高速面陣CCD KAI-01050功率驅(qū)動電路的設(shè)計方案(一)

此CCD功率驅(qū)動電路的難點包括40 MHz高速水平轉(zhuǎn)移和復(fù)位時鐘驅(qū)動、三電平階梯波形垂直轉(zhuǎn)移時鐘V1和高壓脈沖電子快門信號驅(qū)動設(shè)計。利用高速時鐘驅(qū)動器ISL55110和鉗位電路實現(xiàn)了高速水平轉(zhuǎn)移時鐘的驅(qū)動；利用兩個高速MOSFET驅(qū)動器組合的方案，實現(xiàn)了三電平階梯波形垂直轉(zhuǎn)移時鐘V1的驅(qū)動；利用兩個互補高速三極管輪流開關(guān)工作實現(xiàn)了高壓脈沖電子快門信號的驅(qū)動。對部分重點電路進行了仿真驗證，并通過測試驗證了本方案所設(shè)計的驅(qū)動電路滿足高幀頻面陣CCD KAI-01050的各項驅(qū)動要求。

　　0 引言

　　電荷耦合器件（CCD）是一種光電轉(zhuǎn)換式圖像傳感器，它將光信號直接轉(zhuǎn)換成電信號。由于CCD 具有集成度高、低功耗、低噪聲、測量精度高、壽命長等諸多優(yōu)點，因此，在精密測量、非接觸無損檢測、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)動是CCD 應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一，只有驅(qū)動脈沖的相位和電壓幅值滿足CCD 的要求，CCD 才能正常的完成光電轉(zhuǎn)換功能，輸出滿足應(yīng)用需求的信號。時序極為嚴(yán)格的多路驅(qū)動信號是CCD正常工作的條件，由于CCD 是容性負(fù)載，因此設(shè)計具有一定帶負(fù)載能力驅(qū)動信號成了CCD相機系統(tǒng)設(shè)計中的重點和難點。

　　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)動電路不僅有高達(dá)40 MHz的高速水平轉(zhuǎn)移信號，還有三電平階梯的垂直轉(zhuǎn)移信號和高壓脈沖的電子快門信號。這些都屬于本文論述的功率驅(qū)動電路設(shè)計的重點和難點。

　　本文圍繞CCD KAI-01050進行功率驅(qū)動電路設(shè)計，對各部分的設(shè)計進行原理分析，并對其中部分電路進行仿真驗證，最后通過試驗驗證設(shè)計的可行性。

　　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)移時鐘最高頻率為40 MHz，此時，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.

　　本文的論述的相機要求相機輸出幀頻為120 f/s，因此要求CCD 工作在最高水平轉(zhuǎn)移時鐘率40 MHz.本CCD 的驅(qū)動信號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)動信號種類比較多，主要包括行轉(zhuǎn)移（垂直轉(zhuǎn)移）時鐘、像素讀出（水平轉(zhuǎn)移）時鐘、復(fù)位時鐘和電子快門信號。其功率驅(qū)動電路設(shè)計重點和難點如下：

　?。?）垂直轉(zhuǎn)移時鐘V1為三電平階梯信號；

　?。?）水平轉(zhuǎn)移和復(fù)位時鐘為40 MHz高速信號；

　　（3）電子快門信號為的峰值達(dá)29~40 V的高壓脈沖信號。

2 功率驅(qū)動電路設(shè)計

　　CCD驅(qū)動電路原理框圖如圖1所示。