CN113079331A - 空间相机tdiccd复位驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种空间相机TDICCD复位驱动电路，可以产生高幅度窄脉冲驱动信号，其幅度高达12V，脉冲宽度小于10ns。采用带宽高达5GHz的射频双极型三极管加快信号的切换，保证信号上升沿和下降沿足够陡。与传统的三极管开关电路不同，本发明对两个三极管分别进行精细延时控制，在电平切换时，采用先将两个三极管同时关断，再打开其中一个三极管的方法，避免两个三极管瞬间同时导通的情况发生，在高速工作情况下大幅度降低电路自身的功耗。本发明能够克服传统CMOS器件易受辐射影响和高功耗的缺点，可以满足空间相机在空间应用TDICCD高速驱动中复位信号的需求。

Description

空间相机TDICCD复位驱动电路

技术领域

本发明涉及空间光电成像技术领域，特别涉及一种空间相机TDICCD复位驱动电路。

背景技术

卫星工作的外层空间有着复杂的辐射环境，辐射会对普通的半导体电子器件产生巨大的影响。空间辐射对半导体电子器件影响主要有两种，一种是辐射总剂量(TotalIonizing Dose，TID)，另一种是单粒子效应(Single Event Effect,SEE)。辐射总剂量TID是单位材料所受电离辐射剂量的总和，代表了器件所受辐射的平均强度，其影响主要是降低器件的使用寿命。单粒子效应SEE是指单个高能粒子对半导体器件造成的影响。在空间相机电子学系统中主要有单粒子翻转(Single event upset，SEU)和单粒子闩锁(Singleevent latch，SEL)。单粒子翻转是宇宙中高能粒子冲击半导体器件造成器件逻辑电平发生翻转，系统内部的数据发生错误。一般来说，单粒子翻转只会扰乱系统内部数据，而不会对系统本身造成破坏性影响。单粒子闩锁SEL主要发生在CMOS器件中，本应该处于高阻关闭状态的CMOS寄生可控硅结构由于高能单粒子的入射而导通，由于可控硅结构的正反馈特性导通电流越来越大，COMS器件进入大电流锁定状态，如果不及时将系统复位则会导致器件烧毁。

为了应对宇宙空间里的辐射，空间电子系统一般采用宇航级的电子器件。宇航级器件最大的特点就是稳定性强、耐高温、耐低温、耐辐射，但是宇航级器件成本很高，可供选择的元器件种类非常有限。

TDICCD电荷的测量过程是把一行电荷水平转移到相加阱进行逐个测量，每次测量需要清空上次测量的电荷，因此需要一个复位信号来清空上次测量的电荷。由于TDICCD为电容性负载，所以还需要信号具有一定的带负载能力。空间相机的性能需求越来越高，需要产生的复位信号速度也越来越快，复位脉冲脉宽也越来越窄。例如，图1所示为TDICCD视频信号，其周期较短，仅为40ns。这样就需要复位脉冲信号的宽度小于10ns，使得复位脉冲电路设计极具挑战性。一般的脉冲发生器件无法满足高速相机复位信号高幅值、短脉宽的要求，因此高速相机通常采取TDICCD驱动器来产生高速RST复位信号。但是这种产生高速RST复位信号的TDICCD驱动器目前还没有宇航级器件，而工业级RST驱动器采用的是CMOS工艺，在空间辐射环境中易产生单粒子闩锁而损坏，因此工业级RST驱动器不能直接用在空间相机上。因此急需一种能够产生高速RST复位信号的宇航级的驱动电路。

发明内容

本发明的目的在于提供一种空间相机TDICCD复位驱动电路，采用双极型三极管，不存在单粒子闩锁SEL的问题，满足空间器件抗辐射的要求，能够用在空间相机上。同时具有脉冲宽度窄、功耗低、幅值高、频率高、占空比可调、抗辐射的优点。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

