基于KAI-01050 CCD功率电路的驱动方案

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本方案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。
       
        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。
       
        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5.5μm×5.5μm，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。
       
       
        图1 CCD驱动电路原理框图
       
        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。
       
       
        图2 电压偏置电路原理框图
       
        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。
       
       
        图3 三电平阶梯脉冲功率驱动原理图
       
        2.4电子快门驱动电路
       
        KAI-01050 CCD为防止强光溢出提供一种结构可实现溢出保护和曝光时间可调节。溢出保护功能通过加在器件衬底的直流电压来实现，若足够大的电压脉冲（峰值为29~40 V）加到衬底，所有光电二极管内电荷被抽空，随后开始光积分阶段，实现电子快门功能。
       
        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可能不同，标注在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1μs.如果采用通常的CCD驱动电路，很难实现这样高电压、窄脉冲信号，为此设计采用两个互补高速三极管轮流开关工作来实现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.
       
       
        图4 KAI-01050
       
        首先时序发生单元的时序信号经过电容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。这样产生的两个信号就用于控制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起作为开关输出。当加在Q2基极的控制信号向上摆动时，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基极的控制信号为低电平时，三极管Q2截止，而这时加在Q1基极的信号恰以高电平向下摆动，因而三极管Q1导通，所以输出到负载C3的信号为高电平。
       
        因此，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）。经钳位电路后产生最后的电子快门信号。
       
       
        图5 电子快门功率驱动电路
       
        利用Cadence软件集成PSpICe工具对图5所示的电路进行仿真，仿真的输入波形高脉冲宽度选择为电子快门要求的最小宽度1μs.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，在实际使用中为可调周期）选择较短的20μs.钳位电压VSUB取值为8 V，可以取5~15 V之间的任何值，实际中以CCD器件包装上标注的VAB值为准。CCD电子快门输入管脚的等效负载电容为400 pF，为验证此电路驱动能力是否满足要求，此电路中加如了容值为400 pF的C4模拟CCD的等效电容负载。仿真结果如图6所示。
       
       
        图6 电子快门功率驱动电路仿真波形
       
        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，高脉冲宽度与输入一致，未出现失真，低电平为8 V，高电平为34 V，满足29 V≤VES≤40 V的要求。
       
        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7 水平转移时钟的测试波形图
       
       
        图8 三电平转移时钟和电子快门信号波形
       
        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1μs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。

李小路

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