CCD相機功率驅(qū)動電路設計

1 引言

電荷耦合器件（Charge Coupled Device）是美國貝爾實驗室的W.S.Boyle和G.E.Smith于1970年發(fā)明的半導體器件[1]。它被視為七十年代以來出現(xiàn)的最重要的一種半導體器件[2]。CCD由于具有信號輸出噪聲低、動態(tài)范圍大、量子效率高以及電荷轉(zhuǎn)移效率高等優(yōu)點，因而以CCD為探測器的相機在機器視覺系統(tǒng)、安全保衛(wèi)系統(tǒng)、智能交通系統(tǒng)以及Internet接入裝置等領(lǐng)域都得以廣泛應用。隨著CCD技術(shù)的迅速發(fā)展，CCD相機也朝著速度更高、控制更方便、品質(zhì)性能更好的方向發(fā)展。

雖然有些CCD僅需要時序信號而不需要功率驅(qū)動，但大多數(shù)高性能CCD是需要功率驅(qū)動的，且驅(qū)動波形要求是雙極性的且幅度都較大。所以CCD時序產(chǎn)生單元[3]產(chǎn)生的TTL信號需要進行電平搬移和放大。而CCD為容性負載，所以在高速驅(qū)動脈沖作用下會產(chǎn)生較大的瞬態(tài)電流，這就需要驅(qū)動電路具有足夠強的電流驅(qū)動能力。當前以CCD驅(qū)動集成電路來實現(xiàn)CCD功率驅(qū)動可以滿足一些相機要求。然而當CCD驅(qū)動波形為雙極性時，單電源工作的驅(qū)動集成電路仍然需要外加電平搬移電路。當CCD的驅(qū)動波形電壓幅度超出CCD驅(qū)動集成電路的工作電壓時，這些驅(qū)動集成電路就不能滿足要求了，所以本文在分析了CCD功率驅(qū)動電路及其要求的基礎上，設計了采用分立元器件的較通用的CCD相機功率驅(qū)動電路。

2 CCD功率驅(qū)動電路及其要求

圖1所示是典型的CCD相機框圖。CCD相機一般由CCD感光芯片、CCD時序發(fā)生器、CCD功率驅(qū)動器、模擬處理前端、數(shù)字圖像處理單元、控制器、電源部分以及外部光學成像系統(tǒng)等組成。從圖中可以看出CCD功率驅(qū)動部分的作用是把CCD時序產(chǎn)生單元輸出的各種轉(zhuǎn)移脈沖信號進行功率放大，以滿足CCD對驅(qū)動波形電壓及電流以及時序的要求。驅(qū)動信號的好壞會對CCD的電荷轉(zhuǎn)移效率產(chǎn)生較大的影響，從而影響成像的質(zhì)量。

圖1 CCD相機框圖

Fig.1 the block diagram of the CCD camera
對功率驅(qū)動電路的要求是，波形電壓擺幅滿足CCD的要求，波形的上升和下降沿足夠快以滿足CCD的要求。由于CCD為容性負載，由下面電容模型的公式可以算出驅(qū)動器需要提供的瞬態(tài)電流。

上面的計算中定義上升或下降沿的時間對應電平幅度的10%到90%，設邊沿變化為線性的，負載為300pF電容，電壓幅度為20V，上升或下降沿的時間為20ns，那么在邊沿變化處會產(chǎn)生的電流為0.24安。在更高速的情況下電流將會更大。
綜上可見，對CCD功率驅(qū)動電路的要求是在較大電壓擺幅情況下在快速的變化沿時能夠提供足夠大的瞬態(tài)驅(qū)動電流。因此CCD功率驅(qū)動器的溫度往往較高[4]，選擇器件時要選擇工作電流足夠大的器件以滿足要求。

表1列出了當前使用較廣泛的幾個CCD功率驅(qū)動集成電路。從表中我們可以看出EL7457的上升和下降沿的變化最快，而且它為雙電源工作，因此不需要額外的電平搬移電路，但是EL7457的缺點是其工作電壓范圍較窄。注意，表中所列的電壓-5~15V是表示正負電源的最大范圍，實際上其正負電源的差值最大是15V[5]，所以如果負電源為-5V時，正電源只能達到10V，只有負電源為0V時，正電源才能達到15V。且EL7457的負電源也只能達到-5V。EL7212的上升和下降時間和EL7457相近，但是其為單電源工作，在雙極性的驅(qū)動波形情況下，需要另外的電平搬移電路。ICL7667也是單電源工作，上升和下降沿較慢，只能用在相對慢速的CCD相機中。

表1 幾個CCD功率驅(qū)動集成電路性能指標

Tab.1 Performance of some CCD driver IC

3 CCD功率驅(qū)動電路分析與設計

根據(jù)上述對CCD功率驅(qū)動電路的具體要求，我們通過細致分析，設計了如下的電路形式。圖中時序發(fā)生單元的時序信號用脈沖波發(fā)生器和等效內(nèi)阻R2模擬，負載電容為C3這里設為300pF。

圖2 CCD相機功率驅(qū)動電路圖