本发明提供的空间相机TDICCD复位驱动电路，包括两个电平搬移电路、由PNP型三极管和NPN型三极管组成的开关电路；其中，PNP型三极管的发射极与电压源耦接，PNP型三极管的集电极与NPN型三极管的集电极耦接作为开关电路的输出端，PNP型三极管的基极与一个电平搬移电路耦接，NPN型三极管的发射极接地，NPN型三极管的基极与另一个电平搬移电路耦接，两个电平搬移电路分别接入脉冲输入信号，用于将脉冲输入信号的电平范围转换成开关电路的正常电压范围。

优选地，空间相机TDICCD复位驱动电路还包括第一精细延时电路、第二精细延时电路、第三精细延时电路、第一或门和第二或门；其中，第一或门的一个输入端接入脉冲输入信号，另一个输入端与第一精细延时电路的输出端耦接，第一精细延时电路的输入端接入脉冲输入信号，第一或门的输出端与一个电平搬移电路耦接；第二或门的一个输入端接入脉冲输入信号，另一个输入端与第二精细延时电路的输出端耦接，第二精细延时电路的输入端接入脉冲输入信号，第二或门的输出端与第三精细延时电路的输入端耦接，第三精细延时电路的输出端与另一个电平搬移电路耦接；以及，通过第一精细延时电路与第一或门的配合控制输入到PNP型三极管的脉冲输入信号的高低电平转换时间，及通过第二精细延时电路、第二或门与第三精细延时电路的配合控制输入到NPN型三极管的脉冲输入信号的高低电平转换时间，使PNP型三极管与NPN型三极管在某一时段内处于同时关断状态。

优选地，在电压源与PNP型三极管的发射极之间耦接有用于稳压的电源去耦滤波电路。

优选地，开关电路的输出端耦接有用于钳位输出电压的钳位电路。

优选地，钳位电路耦接有用于阻抗匹配的端接电路。

与传统的工业级RST驱动器相比，本发明采用高带宽射频双极型三极管，不仅具产生脉冲窄幅度大的优点，还具有开关速度快自身功耗低的优点，不使用CMOS驱动电路可以在太空中避免出现单粒子闩锁的问题，满足空间器件抗辐射的要求，能够用在空间相机上。

附图说明

图1是传统的TDICCD视频信号的波形示意图；

图2是根据本发明一个实施例的空间相机TDICCD复位驱动电路的结构示意图；

图3是根据本发明一个实施例的空间相机TDICCD复位驱动电路中各节点的波形示意图；

图4是根据本发明一个实施例的空间相机TDICCD复位驱动电路中节点6和7的详细波形示意图。

其中的附图标记包括：第一电平搬移电路1、电容C、二极管D、电阻R、第二电平搬移电路2、PNP型三极管3、NPN型三极管4、电源去耦滤波电路5、钳位电路6、端接电路7、第一精细延时电路8、第二精细延时电路9、第三精细延时电路10、第一或门11、第二或门12。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

图2示出了根据本发明一个实施例的空间相机TDICCD复位驱动电路的结构。

如图2所示，本发明实施例提供的空间相机TDICCD复位驱动电路，包括：第一电平搬移电路1、第二电平搬移电路2、PNP型三极管3和NPN型三极管4，PNP型三极管3和NPN型三极管4组成开关电路，PNP型三极管3和NPN型三极管4的集电极c耦接作为开关电路的输出端，PNP型三极管3的发射极与+12V的电压源耦接，PNP型三极管3的基极与第一电平搬移电路1的输出端耦接，NPN型三极管4的发射极接地，NPN型三极管4的基极与第二电平搬移电路2的输出端耦接，第一电平搬移电路1与第二电平搬移电路2的输入端分别接入脉冲输入信号，用于将脉冲输入信号的电平范围转换成开关电路的正常电压范围。

脉冲输入信号由FPGA输出，将第一电平搬移电路1与第二电平搬移电路2的输入端实质的作用是将FPGA输出的信号电压范围转换为PNP型三极管3和NPN型三极管4的基极的正常电压范围，保证PNP型三极管3和NPN型三极管4的正常工作。其中，第一电平搬移电路1用于将脉冲输入信号搬移到PNP型三极管3开关控制的电压范围内；电平搬移电路2将脉冲输入信号搬移到NPN型三极管4开关控制的电压范围内。第一电平搬移电路1与第二电平搬移电路2为现有技术，故其具体结构在本发明中不再赘述。

