基于KAI-01050 CCD功率电路的驱动方案

此CCD功率驱动电路的难点包括40 MHz高速水平转移和复位时钟驱动、三电平阶梯波形垂直转移时钟V1和高压脉冲电子快门信号驱动设计。利用高速时钟驱动器ISL55110和钳位电路实现了高速水平转移时钟的驱动;利用两个高速MOSFET驱动器组合的方案，实现了三电平阶梯波形垂直转移时钟V1的驱动;利用两个互补高速三极管轮流开关工作实现了高压脉冲电子快门信号的驱动。

电荷耦合器件(CCD)是一种光电转换式图像传感器，它将光信号直接转换成电信号。由于CCD 具有集成度高、低功耗、低噪声、测量精度高、寿命长等诸多优点，因此，在精密测量、非接触无损检测、文件扫描与航空遥感等领域中得到了广泛的应用。CCD的功率驱动是CCD 应用的关键技术之一，只有驱动脉冲的相位和电压幅值满足CCD 的要求，CCD 才能正常的完成光电转换功能，输出满足应用需求的信号。时序极为严格的多路驱动信号是CCD正常工作的条件，由于CCD 是容性负载，因此设计具有一定带负载能力驱动信号成了CCD相机系统设计中的重点和难点。

KAI-01050是KODAK公司生产的一款高速面阵行间转移CCD,其驱动电路不仅有高达40 MHz的高速水平转移信号，还有三电平阶梯的垂直转移信号和高压脉冲的电子快门信号。这些都属于本文论述的功率驱动电路设计的重点和难点。

本文围绕CCD KAI-01050进行功率驱动电路设计，对各部分的设计进行原理分析，并对其中部分电路进行仿真验证，最后通过试验验证设计的可行性。

1 KAI-01050 面阵CCD

KAI-01050是KODAK公司生产的一款高速面阵行间转移CCD,1 024(V)×1 024(H)像素，像元大小为5.5 μm×5.5 μm,其模拟输出可选择单通道、双通道和四通道输出模式。其水平转移时钟最高频率为40 MHz,此时，单通道输出帧频最高可达30 f/s,双通道输出帧频最高可达60 f/s,四通道输出帧频最高可达120 f/s.

本文的论述的相机要求相机输出帧频为120 f/s,因此要求CCD 工作在最高水平转移时钟率40 MHz.本CCD 的驱动信号电压幅值要求和等效电容值如表1所示。

由表1可知，KAI-01050的驱动信号种类比较多，主要包括行转移(垂直转移)时钟、像素读出(水平转移)时钟、复位时钟和电子快门信号。其功率驱动电路设计重点和难点如下：

(1)垂直转移时钟V1为三电平阶梯信号;

(2)水平转移和复位时钟为40 MHz高速信号;

(3)电子快门信号为的峰值达29~40 V的高压脉冲信号。

2 功率驱动电路设计

CCD驱动电路原理框图如图1所示。

FPGA 产生垂直转移时钟、水平转移时钟、复位时钟和电子快门信号。由于FPGA产生的是3.3 V幅度的信号，需要经过功率驱动电路，转换成符合CCD要求的驱动脉冲信号，进而驱动CCD 正常工作。本文重点论述其中的功率驱动电路部分。

2.1 电压偏置模块

功率驱动电路所需电压如表1所示，根据电压需求设计的电压偏置电路原理框图如图2所示。

系统采用 12 V电源供电，电压偏置电路首先使用开关电源芯片(DC/DC)进行一级电压转换。又由于DC/DC输出电压的纹波和开关噪声较大，不能直接给电路供电，所以使用LDO芯片进行二次电压变换，最终获得稳定、低噪声的电压。

2.2 水平转移和复位驱动电路

由以上可知，欲使CCD工作在最高帧频120 f/s,水平转移和复位时钟的频率需要工作在40 MHz.每个驱动信号功率需求如式(1)所示：

式中：C 为CCD时钟管脚的等效电容;V 为信号的摆幅;f 为工作频率。由式(1)可知，频率越高，需要的功率越大。

时钟信号不仅对高低电平电压有要求，上升沿和下降沿时间也必须要在指定的范围内。要得到指定的上升时间，就必须提供相应大小的驱动电流。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。

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%~90%.设边沿变化为线性的，对于水平转移时钟，电压幅度为4 V,负载电容取最大值90 pF,对于40 MHz 信号，上升或下降沿的最长时间按5 ns 计算，那么在边沿变化处会产生的电流为57.6 mA;对于复位时钟，电压幅度为5 V,负载电容取最大值16 pF,对于40 MHz复位信号，占空比取1∶4,上升或下降沿的时间按3 ns计算，那么在边沿变化处会产生的电流为21.3 mA.