基于共模扼流圈的高速CCD驅(qū)動電路

摘 要： 為了降低CCD驅(qū)動電路的功耗，設(shè)計了基于共模扼流圈的CCD驅(qū)動電路。采用CCD驅(qū)動器產(chǎn)生低電壓的驅(qū)動信號，然后利用共模扼流圈進行電壓幅度的放大。由于CCD驅(qū)動器的電壓幅度降低了，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，有效地避免了和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。對設(shè)計的電路進行了電路板制作和測試。實驗結(jié)果表明，該電路在保證驅(qū)動信號質(zhì)量的前提下，可以有效地降低驅(qū)動電路的功耗。

關(guān)鍵詞： 共模扼流圈； 高速CCD； 驅(qū)動電路； 功耗

中圖分類號： TN386.5?34 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）13?0157?03

High?speed CCD drive circuit based on common mode choke

XUE Xu?cheng， FU Yao， HAN Cheng?shan

（Changchun Institute of Optics， Fine Mechanics and Physics， Chinese Academy of Sciences， Changchun 130033， China）

Abstract： In order to reduce the power consumption of CCD drive circuit， a CCD driving circuit based on common mode choke was designed. The CCD driver produces low voltage driving signals and the common mode choke amplifies the voltage amplitude of the driving signals. For the lowering of the CCD driver voltage， the power consumption of the driver itself is reduced substantially. Because of the small DM inductor of the common mode choke， the resonance with capacitive load of CCD could be avoided effectively. So the quality of driving signals can be guaranteed. The printed circuit board is made to test the driving circuit. Experimental results show that， this circuit can reduce the power consumption effectively and in the context of the driving signal quality is acceptable.

Keywords： common mode choke； high?speed CCD； driving circuit； power consumption

0 引 言

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[1]，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[2]。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。

1 CCD驅(qū)動電路分析

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。可見CCD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。

[P=CV2f] （1）

式中：[C]為電容值大小；[V]為信號電壓幅度大小；[f]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(dāng)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(dāng)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。

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圖1 CCD驅(qū)動電路等效模型

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。

2 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[3]。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(dāng)[L1=L2=M]時，該變壓器就是共模扼流圈。

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圖2 變壓器電路符號

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。

[U1=jωL1I1+jωMI2] （2）

[U2=jωL2I2+jωMI1] （3）

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圖3 變壓器去耦等效受控源

根據(jù)上述公式可知，當(dāng)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(dāng)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(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。

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圖4 基于共模扼流圈的CCD驅(qū)動電路

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。

3 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[5]。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。

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圖5 CCD驅(qū)動電路測試電路板

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。可見采用共模扼流圈后驅(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。

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圖6 實測CCD驅(qū)動波形

表1 不同情況下的功耗對比

[方案＼電壓 /V＼電流 /mA＼功耗 /mW＼單獨驅(qū)動器方案＼10＼71＼710＼共模扼流圈方案＼5＼39＼195＼]

4 結(jié) 論

對CCD驅(qū)動電路的特點和需求進行了深入分析。針對高速CCD驅(qū)動電路功耗大的問題，設(shè)計了基于共模扼流圈的高速低功耗驅(qū)動電路。該電路通過共模扼流圈對電壓幅度進行放大，從而使得CCD驅(qū)動器輸出電壓降低，這樣有效降低了功耗。由于共模扼流圈的差模電感很小，這樣可以避免和CCD的容性負載產(chǎn)生諧振，可以驅(qū)動保證信號的質(zhì)量。通過實際的電路板進行了測試，驅(qū)動波形可以滿足要求，且功耗大幅度降低，因此該電路可以應(yīng)用在高速CCD成像電路中。

參考文獻

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[3] OTT H W. Electromagnetic compatibility engineering [M]. Hoboken： Wiley， 2009.

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