传统的TDICCD复位驱动器件的功耗计算公式为：

P＝cv²f

式中：P表示消耗功率，c表示电容大小，v表示波形的幅值，f表示波形的频率。其中的幅值v和频率f根据性能需求预先设计好，无法进行改变。因此衡量TDICCD复位驱动器件功耗高低取决于器件自身等效电容的大小，器件总的等效电容越小则功耗越低。

开关电路的原理为：当PNP型三极管3和NPN型三极管4的基极b同步输入低电平信号时，根据三极管的特性，PNP型三极管3的发射极e与集电极c导通，NPN型三极管4的集电极c与发射极e关断，PNP型三极管3的发射极e接通+12V电压源，开关电路输出高电平；当PNP型三极管3和NPN型三极管4的基极b同步输入高电平信号时，PNP型三极管3的发射极e与集电极c关断，NPN型三极管4的集电极c与发射极e导通，NPN型三极管4的集电极c接地，开关电路输出低电平。

根据前面的分析可以得出：脉冲输入信号的电平与开关电路的输出电平是反相的，PNP型三极管3和NPN型三极管4的导通与关断状态相反，在输出电平转换过程中不会同时导通而产生瞬时电流过大的现象，大幅降低器件的等效电容，有助于降低电路自身的功耗。

由于PNP型三极管3和NPN型三极管4共用同一个脉冲输入信号，在PNP型三极管3与NPN型三极管4高速工作轮流切换电平的过程中，某一瞬间PNP型三极管3与NPN型三极管4会出现同时导通的情况，产生的瞬态电流则会导致电路自身功耗过大。传统的TDICCD复位驱动器件也会产生瞬时电流过大的现象。

为了避免出现PNP型三极管3与NPN型三极管4同时导通的情况，本发明对PNP型三极管3与NPN型三极管4的基级b分别进行精细延时调整控制，控制原则是在PNP型三极管3与NPN型三极管4切换过程中，先将PNP型三极管3与NPN型三极管4同时关断，再打开PNP型三极管3或NPN型三极管4，避免PNP型三极管3与NPN型三极管4瞬间同时导通的情况发生，在高速工作情况下能够大幅度降低电路自身的功耗。

更为具体地，空间相机TDICCD复位驱动电路还包括：第一精细延时电路8、第二精细延时电路9、第三精细延时电路10和第一或门11、第二或门12；其中，第一或门11的一个输入端接入脉冲输入信号，另一个输入端与第一精细延时电路8的输出端耦接，第一精细延时电路8的输入端接入脉冲输入信号，第一或门11的输出端与第一电平搬移电路1的输入端耦接；第二或门12的一个输入端接入脉冲输入信号，另一个输入端与第二精细延时电路9的输出端耦接，第二精细延时电路9的输入端接入脉冲输入信号，第二或门12的输出端与第三精细延时电路10的输入端耦接，第三精细延时电路10的输出端与第二电平搬移电路2的输入端耦接。

图3示出了根据本发明一个实施例的空间相机TDICCD复位驱动电路中各节点的波形。

如图3所示，脉冲输入信号经过第一精细延时电路8延时后到达节点②，与原始的脉冲输入信号通过第一或门11进行逻辑或操作后输出到节点⑥。例如：脉冲输入信号为频率为25MHz、周期为40ns的方波信号，低电平保持20ns，高电平保持20ns。若第一精细延时电路8的延时时间为10ns，则到达节点②的信号延时10ns，在通过第一或门11后，节点⑥的信号的低电平为10ns，高电平为30ns。

类似地，脉冲输入信号经过第二精细延时电路9延时后达到节点④，与原始的脉冲输入信号通过第二或门12进行逻辑或操作后输出到节点⑤。若第二精细延时电路9的延时时间为8ns，则到达到节点④的信号延时8ns，在通过第二或门12后，节点⑤的信号的低电平为12ns，高电平为28ns。然后再对节点⑤的信号通过第三精细延时电路10进一步延时1ns，得到节点⑦的信号。

