電荷耦合器件(CCD)在光電成像領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，它具有高速、低噪聲、寬動(dòng)態(tài)范圍以及線性響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，然而要使CCD 正常工作，需要成像電路的支持。其中，CCD驅(qū)動(dòng)電路是成像電路的重要組成部分，驅(qū)動(dòng)電路負(fù)責(zé)把CCD收集的電荷包通過(guò)移位寄存器移動(dòng)到輸出節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)電壓的輸出。由于是串行移位，因此需要高速的驅(qū)動(dòng)電路，而在高速成像領(lǐng)域，驅(qū)動(dòng)電路的工作速度更高。此外，CCD驅(qū)動(dòng)波形的電壓幅度往往很高，而CCD的移位寄存器是電容性負(fù)載，高速大電壓幅度驅(qū)動(dòng)電容性負(fù)載需要較大的功耗，因此，基于CCD 的成像系統(tǒng)功耗都相對(duì)較大，功耗大會(huì)導(dǎo)致CCD驅(qū)動(dòng)器溫度較高，溫度高會(huì)影響系統(tǒng)的可靠性和壽命。

 

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，采用CCD 驅(qū)動(dòng)器首先產(chǎn)生低電壓的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，然后利用共模扼流圈進(jìn)行電壓的放大。由于CCD 驅(qū)動(dòng)器的電壓降低了，使得CCD 驅(qū)動(dòng)器的自身功耗大幅度下降。由于共模扼流圈的差模電感很小，可以有效避免和CCD 的容性負(fù)載產(chǎn)生諧振，因此可以保證驅(qū)動(dòng)信號(hào)的質(zhì)量。

 

 

為了設(shè)計(jì)高速低功耗CCD 驅(qū)動(dòng)電路，首先對(duì)CCD驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行建模分析。圖1所示為CCD 驅(qū)動(dòng)電路的等效模型。其中V 為驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)輸出，Rdrv 代表驅(qū)動(dòng)器的戴維寧等效內(nèi)阻，Cdrv 代表驅(qū)動(dòng)器的等效電容，Rccd代表CCD內(nèi)部的走線等效串聯(lián)電阻，Cccd代表CCD的等效負(fù)載電容?？梢?jiàn)CCD 驅(qū)動(dòng)電路為RC 充放電電路。

對(duì)于RC電路，其功耗可以用公式(1)近似給出。

式中：C 為電容值大??；V 為信號(hào)電壓幅度大??；f 為信號(hào)的工作頻率。公式中并不包含電阻R 的項(xiàng)，而實(shí)際上功耗則都消耗在電阻R 上，因?yàn)殡娙菔遣粫?huì)消耗功耗的。對(duì)于相同的電容C ，當(dāng)電阻值R 較大時(shí)，瞬態(tài)電流值較小但瞬態(tài)電流持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)；當(dāng)電阻值R 較小時(shí)，瞬態(tài)電流值較大但瞬態(tài)電流持續(xù)時(shí)間較短。這是公式中沒(méi)有電阻R 項(xiàng)的原因。

 

 

公式(1)還指出功耗和電壓的平方是成正比的。因此只要把電壓幅度降低就能大幅度降低功耗。而 CCD的驅(qū)動(dòng)電壓往往很高，例如很多CCD 的復(fù)位脈沖驅(qū)動(dòng)電壓幅度可以達(dá)到10 V.驅(qū)動(dòng)電路的功耗由驅(qū)動(dòng)器的功耗和CCD的功耗兩部分組成。驅(qū)動(dòng)器的功耗是由于驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的寄生電容導(dǎo)致的。例如CCD 驅(qū)動(dòng)器EL7457 的內(nèi)部電容約為80 pF。通過(guò)共模扼流圈對(duì)電壓放大可以使得驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓幅度下降，這樣就可以有效地降低驅(qū)動(dòng)器的功耗。
 

