基于共模扼流圈的高速CCD驅動電路設計方案（一）

由于CCD驅動器的電壓幅度降低了，使得CCD驅動器的自身功耗大幅度下降。由于共模扼流圈的差模電感很小，有效地避免了和CCD的容性負載產(chǎn)生諧振，因此本方案可以保證驅動信號的質(zhì)量。對方案所設計的電路進行了電路板制作和測試。實驗結果表明，該方案中所設計的電路在保證驅動信號質(zhì)量的前提下，可以有效地降低驅動電路的功耗。

　　0 引言

　　電荷耦合器件（CCD）在光電成像領域獲得了廣泛的應用，它具有高速、低噪聲、寬動態(tài)范圍以及線性響應等優(yōu)點，然而要使CCD 正常工作，需要成像電路的支持。其中，CCD驅動電路是成像電路的重要組成部分，驅動電路負責把CCD收集的電荷包通過移位寄存器移動到輸出節(jié)點進行信號電壓的輸出。由于是串行移位，因此需要高速的驅動電路，而在高速成像領域，驅動電路的工作速度更高。此外，CCD驅動波形的電壓幅度往往很高，而CCD的移位寄存器是電容性負載，高速大電壓幅度驅動電容性負載需要較大的功耗，因此，基于CCD 的成像系統(tǒng)功耗都相對較大，功耗大會導致CCD驅動器溫度較高，溫度高會影響系統(tǒng)的可靠性和壽命。

　　針對這個問題，采用CCD 驅動器首先產(chǎn)生低電壓的驅動信號，然后利用共模扼流圈進行電壓的放大。由于CCD 驅動器的電壓降低了，使得CCD 驅動器的自身功耗大幅度下降。由于共模扼流圈的差模電感很小，可以有效避免和CCD 的容性負載產(chǎn)生諧振，因此可以保證驅動信號的質(zhì)量。

　　1 CCD驅動電路分析

　　為了設計高速低功耗CCD 驅動電路，首先對CCD驅動電路進行建模分析。圖1所示為CCD 驅動電路的等效模型。其中V 為驅動器的信號輸出，Rdrv 代表驅動器的戴維寧等效內(nèi)阻，Cdrv 代表驅動器的等效電容，Rccd代表CCD內(nèi)部的走線等效串聯(lián)電阻，Cccd代表CCD的等效負載電容。可見CCD 驅動電路為RC 充放電電路。

　　對于RC電路，其功耗可以用公式（1）近似給出。

　　式中：C 為電容值大??；V 為信號電壓幅度大??；f 為信號的工作頻率。公式中并不包含電阻R 的項，而實際上功耗則都消耗在電阻R 上，因為電容是不會消耗功耗的。對于相同的電容C ，當電阻值R 較大時，瞬態(tài)電流值較小但瞬態(tài)電流持續(xù)時間較長；當電阻值R 較小時，瞬態(tài)電流值較大但瞬態(tài)電流持續(xù)時間較短。這是公式中沒有電阻R 項的原因。

　　公式（1）還指出功耗和電壓的平方是成正比的。因此只要把電壓幅度降低就能大幅度降低功耗。而 CCD的驅動電壓往往很高，例如很多CCD 的復位脈沖驅動電壓幅度可以達到10 V.驅動電路的功耗由驅動器的功耗和CCD的功耗兩部分組成。驅動器的功耗是由于驅動器內(nèi)部的寄生電容導致的。例如CCD 驅動器EL7457 的內(nèi)部電容約為80 pF.通過共模扼流圈對電壓放大可以使得驅動器的輸出電壓幅度下降，這樣就可以有效地降低驅動器的功耗。