图4示出了根据本发明一个实施例的空间相机TDICCD复位驱动电路中节点6和7的详细波形。

如图4所示，节点⑥和节点⑦的信号波形的关键在于节点⑥的低电平宽度比节点⑦的低电平宽度窄2ns。也就是说，在节点⑥的低电平的前1ns和后1ns，节点⑦均维持低电平。在前后1ns期间，PNP型三极管3与NPN型三极管4均处于关断状态，这样可以有效避免PNP型三极管3与NPN型三极管4瞬间同时导通的情况发生，在高速工作情况下能够大幅度降低电路自身的功耗。第一精细延时电路8、第二精细延时电路9、第三精细延时电路10和第一或门11、第二或门12均可以通过FPGA实现。

基于三极管的特性，当PNP型三极管3的基极b输入低电平信号时，PNP型三极管3的发射极e与集电极c导通，而当PNP型三极管3的基极b输入高电平信号时，PNP型三极管3的发射极e与集电极c关断；当NPN型三极管4的基极b输入高电平信号时，NPN型三极管4的发射极e与集电极c导通，而当NPN型三极管4的基极b输入低电平信号时，NPN型三极管4的发射极e与集电极c关断。

在空间相机TDICCD复位驱动电路中加入精细延时电路与或门后，开关电路的工作原理变为：

首先，PNP型三极管3的基极b输入低电平信号，PNP型三极管3的发射极e与集电极c导通(为了方便表述，以下简称为导通)，PNP型三极管3的集电极c(即开关电路的输出端)输出+12V信号维持10ns，在此过程中，NPN型三极管4的基极b输入的也是低电平信号，NPN型三极管4一直处于关断状态；

然后，PNP型三极管3的基极b输入高电平信号，PNP型三极管3关断，在延时1ns后NPN型三极管4的基极b输入高电平信号，使NPN型三极管4导通并输出0V信号维持28ns，在此过程中，PNP型三极管3的基极b输入的是高电平信号，PNP型三极管3一致处于关断状态；

之后，NPN型三极管4的基极b输入低电平信号，将NPN型三极管4关断，在延时1ns后，PNP型三极管3的基极b输入低电平信号，使PNP型三极管3再次导通，如此反复工作。

因此在每个信号周期内，PNP型三极管3与NPN型三极管4有1ns中的同时关断状态。

本发明通过精细控制PNP型三极管3与NPN型三极管4的导通时序，在PNP型三极管3与NPN型三极管4轮流导通的切换过程中，加入PNP型三极管3与NPN型三极管4都处于关断状态的1ns过渡状态，保证电平转换时PNP型三极管3与NPN型三极管4不会在某一瞬间同时导通而产生瞬时电流过大的现象，大幅降低器件的等效电容，有助于降低电路自身的功耗。

本发明的PNP型三极管3与NPN型三极管4可以采用带宽达到5GHz的射频双极型三极管，带宽可达5GHz，所以1ns的过渡状态可以满足切换的时间需求。当然本发明不只局限于将PNP型三极管3与NPN型三极管4的同时关断时间限制为1ns，也可以通过对第一精细延时电路8、第二精细延时电路9、第三精细延时电路10的调制，延长PNP型三极管3与NPN型三极管4的同时关断时间。

本发明提供的空间相机TDICCD复位驱动电路能够产生高电平为12V、周期为40ns、脉宽为5-10ns的波形，足以满足大多数空间相机的应用需求。开关电路部分采用的是高性能射频双极型三极管，例如三极管(NXP公司型号为BFG31的PNP型三极管，及型号为BFG97为NPN型三极管)有着5GHz的带宽，开关速度极快，功耗极低。经测试整个电路自身功耗只有约0.2W，对比传统的CMOS工艺驱动电路可达1W的情况，功耗方面有着大幅度的降低。