基于共模扼流圈的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
 

共模扼流圈是一個(gè)緊密耦合的1∶1變壓器，其漏電感較小。圖2所示為變壓器的電路符號(hào)，其由線圈電感L1 和線圈電感L2 組成，其互感為M 。當(dāng)L1 = L2 = M時(shí)，該變壓器就是共模扼流圈。

 

分析此類含有耦合電感的電路，采用的方法是去耦等效受控源，如圖3 所示。把具有耦合的電路拆分成兩個(gè)獨(dú)立的支路進(jìn)行分析。公式(2)和(3)給出具體的計(jì)算方法。

 

 

根據(jù)上述公式可知，當(dāng)差模信號(hào)通過(guò)共模扼流圈時(shí)，由于磁通量相互抵消，所以就像共模扼流圈不存在一樣;當(dāng)共模信號(hào)通過(guò)共模扼流圈時(shí)，由于磁通量相互疊加，所以共模扼流圈具有很大的阻抗。這里采用共模扼流圈實(shí)現(xiàn)高速CCD驅(qū)動(dòng)的電路拓?fù)鋄4]如圖4所示。圖中V1 代表CCD 驅(qū)動(dòng)器，L1 和L2 組成共模扼流圈，其同名端在圖中用小圓圈標(biāo)出。C1 為交流耦合電容，避免變壓器直流短路。R1 和C2 為端接網(wǎng)絡(luò)，用于抵消共模扼流圈的漏電感。R2 代表CCD的等效串聯(lián)電阻，C2 代表CCD的等效負(fù)載電容。共模扼流圈在該電路中的作用是把輸入信號(hào)的電壓幅度放大2倍。其工作原理為輸入信號(hào)分別從L1 和L2 的非同名端加入。那么L2 產(chǎn)生的磁通會(huì)在L1 的兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓，該感應(yīng)電壓和加在L1端的電壓疊加從而實(shí)現(xiàn)了電壓的2倍放大。R1和C2 的取值需要在實(shí)際的電路板調(diào)試時(shí)進(jìn)行調(diào)整以保證輸出信號(hào)達(dá)到最佳。

 

 

采用了上述電路后，把CCD驅(qū)動(dòng)器的電壓幅度降低了1/2，因此CCD 驅(qū)動(dòng)器的功耗也會(huì)下降為原來(lái)的1/4.

然而由于R1 和C2 端接網(wǎng)絡(luò)的存在，會(huì)使得功耗會(huì)有所上升。但是和直接用驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)相比，功耗還是大幅度下降。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果
 

為了實(shí)際驗(yàn)證設(shè)計(jì)的電路，進(jìn)行了電路板設(shè)計(jì)制作和測(cè)試。測(cè)試板的驅(qū)動(dòng)器和共模扼流圈的電路布局如圖5所示，CCD驅(qū)動(dòng)器為Intersil公司的EL7457，驅(qū)動(dòng)器的供電為5 V。

 

共模扼流圈采用TDK 公司的ACM4520-901-2P，CCD 采用75 pF 的電容模擬其負(fù)載情況。端接網(wǎng)絡(luò)R1和C2 的取值分別為100 Ω和47 pF.這樣通過(guò)共模扼流圈后的驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓被放大為10 V。圖6所示為實(shí)測(cè)的CCD驅(qū)動(dòng)波形，該波形是CCD的復(fù)位脈沖，其頻率為12.5 MHz，其占空比設(shè)計(jì)為12.5%，實(shí)際波形的占空比和設(shè)計(jì)值相符。直接采用驅(qū)動(dòng)器10 V供電驅(qū)動(dòng)CCD時(shí)的電流為71 mA，功耗為710 mW;而采用該電路后，電流為39 mA，功耗為195 mW，如表1所示?？梢?jiàn)采用共模扼流圈后驅(qū)動(dòng)器的功耗大幅度下降。兩種情況下實(shí)測(cè)功耗都比理論值大，這是因?yàn)殡娐钒逵休^長(zhǎng)的走線，走線的寄生電容導(dǎo)致的功耗。