高速面陣CCD KAI-01050功率驅動電路的設計方案(一)

此CCD功率驅動電路的難點包括40 MHz高速水平轉移和復位時鐘驅動、三電平階梯波形垂直轉移時鐘V1和高壓脈沖電子快門信號驅動設計。利用高速時鐘驅動器ISL55110和鉗位電路實現了高速水平轉移時鐘的驅動；利用兩個高速MOSFET驅動器組合的方案，實現了三電平階梯波形垂直轉移時鐘V1的驅動；利用兩個互補高速三極管輪流開關工作實現了高壓脈沖電子快門信號的驅動。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計的驅動電路滿足高幀頻面陣CCD KAI-01050的各項驅動要求。

　　0 引言

　　電荷耦合器件（CCD）是一種光電轉換式圖像傳感器，它將光信號直接轉換成電信號。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域中得到了廣泛的應用。CCD 的功率驅動是CCD 應用的關鍵技術之一，只有驅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換功能，輸出滿足應用需求的信號。時序極為嚴格的多路驅動信號是CCD正常工作的條件，由于CCD 是容性負載，因此設計具有一定帶負載能力驅動信號成了CCD相機系統設計中的重點和難點。

　　KAI-01050是KODAK公司生產的一款高速面陣行間轉移CCD，其驅動電路不僅有高達40 MHz的高速水平轉移信號，還有三電平階梯的垂直轉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動電路設計的重點和難點。

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

　　1 KAI-01050 面陣CCD

　　KAI-01050是KODAK公司生產的一款高速面陣行間轉移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。其水平轉移時鐘最高頻率為40 MHz，此時，單通道輸出幀頻最高可達30 f/s，雙通道輸出幀頻最高可達60 f/s，四通道輸出幀頻最高可達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 工作在最高水平轉移時鐘率40 MHz.本CCD 的驅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的驅動信號種類比較多，主要包括行轉移（垂直轉移）時鐘、像素讀出（水平轉移）時鐘、復位時鐘和電子快門信號。其功率驅動電路設計重點和難點如下：

　　（1）垂直轉移時鐘V1為三電平階梯信號；

　　（2）水平轉移和復位時鐘為40 MHz高速信號；

　　（3）電子快門信號為的峰值達29~40 V的高壓脈沖信號。

2 功率驅動電路設計

　　CCD驅動電路原理框圖如圖1所示。