高速面阵CCD KAI-01050功率驱动电路的设计方案

文选用Intersil公司高速驱动器ISL55110和二极管钳位电路进行复位和水平转移时钟的驱动电路。此驱动器最高可提供3.5 A的驱动电流，在100 pF的负载电容下，电压摆幅为12 V时，上升时间仅为1.4 ns，下降时间仅为1.2 ns.完全满足水平转移和复位时钟的功率驱动要求。

　　2.3 垂直转移驱动电路

　　垂直转移信号分为两种：

　　（1）正常的两电平阶梯波形的V2T，V2B，V3T，V3B，V4T和V4B，高电平为GND，低电平为-9 V;

　　（2）三电平阶梯波形的V1T 和V1B，高电平为12 V，中间电平为GND，低电平为-9 V.

　　第一种驱动比较简单，利用驱动器和钳位电路的组合就可实现，本文不在赘述。本节主要介绍第二种电路的驱动。介绍了利用驱动器组合来实现三电平阶梯波形驱动，即把三电平阶梯脉冲分为上下两个信号，分别利用两个驱动器进行驱动，利用其中一个驱动器的输出控制另一个驱动的高电平电源管脚，从而实现三电平阶梯脉冲的驱动。

　　本文也选用驱动器组合的方法来实现，由表1 可知，KAI-01050 CCD的三电阶梯脉冲驱动的高低电平的差为21 V，如果选用普通的CCD 驱动器，很难产生21 V这么大压差的驱动。

　　本文选用IXYS 公司生产的高速MOSFET 驱动器IXDD404，它是一款双通道超快MOSFET 驱动器，每通道最高可以输出峰值为4 A的电流，高容性负载驱动能力，低传输延时时间，在负载为1 800 pF 时，上升/下降时间小于15 ns，4.5~35 V的宽电压操作范围。这些特点满足KAI-01050 三电平阶梯脉冲驱动电路对驱动器的需求。其原理图如图3所示。

　　将三电平信号V1分解为V1HM和V1ML信号，分别经过2 个IXDD404 驱动器U1 和U2 进行驱动。V1ML 经U1 驱动后的信号控制U2 的电源输入管脚，从而两个驱动器的组合产生所需的三电平阶梯波形信号。注意U2的GND 脚，接了-9 V，此处只是为U2 提供0 电平基准，并不是必须接GND.U2前端二极管钳位电路是将逻辑电平输入调整为U2的输入范围。

　　2.4 电子快门驱动电路

　　KAI-01050 CCD 为防止强光溢出提供一种结构可实现溢出保护和曝光时间可调节。溢出保护功能通过加在器件衬底的直流电压来实现，若足够大的电压脉冲（峰值为29~40 V）加到衬底，所有光电二极管内电荷被抽空，随后开始光积分阶段，实现电子快门功能。

　　KAI-01050 的电子快门电压要求如图4所示，要求加到衬底上的直流电压为VSUB，VSUB 的典型值为VAB，每个CCD芯片VAB可能不同，标注在CCD的包装上，为5~15 V之间的值，在电子快门期间衬底上的电压瞬间变为VES（电压值为29~40 V），电压脉冲的最小宽度为1 μs.如果采用通常的CCD 驱动电路，很难实现这样高电压、窄脉冲信号，为此设计采用两个互补高速三极管轮流开关工作来实现高压脉冲电子快门信号的驱动。原理如图5所示电路，此电路中暂设VAB为8 V.

　　首先时序发生单元的时序信号经过电容C1和C2耦合到两个电阻钳位端，两个电阻R1 和R2 用于把电容耦合过来的信号钳位到固定的电平。这样产生的两个信号就用于控制两个开关三极管的导通与截止。两个互补的三极管的集电极接在一起作为开关输出。当加在Q2基极的控制信号向上摆动时，三极管Q2就会导通，而这时加在Q1 基极的信号恰处在高电平期间，因而三极管Q1截止，所以输出到负载C3的信号为低电平。同理，当加在Q2基极的控制信号为低电平时，三极管Q2截止，而这时加在Q1基极的信号恰以高电平向下摆动，因而三极管Q1导通，所以输出到负载C3的信号为高电平。

　　因此，这两个三极管组成的电路为反相驱动电路。驱动电路输出经电容C3 耦合到D1 的钳位电路，D1 的作用是将输出信号的低电平钳位到VSUB（本电路中取值为8 V）。经钳位电路后产生最后的电子快门信号。

　　利用Cadence软件集成PSpice工具对图5所示的电路进行仿真，仿真的输入波形高脉冲宽度选择为电子快门要求的最小宽度1 μs.为看到仿真波形的细节，输入波形的周期（为电子快门的周期，在实际使用中为可调周期）选择较短的20 μs.钳位电压VSUB 取值为8 V，可以取5~15 V 之间的任何值，实际中以CCD 器件包装上标注的VAB值为准。CCD电子快门输入管脚的等效负载电容为400 pF，为验证此电路驱动能力是否满足要求，此电路中加如了容值为400 pF 的C4模拟CCD的等效电容负载。仿真结果如图6所示。

　　图中下方曲线为输入波形，上方曲线为输出波形。

　　由输出波形可知，高脉冲宽度与输入一致，未出现失真，低电平为8 V，高电平为34 V，满足29 V≤VES≤40 V的要求。

　　3 实验测试

根据以上原理，设计了KAI-01050 的驱动电路，并进