高速面陣CCD KAI-01050功率驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)方案(一)

此CCD功率驅(qū)動(dòng)電路的難點(diǎn)包括40 MHz高速水平轉(zhuǎn)移和復(fù)位時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)、三電平階梯波形垂直轉(zhuǎn)移時(shí)鐘V1和高壓脈沖電子快門(mén)信號(hào)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。利用高速時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器ISL55110和鉗位電路實(shí)現(xiàn)了高速水平轉(zhuǎn)移時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)；利用兩個(gè)高速M(fèi)OSFET驅(qū)動(dòng)器組合的方案，實(shí)現(xiàn)了三電平階梯波形垂直轉(zhuǎn)移時(shí)鐘V1的驅(qū)動(dòng)；利用兩個(gè)互補(bǔ)高速三極管輪流開(kāi)關(guān)工作實(shí)現(xiàn)了高壓脈沖電子快門(mén)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)。對(duì)部分重點(diǎn)電路進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，并通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證了本方案所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路滿(mǎn)足高幀頻面陣CCD KAI-01050的各項(xiàng)驅(qū)動(dòng)要求。

　　0 引言

　　電荷耦合器件（CCD）是一種光電轉(zhuǎn)換式圖像傳感器，它將光信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。由于CCD 具有集成度高、低功耗、低噪聲、測(cè)量精度高、壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此，在精密測(cè)量、非接觸無(wú)損檢測(cè)、文件掃描與航空遙感等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。CCD 的功率驅(qū)動(dòng)是CCD 應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一，只有驅(qū)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(zhuǎn)換功能，輸出滿(mǎn)足應(yīng)用需求的信號(hào)。時(shí)序極為嚴(yán)格的多路驅(qū)動(dòng)信號(hào)是CCD正常工作的條件，由于CCD 是容性負(fù)載，因此設(shè)計(jì)具有一定帶負(fù)載能力驅(qū)動(dòng)信號(hào)成了CCD相機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(zhuǎn)移CCD，其驅(qū)動(dòng)電路不僅有高達(dá)40 MHz的高速水平轉(zhuǎn)移信號(hào)，還有三電平階梯的垂直轉(zhuǎn)移信號(hào)和高壓脈沖的電子快門(mén)信號(hào)。這些都屬于本文論述的功率驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

　　本文圍繞CCD KAI-01050進(jìn)行功率驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，對(duì)各部分的設(shè)計(jì)進(jìn)行原理分析，并對(duì)其中部分電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證，最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dá)30 f/s，雙通道輸出幀頻最高可達(dá)60 f/s，四通道輸出幀頻最高可達(dá)120 f/s.

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

　　（1）垂直轉(zhuǎn)移時(shí)鐘V1為三電平階梯信號(hào)；

　?。?）水平轉(zhuǎn)移和復(fù)位時(shí)鐘為40 MHz高速信號(hào)；

　?。?）電子快門(mén)信號(hào)為的峰值達(dá)29~40 V的高壓脈沖信號(hào)。

2 功率驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

　　CCD驅(qū)動(dòng)電路原理框圖如圖1所示。