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对共模扼流圈的高速CCD驱动电路特点深入分析

作者:时间:2014-01-17来源:网络收藏

电荷耦合器件(CCD)在光电成像领域获得了广泛的应用,它具有高速、低噪声、宽动态范围以及线性响应等优点,然而要使CCD 正常工作,需要成像电路的支持。其中,CCD是成像电路的重要组成部分,负责把CCD收集的电荷包通过移位寄存器移动到输出节点进行信号电压的输出。由于是串行移位,因此需要高速的,而在高速成像领域,驱动电路的工作速度更高。此外,CCD驱动波形的电压幅度往往很高,而CCD的移位寄存器是电容性负载,高速大电压幅度驱动电容性负载需要较大的功耗,因此,基于CCD 的成像系统功耗都相对较大,功耗大会导致CCD驱动器温度较高,温度高会影响系统的可靠性和寿命。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/226834.htm

针对这个问题,采用CCD驱动器首先产生低电压的驱动信号,然后利用进行电压的放大。由于CCD 驱动器的电压降低了,使得CCD 驱动器的自身功耗大幅度下降。由于的差模电感很小,可以有效避免和CCD 的容性负载产生谐振,因此可以保证驱动信号的质量。

1 CCD驱动电路分析

为了设计高速低功耗CCD 驱动电路,首先对CCD驱动电路进行建模分析。图1所示为CCD 驱动电路的等效模型。其中V 为驱动器的信号输出,Rdrv 代表驱动器的戴维宁等效内阻,Cdrv 代表驱动器的等效电容,Rccd代表CCD内部的走线等效串联电阻,Cccd代表CCD的等效负载电容。可见CCD 驱动电路为RC 充放电电路。

对于RC电路,其功耗可以用公式(1)近似给出。

对共模扼流圈的高速CCD驱动电路特点深入分析

式中:C 为电容值大小;V 为信号电压幅度大小;f 为信号的工作频率。公式中并不包含电阻R 的项,而实际上功耗则都消耗在电阻R 上,因为电容是不会消耗功耗的。对于相同的电容C ,当电阻值R 较大时,瞬态电流值较小但瞬态电流持续时间较长;当电阻值R 较小时,瞬态电流值较大但瞬态电流持续时间较短。这是公式中没有电阻R 项的原因。

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公式(1)还指出功耗和电压的平方是成正比的。因此只要把电压幅度降低就能大幅度降低功耗。而CCD的驱动电压往往很高,例如很多CCD 的复位脉冲驱动电压幅度可以达到10 V.驱动电路的功耗由驱动器的功耗和CCD的功耗两部分组成。驱动器的功耗是由于驱动器内部的寄生电容导致的。例如CCD 驱动器EL7457 的内部电容约为80pF。通过对电压放大可以使得驱动器的输出电压幅度下降,这样就可以有效地降低驱动器的功耗。2 基于共模扼流圈的驱动电路设计

共模扼流圈是一个紧密耦合的1∶1变压器,其漏电感较小。图2所示为变压器的电路符号,其由线圈电感L1 和线圈电感L2 组成,其互感为M .当L1 = L2 = M时,该变压器就是共模扼流圈。

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分析此类含有耦合电感的电路,采用的方法是去耦等效受控源,如图3 所示。把具有耦合的电路拆分成两个独立的支路进行分析。公式(2)和(3)给出具体的计算方法。

对共模扼流圈的高速CCD驱动电路特点深入分析

根据上述公式可知,当差模信号通过共模扼流圈时,由于磁通量相互抵消,所以就像共模扼流圈不存在一样;当共模信号通过共模扼流圈时,由于磁通量相互叠加,所以共模扼流圈具有很大的阻抗。这里采用共模扼流圈实现驱动的电路拓扑[4]如图4所示。图中V1 代表CCD 驱动器,L1 和L2 组成共模扼流圈,其同名端在图中用小圆圈标出。C1 为交流耦合电容,避免变压器直流短路。R1 和C2 为端接网络,用于抵消共模扼流圈的漏电感。R2 代表CCD的等效串联电阻,C2 代表CCD的等效负载电容。共模扼流圈在该电路中的作用是把输入信号的电压幅度放大2倍。其工作原理为输入信号分别从L1 和L2 的非同名端加入。那么L2 产生的磁通会在L1 的两端产生感应电压,该感应电压和加在L1 端的电压叠加从而实现了电压的2倍放大。R1和C2 的取值需要在实际的电路板调试时进行调整以保证

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