基于共模扼流圈的高速CCD驱动电路设计方案

由于CCD驱动器的电压幅度降低了，使得CCD驱动器的自身功耗大幅度下降。由于共模扼流圈的差模电感很小，有效地避免了和CCD的容性负载产生谐振，因此本方案可以保证驱动信号的质量。对方案所设计的电路进行了电路板制作和测试。实验结果表明，该方案中所设计的电路在保证驱动信号质量的前提下，可以有效地降低驱动电路的功耗。
0 引言
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驱动电路是成像电路的重要组成部分，驱动电路负责把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，因此需要高速的驱动电路，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。
针对这个问题，采用CCD驱动器首先产生低电压的驱动信号，然后利用共模扼流圈进行电压的放大。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。由于共模扼流圈的差模电感很小，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。



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。



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10V。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。通过共模扼流圈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。



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。



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高速CCD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输出信号达到最佳。[page]



采用了上述电路后，把CCD驱动器的电压幅度降低了1/2，因此CCD驱动器的功耗也会下降为原来的1/4。
然而由于R1和C2端接网络的存在，会使得功耗会有所上升。但是和直接用驱动器进行驱动相比，功耗还是大幅度下降。

        
3 实验结果
为了实际验证设计的电路，进行了电路板设计制作和测试。测试板的驱动器和共模扼流圈的电路布局如图5所示，CCD驱动器为Intersil公司的EL7457，驱动器的供电为5V。
共模扼流圈采用TDK公司的ACM4520-901-2P，CCD采用75pF的电容模拟其负载情况。端接网络R1和C2的取值分别为100Ω和47pF。这样通过共模扼流圈后的驱动信号电压被放大为10V。图6所示为实测的CCD驱动波形，该波形是CCD的复位脉冲，其频率为12.5MHz，其占空比设计为12.5%，实际波形的占空比和设计值相符。直接采用驱动器10V供电驱动CCD时的电流为71mA，功耗为710mW；而采用该电路后，电流为39mA，功耗为195mW，如表1所示。可见采用共模扼流圈后驱动器的功耗大幅度下降。两种情况下实测功耗都比理论值大，这是因为电路板有较长的走线，走线的寄生电容导致的功耗。






4 结论
本文主要对CCD驱动电路的特点和需求进行了深入分析。文中针对高速CCD驱动电路功耗大的问题，提出了基于共模扼流圈的高速低功耗驱动电路设计方案。该方案中所设计的电路通过共模扼流圈对电压幅度进行放大，从而使得CCD驱动器输出电压降低，这样有效降低了功耗。由于共模扼流圈的差模电感很小，这样可以避免和CCD的容性负载产生谐振，可以驱动保证信号的质量。通过实际的电路板进行了测试，驱动波形可以满足要求，且功耗大幅度降低，因此该方案可应用在高速CCD成像电路中。