2 功率驅(qū)動電路設(shè)計

　　CCD驅(qū)動電路原理框圖如圖1所示。

　　FPGA 產(chǎn)生垂直轉(zhuǎn)移時鐘、水平轉(zhuǎn)移時鐘、復位時鐘和電子快門信號。由于FPGA產(chǎn)生的是3.3 V幅度的信號，需要經(jīng)過功率驅(qū)動電路，轉(zhuǎn)換成符合CCD要求的驅(qū)動脈沖信號，進而驅(qū)動CCD 正常工作。本文重點論述其中的功率驅(qū)動電路部分。

　　2.1 電壓偏置模塊

　　功率驅(qū)動電路所需電壓如表1所示，根據(jù)電壓需求設(shè)計的電壓偏置電路原理框圖如圖2所示。

　　系統(tǒng)采用+12 V電源供電，電壓偏置電路首先使用開關(guān)電源芯片（DC/DC）進行一級電壓轉(zhuǎn)換。又由于DC/DC輸出電壓的紋波和開關(guān)噪聲較大，不能直接給電路供電，所以使用LDO芯片進行二次電壓變換，最終獲得穩(wěn)定、低噪聲的電壓。

　　2.2 水平轉(zhuǎn)移和復位驅(qū)動電路

　　由以上可知，欲使CCD工作在最高幀頻120 f/s，水平轉(zhuǎn)移和復位時鐘的頻率需要工作在40 MHz.每個驅(qū)動信號功率需求如式（1）所示：

　　式中：C 為CCD時鐘管腳的等效電容；V 為信號的擺幅；f 為工作頻率。由式（1）可知，頻率越高，需要的功率越大。

　　時鐘信號不僅對高低電平電壓有要求，上升沿和下降沿時間也必須要在指定的范圍內(nèi)。要得到指定的上升時間，就必須提供相應(yīng)大小的驅(qū)動電流。對CCD 功率驅(qū)動電路的要求是在較大電壓擺幅情況下在快速的變化沿時能夠提供足夠大的瞬態(tài)驅(qū)動電流。

　　由于CCD 為容性負載，由下面電容模型的公式可以算出驅(qū)動器需要提供的瞬態(tài)電流。

　　上面的計算中定義上升或下降沿的時間對應(yīng)電平幅度的10%~90%.設(shè)邊沿變化為線性的，對于水平轉(zhuǎn)移時鐘，電壓幅度為4 V，負載電容取最大值90 pF，對于40 MHz 信號，上升或下降沿的最長時間按5 ns 計算，那么在邊沿變化處會產(chǎn)生的電流為57.6 mA;對于復位時鐘，電壓幅度為5 V，負載電容取最大值16 pF，對于40 MHz復位信號，占空比取1∶4，上升或下降沿的時間按3 ns計算，那么在邊沿變化處會產(chǎn)生的電流為21.3 mA.

　　本文選用Intersil公司高速驅(qū)動器ISL55110和二極管鉗位電路進行復位和水平轉(zhuǎn)移時鐘的驅(qū)動電路。此驅(qū)動器最高可提供3.5 A的驅(qū)動電流，在100 pF的負載電容下，電壓擺幅為12 V時，上升時間僅為1.4 ns，下降時間僅為1.2 ns.完全滿足水平轉(zhuǎn)移和復位時鐘的功率驅(qū)動要求。

　　2.3 垂直轉(zhuǎn)移驅(qū)動電路

　　垂直轉(zhuǎn)移信號分為兩種：

　　（1）正常的兩電平階梯波形的V2T，V2B，V3T，V3B，V4T和V4B，高電平為GND，低電平為-9 V;

　　（2）三電平階梯波形的V1T 和V1B，高電平為12 V，中間電平為GND，低電平為-9 V.

　　第一種驅(qū)動比較簡單，利用驅(qū)動器和鉗位電路的組合就可實現(xiàn)，本文不在贅述。本節(jié)主要介紹第二種電路的驅(qū)動。介紹了利用驅(qū)動器組合來實現(xiàn)三電平階梯波形驅(qū)動，即把三電平階梯脈沖分為上下兩個信號，分別利用兩個驅(qū)動器進行驅(qū)動，利用其中一個驅(qū)動器的輸出控制另一個驅(qū)動的高電平電源管腳，從而實現(xiàn)三電平階梯脈沖的驅(qū)動。

　　本文也選用驅(qū)動器組合的方法來實現(xiàn)，由表1 可知，KAI-01050 CCD的三電階梯脈沖驅(qū)動的高低電平的差為21 V，如果選用普通的CCD 驅(qū)動器，很難產(chǎn)生21 V這么大壓差的驅(qū)動。

　　本文選用IXYS 公司生產(chǎn)的高速MOSFET 驅(qū)動器IXDD404，它是一款雙通道超快MOSFET 驅(qū)動器，每通道最高可以輸出峰值為4 A的電流，高容性負載驅(qū)動能力，低傳輸延時時間，在負載為1 800 pF 時，上升/下降時間小于15 ns，4.5~35 V的寬電壓操作范圍。這些特點滿足KAI-01050 三電平階梯脈沖驅(qū)動電路對驅(qū)動器的需求。其原理圖如圖3所示。

　　將三電平信號V1分解為V1HM和V1ML信號，分別經(jīng)過2 個IXDD404 驅(qū)動器U1 和U2 進行驅(qū)動。V1ML 經(jīng)U1 驅(qū)動后的信號控制U2 的電源輸入管腳，從而兩個驅(qū)動器的組合產(chǎn)生所需的三電平階梯波形信號。注意U2的GND 腳，接了-9 V，此處只是為U2 提供0 電平基準，并不是必須接GND.U2前端二極管鉗位電路是將邏輯電平輸入調(diào)整為U2的輸入范圍。