CCD相機功率驅動電路設計

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接入裝置等領域都得以廣泛應用。隨著CCD技術的迅速發(fā)展，CCD相機也朝著速度更高、控制更方便、品質性能更好的方向發(fā)展。

雖然有些CCD僅需要時序信號而不需要功率驅動，但大多數高性能CCD是需要功率驅動的，且驅動波形要求是雙極性的且幅度都較大。所以CCD時序產生單元[3]產生的TTL信號需要進行電平搬移和放大。而CCD為容性負載，所以在高速驅動脈沖作用下會產生較大的瞬態(tài)電流，這就需要驅動電路具有足夠強的電流驅動能力。當前以CCD驅動集成電路來實現CCD功率驅動可以滿足一些相機要求。然而當CCD驅動波形為雙極性時，單電源工作的驅動集成電路仍然需要外加電平搬移電路。當CCD的驅動波形電壓幅度超出CCD驅動集成電路的工作電壓時，這些驅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相機功率驅動電路。

2 CCD功率驅動電路及其要求

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功率驅動器、模擬處理前端、數字圖像處理單元、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功率驅動部分的作用是把CCD時序產生單元輸出的各種轉移脈沖信號進行功率放大，以滿足CCD對驅動波形電壓及電流以及時序的要求。驅動信號的好壞會對CCD的電荷轉移效率產生較大的影響，從而影響成像的質量。

圖1 CCD相機框圖

Fig.1 the block diagram of the CCD camera
對功率驅動電路的要求是，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)驅動電流。因此CCD功率驅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功率驅動集成電路性能指標

Tab.1 Performance of some CCD driver IC

3 CCD功率驅動電路分析與設計
   
根據上述對CCD功率驅動電路的具體要求，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)生器和等效內阻R2模擬，負載電容為C3這里設為300pF。

圖2 CCD相機功率驅動電路圖

Fig.2 the circuit of CCD camera power driving
首先時序發(fā)生單元的時序信號經過電容C1和C2耦合到二極管鉗位端，兩個二極管D1和D2及兩個電阻R1和R4用于把電容耦合過來的信號鉗位到固定的電平。這里正電平為+10V負電平為-10V。其中二極管D1把信號鉗位到正電平，使信號在正電平的基礎上向下擺動。同理二極管D2把信號鉗位到負電平，使信號在負電平基礎上向上擺動。注意二極管的方向要正確。這樣產生的兩個信號就用于控制兩個開關三極管的導通與截止。兩個互補的三極管的集電極接在一起作為開關輸出，注意若把發(fā)射極接在一起則為射極跟隨器而非開關工作。當加在Q2基極的控制信號向上擺動時，三極管Q2就會導通，而這時加在Q1基極的信號恰處在高電平期間，因而三極管Q1截止，所以輸出到負載C3的信號為低電平。同理，當加在Q2基極的控制信號為低電平時，三極管Q2截止，而這時加在Q1基極的信號恰以高電平向下擺動，因而三極管Q1導通，所以輸出到負載C3的信號為高電平。因此，該電路為反相驅動電路。電阻R3可以控制加在負載電容的波形的邊沿變化時間。

在該電路中，二極管選用Philips公司的高速肖特基二極管，型號為BAT85/PLP[6]。其參數為：反向連續(xù)電壓VR為30V，前向導通壓降VF在前向電流IF為1mA時為320mV。反向恢復時間trr為4ns。三極管也選用Philips公司的開關三極管，型號分別為BSR14/PLP[7]和BSR16/PLP[8]。其中VCEO參數BSR14/PLP為40V，BSR16/PLP為60V。集電極電流IC參數BSR14/PLP為800mA，BSR16/PLP為600mA。這些參數都可以滿足驅動波形電壓范圍寬，瞬態(tài)電流大的要求。

上述電路的各個元器件參數是按照10MHz的像素轉移時鐘給出的，若為其他的轉移時鐘或頻率有所變化，則可以修改上述參數，而電路結構形式不變化。

4仿真及實驗結果

為了驗證設計的正確性及合理性。上述設計的電路在Cadence公司的OrCAD PSpice AD軟件下進行了仿真。仿真的結果也再次證明了設計電路的合理性。圖3為仿真結果的波形圖，從圖中可以看出該電路為反相驅動，輸出相對與輸入有10ns左右的延時。輸出波形在幅度上和邊沿變化時間上均符合要求。

圖3 仿真結果波形圖

Fig.3 the waveform of simulation result
按照上述電路結構，我們采用對應的元器件搭建了相應的實際電路。實驗的結果和仿真的結果基本一致。這表明此電路可以用在CCD相機中，這樣可以降低成本提高可靠性。

5結論

本文的創(chuàng)新點是：以較少的分立元器件實現了高性能的CCD功率驅動電路，它可以用在傳統(tǒng)CCD功率驅動集成電路在一些情況下無法勝任的場合。
CCD功率驅動電路對CCD相機的性能具有較大的影響。而目前可供使用的CCD功率驅動集成芯片有時候需要外加電平搬移電路有時候無法滿足電壓擺幅等方面的要求，且實現時成本較高。為此，本文設計了采用分立元器件實現的CCD功率驅動電路。該電路相對于目前采用CCD專用功率驅動集成芯片實現的電路具有成本低、可靠性高、工作電壓范圍寬等優(yōu)點。因此，當現有的驅動器集成電路不能滿足要求時，可以使用該電路實現CCD相機的功率驅動。