基于共模扼流圈的高速CCD驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方案(一)
由于CCD驅(qū)動(dòng)器的電壓幅度降低了,使得CCD驅(qū)動(dòng)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(fù)載產(chǎn)生諧振,因此本方案可以保證驅(qū)動(dòng)信號(hào)的質(zhì)量。對(duì)方案所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行了電路板制作和測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方案中所設(shè)計(jì)的電路在保證驅(qū)動(dòng)信號(hào)質(zhì)量的前提下,可以有效地降低驅(qū)動(dòng)電路的功耗。
0 引言
電荷耦合器件(CCD)在光電成像領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用,它具有高速、低噪聲、寬動(dòng)態(tài)范圍以及線性響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn),然而要使CCD 正常工作,需要成像電路的支持。其中,CCD驅(qū)動(dòng)電路是成像電路的重要組成部分,驅(qū)動(dòng)電路負(fù)責(zé)把CCD收集的電荷包通過(guò)移位寄存器移動(dòng)到輸出節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)電壓的輸出。由于是串行移位,因此需要高速的驅(qū)動(dòng)電路,而在高速成像領(lǐng)域,驅(qū)動(dòng)電路的工作速度更高。此外,CCD驅(qū)動(dòng)波形的電壓幅度往往很高,而CCD的移位寄存器是電容性負(fù)載,高速大電壓幅度驅(qū)動(dòng)電容性負(fù)載需要較大的功耗,因此,基于CCD 的成像系統(tǒng)功耗都相對(duì)較大,功耗大會(huì)導(dǎo)致CCD驅(qū)動(dòng)器溫度較高,溫度高會(huì)影響系統(tǒng)的可靠性和壽命。
針對(duì)這個(gè)問(wèn)題,采用CCD 驅(qū)動(dòng)器首先產(chǎn)生低電壓的驅(qū)動(dòng)信號(hào),然后利用共模扼流圈進(jìn)行電壓的放大。由于CCD 驅(qū)動(dòng)器的電壓降低了,使得CCD 驅(qū)動(dòng)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(fù)載產(chǎn)生諧振,因此可以保證驅(qū)動(dòng)信號(hào)的質(zhì)量。
1 CCD驅(qū)動(dòng)電路分析
為了設(shè)計(jì)高速低功耗CCD 驅(qū)動(dòng)電路,首先對(duì)CCD驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行建模分析。圖1所示為CCD 驅(qū)動(dòng)電路的等效模型。其中V 為驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)輸出,Rdrv 代表驅(qū)動(dòng)器的戴維寧等效內(nèi)阻,Cdrv 代表驅(qū)動(dòng)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(fù)載電容??梢?jiàn)CCD 驅(qū)動(dòng)電路為RC 充放電電路。
對(duì)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(hào)電壓幅度大小;f 為信號(hào)的工作頻率。公式中并不包含電阻R 的項(xiàng),而實(shí)際上功耗則都消耗在電阻R 上,因?yàn)殡娙菔遣粫?huì)消耗功耗的。對(duì)于相同的電容C ,當(dāng)電阻值R 較大時(shí),瞬態(tài)電流值較小但瞬態(tài)電流持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng);當(dāng)電阻值R 較小時(shí),瞬態(tài)電流值較大但瞬態(tài)電流持續(xù)時(shí)間較短。這是公式中沒(méi)有電阻R 項(xiàng)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(qū)動(dòng)電壓往往很高,例如很多CCD 的復(fù)位脈沖驅(qū)動(dòng)電壓幅度可以達(dá)到10 V.驅(qū)動(dòng)電路的功耗由驅(qū)動(dòng)器的功耗和CCD的功耗兩部分組成。驅(qū)動(dòng)器的功耗是由于驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的寄生電容導(dǎo)致的。例如CCD 驅(qū)動(dòng)器EL7457 的內(nèi)部電容約為80 pF.通過(guò)共模扼流圈對(duì)電壓放大可以使得驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓幅度下降,這樣就可以有效地降低驅(qū)動(dòng)器的功耗。
評(píng)論