2.4電子快門驅(qū)動(dòng)電路

KAI-01050 CCD為防止強(qiáng)光溢出提供一種結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)溢出保護(hù)和曝光時(shí)間可調(diào)節(jié)。溢出保護(hù)功能通過加在器件襯底的直流電壓來實(shí)現(xiàn)，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(nèi)電荷被抽空，隨后開始光積分階段，實(shí)現(xiàn)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(gè)CCD芯片VAB可能不同，標(biāo)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?yōu)閂ES（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(qū)動(dòng)電路，很難實(shí)現(xiàn)這樣高電壓、窄脈沖信號(hào)，為此設(shè)計(jì)采用兩個(gè)互補(bǔ)高速三極管輪流開關(guān)工作來實(shí)現(xiàn)高壓脈沖電子快門信號(hào)的驅(qū)動(dòng)。原理如圖5所示電路，此電路中暫設(shè)VAB為8 V.


圖4 KAI-01050

首先時(shí)序發(fā)生單元的時(shí)序信號(hào)經(jīng)過電容C1和C2耦合到兩個(gè)電阻鉗位端，兩個(gè)電阻R1和R2用于把電容耦合過來的信號(hào)鉗位到固定的電平。這樣產(chǎn)生的兩個(gè)信號(hào)就用于控制兩個(gè)開關(guān)三極管的導(dǎo)通與截止。兩個(gè)互補(bǔ)的三極管的集電極接在一起作為開關(guān)輸出。當(dāng)加在Q2基極的控制信號(hào)向上擺動(dòng)時(shí)，三極管Q2就會(huì)導(dǎo)通，而這時(shí)加在Q1基極的信號(hào)恰處在高電平期間，因而三極管Q1截止，所以輸出到負(fù)載C3的信號(hào)為低電平。同理，當(dāng)加在Q2基極的控制信號(hào)為低電平時(shí)，三極管Q2截止，而這時(shí)加在Q1基極的信號(hào)恰以高電平向下擺動(dòng)，因而三極管Q1導(dǎo)通，所以輸出到負(fù)載C3的信號(hào)為高電平。

因此，這兩個(gè)三極管組成的電路為反相驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路輸出經(jīng)電容C3耦合到D1的鉗位電路，D1的作用是將輸出信號(hào)的低電平鉗位到VSUB（本電路中取值為8 V）。經(jīng)鉗位電路后產(chǎn)生最后的電子快門信號(hào)。


圖5 電子快門功率驅(qū)動(dòng)電路

利用Cadence軟件集成PSpICe工具對圖5所示的電路進(jìn)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(xì)節(jié)，輸入波形的周期（為電子快門的周期，在實(shí)際使用中為可調(diào)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(shí)際中以CCD器件包裝上標(biāo)注的VAB值為準(zhǔn)。CCD電子快門輸入管腳的等效負(fù)載電容為400 pF，為驗(yàn)證此電路驅(qū)動(dòng)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(fù)載。仿真結(jié)果如圖6所示。


圖6 電子快門功率驅(qū)動(dòng)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(xiàn)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(shí)驗(yàn)測試

根據(jù)以上原理，設(shè)計(jì)了KAI-01050的驅(qū)動(dòng)電路，并進(jìn)行了測試。圖7為水平轉(zhuǎn)移時(shí)鐘的測試波形圖，驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率為40 MHz，幅值-4~0 V，上升沿與下降沿時(shí)間僅為1.8 ns左右，符合CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序要求。


圖7 水平轉(zhuǎn)移時(shí)鐘的測試波形圖


圖8 三電平轉(zhuǎn)移時(shí)鐘和電子快門信號(hào)波形

圖8為三電平垂直轉(zhuǎn)移時(shí)鐘和電子快門是驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形，圖中上面是三電平轉(zhuǎn)移時(shí)鐘信號(hào)，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(hào)，常態(tài)電平為6.9 V左右，在計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到需要曝光的時(shí)序位置時(shí)，輸出一個(gè)脈沖寬度不小于1μs的29~40 V脈沖（相機(jī)設(shè)計(jì)值為32 V）。這兩個(gè)信號(hào)其上升沿下降沿時(shí)間都很陡峭，滿足驅(qū)動(dòng)時(shí)序的要求。

4結(jié)語

本文首先介紹了KAI-01050 CCD驅(qū)動(dòng)信號(hào)的特點(diǎn)，分析了其功率驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，基于本方案設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行了各種CCD信號(hào)功率驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，并對部分電路進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。