CCD相机功率驱动电路设计

    1 引言

    电荷耦合器件(Charge Coupled Device)是美国贝尔实验室的W.S.Boyle 和 G.E.Smith 于 1970 年发明的半导体器件。它被视为七十年代以来出现的最重要的一种半导体器件。CCD 由于具有信号输出噪声低、动态范围大、量子效率高以及电荷转移效率高等优点, 因而以 CCD 为探测器的相机在机器视觉系统、安全保卫系统、智能交通系统以及 Internet 接入装置等领域都得以广泛应用。随着 CCD 技术的迅速发展, CCD 相机也朝着速度更高、控制更方便、品质性能更好的方向发展。

    虽然有些 CCD 仅需要时序信号而不需要功率驱动, 但大多数高性能 CCD 是需要功率驱动的, 且驱动波形要求是双极性的且幅度都较大。所以 CCD 时序产生单元产生的 TTL 信号需要进行电平搬移和放大。而 CCD 为容性负载, 所以在高速驱动脉冲作用下会产生较大的瞬态电流, 这就需要驱动电路具有足够强的电流驱动能力。当前以 CCD 驱动集成电路来实现 CCD 功率驱动可以满足一些相机要求。然而当 CCD 驱动波形为双极性时, 单电源工作的驱动集成电路仍然需要外加电平搬移电路。当 CCD 的驱动波形电压幅度超出 CCD 驱动集成电路的工作电时, 这些驱动集成电路就不能满足要求了, 所以本文在分析了CCD 功率驱动电路及其要求的基础上, 设计了采用分立元器件的较通用的 CCD 相机功率驱动电路。

    2 CCD 功率驱动电路及其要求

    图 1 所示是典型的 CCD 相机框图。CCD 相机一般由 CCD感光芯片、CCD 时序发生器、CCD 功率驱动器、模拟处理前端、数字图像处理单元、控制器、电源部分以及外部光学成像系统等组成。从图中可以看出 CCD 功率驱动部分的作用是把 CCD 时序产生单元输出的各种转移脉冲信号进行功率放大, 以满足 CCD对驱动波形电压及电流以及时序的要求。驱动信号的好坏会对CCD 的电荷转移效率产生较大的影响, 从而影响成像的质量。

    对功率驱动电路的要求是, 波形电压摆幅满足 CCD 的要求, 波形的上升和下降沿足够快以满足 CCD 的要求。由于 CCD为容性负载, 由下面电容模型的公式可以算出驱动器需要提供的瞬态电流。

    上面的计算中定义上升或下降沿的时间对应电平幅度的10%到 90%, 设边沿变化为线性的, 负载为 300pF 电容, 电压幅4 度为 20V, 上升或下降沿的时间为 20ns, 那么在边沿变化处会产生的电流为 0.24 安。在更高速的情况下电流将会更大。

    综上可见, 对 CCD 功率驱动电路的要求是在较大电压摆幅情况下在快速的变化沿时能够提供足够大的瞬态驱动电流。因此 CCD 功率驱动器的温度往往较高, 选择器件时要选择工作电流足够大的器件以满足要求。表 1 列出了当前使用较广泛的几个 CCD 功率驱动集成电路。从表中我们可以看出 EL7457 的上升和下降沿的变化最快, 而且它为双电源工作, 因此不需要额外的电平搬移电路, 但是 EL7457 的缺点是其工作电压范围较窄。注意, 表中所列的电压 - 5~15V 是表示正负电源的最大范围, 实际上其正负电源的差值最大是 15V, 所以如果负电源为 - 5V时, 正电源只能达到 10V, 只有负电源为 0V 时, 正电源才能达到 15V。且 EL7457 的负电源也只能达到 - 5V。EL7212 的上升和下降时间和 EL7457 相近, 但是其为单电源工作, 在双极性的驱动波形情况下, 需要另外的电平搬移电路。ICL7667 也是单电源工作, 上升和下降沿较慢, 只能用在相对慢速的 CCD 相机中。