由于PNP型三极管3与NPN型三极管4采用的是双极型三极管，在太空中不存在单粒子闩锁SEL的问题，因此本发明能够满足空间器件抗辐射的要求，能够用在空间相机上。

由于本发明提供的空间相机TDICCD复位驱动电路发出的脉冲幅度大，边沿非常陡，所以具有非常高的频率成分，因此需要对电源进线充分的去耦滤波。在电压源与PNP型三极管3的发射极之间耦接有电源去耦滤波电路5，用于对电压源进行稳压，使其特性接近于理想电压源，使电路各部分之间通过电源产生的耦合干扰降至最小，满足负载正常工作的需求。

由于开关电路的输出会因振铃现象而导致输出的电压会超出原设计的电压范围，因此在开关电路的输出端耦接有钳位电路6，用于限制开关电路的输出电压，将其钳位在设计的电压范围之内。例如：设计要求的输出波形应在0-12V之间，但开关电路因振铃现象导致输出的电压可能会超出12V，通过设计一个钳位电路6保证输出电压符合要求，将输出波形钳位到0-12V之间。钳位电路6为现有技术，故其具体结构在本发明中不再赘述。

为了消除信号反射，并与负载进行匹配，在钳位电路6的输出端耦接有端接电路7，用于阻抗匹配。在传输线中，当阻抗出现不匹配时，会发生反射，而减小和消除反射的方法是根据传输线的特性阻抗在其发送端进行阻抗匹配，从而使负载反射系数为零。在端接阻抗匹配的情况下，可以保证信号的完整性。端接电路7为现有技术，故其具体结构在本发明中不再赘述。

为了防止太空中辐射总剂量TID对电路造成影响，全部器件都通过钽外壳进行封装，金属钽能够屏蔽绝大多数的辐射。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“另一个示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种空间相机TDICCD复位驱动电路，其特征在于，包括两个电平搬移电路、由PNP型三极管和NPN型三极管组成的开关电路；其中，所述PNP型三极管的发射极与电压源耦接，所述PNP型三极管的集电极与所述NPN型三极管的集电极耦接作为开关电路的输出端，所述PNP型三极管的基极与一个电平搬移电路耦接，所述NPN型三极管的发射极接地，所述NPN型三极管的基极与另一个电平搬移电路耦接，两个电平搬移电路分别接入脉冲输入信号，用于将所述脉冲输入信号的电平范围转换成所述开关电路的正常电压范围。

2.根据权利要求1所述的空间相机TDICCD复位驱动电路，其特征在于，还包括第一精细延时电路、第二精细延时电路、第三精细延时电路、第一或门和第二或门；其中，

所述第一或门的一个输入端接入所述脉冲输入信号，另一个输入端与所述第一精细延时电路的输出端耦接，所述第一精细延时电路的输入端接入所述脉冲输入信号，所述第一或门的输出端与一个电平搬移电路耦接；

所述第二或门的一个输入端接入所述脉冲输入信号，另一个输入端与所述第二精细延时电路的输出端耦接，所述第二精细延时电路的输入端接入所述脉冲输入信号，所述第二或门的输出端与所述第三精细延时电路的输入端耦接，所述第三精细延时电路的输出端与另一个电平搬移电路耦接；以及，

通过所述第一精细延时电路与所述第一或门的配合控制输入到所述PNP型三极管的脉冲输入信号的高低电平转换时间，及通过所述第二精细延时电路、所述第二或门与所述第三精细延时电路的配合控制输入到所述NPN型三极管的脉冲输入信号的高低电平转换时间，使所述PNP型三极管与所述NPN型三极管在某一时段内处于同时关断状态。

3.根据权利要求1或2所述的空间相机TDICCD复位驱动电路，其特征在于，在所述电压源与所述PNP型三极管的发射极之间耦接有用于稳压的电源去耦滤波电路。

4.根据权利要求3所述的空间相机TDICCD复位驱动电路，其特征在于，所述开关电路的输出端耦接有用于钳位输出电压的钳位电路。

5.根据权利要求4所述的空间相机TDICCD复位驱动电路，其特征在于，所述钳位电路耦接有用于阻抗匹配的端接电路。

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