基于KAI-01050 CCD功率電路的驅動方案

2.4電子快門驅動電路

KAI-01050 CCD為防止強光溢出提供一種結構可實現溢出保護和曝光時間可調節。溢出保護功能通過加在器件襯底的直流電壓來實現，若足夠大的電壓脈沖（峰值為29~40 V）加到襯底，所有光電二極管內電荷被抽空，隨后開始光積分階段，實現電子快門功能。

KAI-01050的電子快門電壓要求如圖4所示，要求加到襯底上的直流電壓為VSUB，VSUB的典型值為VAB，每個CCD芯片VAB可能不同，標注在CCD的包裝上，為5~15 V之間的值，在電子快門期間襯底上的電壓瞬間變為VES（電壓值為29~40 V），電壓脈沖的最小寬度為1μs.如果采用通常的CCD驅動電路，很難實現這樣高電壓、窄脈沖信號，為此設計采用兩個互補高速三極管輪流開關工作來實現高壓脈沖電子快門信號的驅動。原理如圖5所示電路，此電路中暫設VAB為8 V.


圖4 KAI-01050

首先時序發生單元的時序信號經過電容C1和C2耦合到兩個電阻鉗位端，兩個電阻R1和R2用于把電容耦合過來的信號鉗位到固定的電平。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。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，這兩個三極管組成的電路為反相驅動電路。驅動電路輸出經電容C3耦合到D1的鉗位電路，D1的作用是將輸出信號的低電平鉗位到VSUB（本電路中取值為8 V）。經鉗位電路后產生最后的電子快門信號。


圖5 電子快門功率驅動電路

利用Cadence軟件集成PSpICe工具對圖5所示的電路進行仿真，仿真的輸入波形高脈沖寬度選擇為電子快門要求的最小寬度1μs.為看到仿真波形的細節，輸入波形的周期（為電子快門的周期，在實際使用中為可調周期）選擇較短的20μs.鉗位電壓VSUB取值為8 V，可以取5~15 V之間的任何值，實際中以CCD器件包裝上標注的VAB值為準。CCD電子快門輸入管腳的等效負載電容為400 pF，為驗證此電路驅動能力是否滿足要求，此電路中加如了容值為400 pF的C4模擬CCD的等效電容負載。仿真結果如圖6所示。


圖6 電子快門功率驅動電路仿真波形

圖中下方曲線為輸入波形，上方曲線為輸出波形。

由輸出波形可知，高脈沖寬度與輸入一致，未出現失真，低電平為8 V，高電平為34 V，滿足29 V≤VES≤40 V的要求。

3實驗測試

根據以上原理，設計了KAI-01050的驅動電路，并進行了測試。圖7為水平轉移時鐘的測試波形圖，驅動信號頻率為40 MHz，幅值-4~0 V，上升沿與下降沿時間僅為1.8 ns左右，符合CCD驅動時序要求。


圖7 水平轉移時鐘的測試波形圖


圖8 三電平轉移時鐘和電子快門信號波形

圖8為三電平垂直轉移時鐘和電子快門是驅動信號波形，圖中上面是三電平轉移時鐘信號，低電平為-9 V，中間電平0 V，高電平12 V；下面波形為電子快門信號，常態電平為6.9 V左右，在計數器計數到需要曝光的時序位置時，輸出一個脈沖寬度不小于1μs的29~40 V脈沖（相機設計值為32 V）。這兩個信號其上升沿下降沿時間都很陡峭，滿足驅動時序的要求。

4結語

本文首先介紹了KAI-01050 CCD驅動信號的特點，分析了其功率驅動電路的設計難點，基于本方案設計的重點和難點進行了各種CCD信號功率驅動電路的設計，并對部分電路進行仿真，驗證了設計的合理性。