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、寬動態(tài)范圍以及線性響應(yīng)等優(yōu)點，然而要使CCD 正常工作，需要成像電路的支持。其中，CCD驅(qū)動電路是成像電路的重要組成部分，驅(qū)動電路負責(zé)把CCD收集的電荷包通過移位寄存器移動到輸出節(jié)點進行信號電壓的輸出。由于是串行移位，因此需要高速的驅(qū)動電路，而在高速成像領(lǐng)域，驅(qū)動電路的工作速度更高。此外，CCD驅(qū)動波形的電壓幅度往往很高，而CCD的移位寄存器是電容性負載，高速大電壓幅度驅(qū)動電容性負載需要較大的功耗，因此，基于CCD 的成像系統(tǒng)功耗都相對較大，功耗大會導(dǎo)致CCD驅(qū)動器溫度較高，溫度高會影響系統(tǒng)的可靠性和壽命。

 

針對這個問題，采用CCD 驅(qū)動器首先產(chǎn)生低電壓的驅(qū)動信號，然后利用共模扼流圈進行電壓的放大。由于CCD 驅(qū)動器的電壓降低了，使得CCD 驅(qū)動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 的容性負載產(chǎn)生諧振，因此可以保證驅(qū)動信號的質(zhì)量。

 

 

為了設(shè)計高速低功耗CCD 驅(qū)動電路，首先對CCD驅(qū)動電路進行建模分析。圖1所示為CCD 驅(qū)動電路的等效模型。其中V 為驅(qū)動器的信號輸出，Rdrv 代表驅(qū)動器的戴維寧等效內(nèi)阻，Cdrv 代表驅(qū)動器的等效電容，Rccd代表CCD內(nèi)部的走線等效串聯(lián)電阻，Cccd代表CCD的等效負載電容?？梢奀CD 驅(qū)動電路為RC 充放電電路。

對于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 為信號電壓幅度大?。籪 為信號的工作頻率。公式中并不包含電阻R 的項，而實際上功耗則都消耗在電阻R 上，因為電容是不會消耗功耗的。對于相同的電容C ，當電阻值R 較大時，瞬態(tài)電流值較小但瞬態(tài)電流持續(xù)時間較長；當電阻值R 較小時，瞬態(tài)電流值較大但瞬態(tài)電流持續(xù)時間較短。這是公式中沒有電阻R 項的原因。

 

 

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)動電壓往往很高，例如很多CCD 的復(fù)位脈沖驅(qū)動電壓幅度可以達到10 V.驅(qū)動電路的功耗由驅(qū)動器的功耗和CCD的功耗兩部分組成。驅(qū)動器的功耗是由于驅(qū)動器內(nèi)部的寄生電容導(dǎo)致的。例如CCD 驅(qū)動器EL7457 的內(nèi)部電容約為80 pF。通過共模扼流圈對電壓放大可以使得驅(qū)動器的輸出電壓幅度下降，這樣就可以有效地降低驅(qū)動器的功耗。
 

基于共模扼流圈的驅(qū)動電路設(shè)計
 

共模扼流圈是一個緊密耦合的1∶1變壓器，其漏電感較小。圖2所示為變壓器的電路符號，其由線圈電感L1 和線圈電感L2 組成，其互感為M 。當L1 = L2 = M時，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獨立的支路進行分析。公式(2)和(3)給出具體的計算方法。

 

 

根據(jù)上述公式可知，當差模信號通過共模扼流圈時，由于磁通量相互抵消，所以就像共模扼流圈不存在一樣;當共模信號通過共模扼流圈時，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現(xiàn)高速CCD驅(qū)動的電路拓撲[4]如圖4所示。圖中V1 代表CCD 驅(qū)動器，L1 和L2 組成共模扼流圈，其同名端在圖中用小圓圈標出。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的等效負載電容。共模扼流圈在該電路中的作用是把輸入信號的電壓幅度放大2倍。其工作原理為輸入信號分別從L1 和L2 的非同名端加入。那么L2 產(chǎn)生的磁通會在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現(xiàn)了電壓的2倍放大。R1和C2 的取值需要在實際的電路板調(diào)試時進行調(diào)整以保證輸出信號達到最佳。

 

 

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

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

實驗結(jié)果
 

為了實際驗證設(shè)計的電路，進行了電路板設(shè)計制作和測試。測試板的驅(qū)動器和共模扼流圈的電路布局如圖5所示，CCD驅(qū)動器為Intersil公司的EL7457，驅(qū)動器的供電為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.這樣通過共模扼流圈后的驅(qū)動信號電壓被放大為10 V。圖6所示為實測的CCD驅(qū)動波形，該波形是CCD的復(fù)位脈沖，其頻率為12.5 MHz，其占空比設(shè)計為12.5%，實際波形的占空比和設(shè)計值相符。直接采用驅(qū)動器10 V供電驅(qū)動CCD時的電流為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?？梢姴捎霉材６罅魅篁?qū)動器的功耗大幅度下降。兩種情況下實測功耗都比理論值大，這是因為電路板有較長的走線，走線的寄生電容導(dǎo)致的功耗。