容为400 pF,为验证此电路驱动才能是否满意要求，此电路中加如了容值为400 pF 的C4模仿CCD的等效电容负载。仿真成果如图6所示。
图中下方曲线为输入波形，上方曲线为输出波形。
由输出波形可知，高脉冲宽度与输入共同，未呈现失真，低电平为8 V,高电平为34 V,满意29 V≤VES≤40 V的要求。
3 试验测验
依据以上原理，规划了KAI-01050 的驱动电路，并进行了测验。图7为水平搬运时钟的测验波形图，驱动信号频率为40 MHz,幅值-4~0 V,上升沿与下降沿时刻仅为1.8 ns左右，契合CCD驱动时序要求。
图8 为三电平笔直搬运时钟和电子快门是驱动信号波形，图中上面是三电平搬运时钟信号，低电平为-9 V,中心电平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，在计数器计数到需求曝光的时序方位时，输出一个脉冲宽度不小于1 μs的29~40 V脉冲(相机规划值为32 V)。这两个信号其上升沿下降沿时刻都很峻峭，满意驱动时序的要求。
4 结语
本文首要介绍了KAI-01050 CCD驱动信号的特色，剖析了其功率驱动电路的规划难点，根据本计划规划的要点和难点进行了各种CCD 信号功率驱动电路的规划，并对部分电路进行仿真，验证了规划的合理性。本规划计划现已加工成产品，经试验验证，各部分功率驱动电路满意KAI-01050 CCD 的功率驱动要求，在四通道输出形式下，帧频可达120 f/s,充沛验证了该计划的合理性。
