CN114697583B - 一种基于运算放大器的低噪声ccd时序驱动电路及驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明为解决现有CCD时序驱动电路提供的时序信号电平不稳，上升/下降时间速度快产生很大的过冲/地弹，在转移过程产生的寄生电荷直接淹没信号电荷的问题，提出了一种基于运算放大器的低噪声CCD时序驱动电路及驱动方法。该驱动电路包括稳压电源模块、驱动模块和优化模块；所述稳压电源模块用于为驱动模块和优化模块提供低噪声电源；所述驱动模块接收LVTTL时序驱动信号，并对驱动信号进行电平转换后发送给优化模块；所述优化模块为基于运算放大器的加法电路，完成对驱动模块输出的时序信号上升/下降沿进行优化处理，并对时序信号电平进行调整。该驱动方法通过控制信号的上升/下降时间，消除过冲和地弹，避免电荷转移过程中寄生电荷的产生。

Description

一种基于运算放大器的低噪声CCD时序驱动电路及驱动方法

技术领域

本发明涉及CCD测试技术，尤其涉及一种基于运算放大器的低噪声CCD时序驱动电路及驱动方法。

背景技术

在天文探测、遥测遥感、航空航天等科学研究领域，高质量的图像起着举足轻重的作用，为了获取高品质图像，电荷耦合器件(Charge Coupled Devices，CCD)充当起了至关重要的角色，尤其是需要高性能的天文观测领域，CCD具有灵敏度高、噪声低、动态范围大和量子效率高等优点。在天文实际应用中，观测目标是宇宙天体等弱目标，电子学系统所获得的能量是非常有限的，为了满足观测需求，电子学系统的电路噪声要越低越好，因此，低噪声电路设计对天文观测具有重大意义。

现有的CCD时序驱动电路提供的时序信号电平不稳，上升/下降时间速度快，会产生很大的过冲/地弹，同时在转移过程产生的寄生电荷会直接淹没信号电荷；再者传统方法是采用钳位二极管，由于二极管自身工作特性也会导致信号出现电平不稳的现象，影响时序信号的完整性。

发明内容

为了解决现有CCD时序驱动电路提供的时序信号电平不稳，上升/下降时间速度快，会产生很大的过冲/地弹，在转移过程产生的寄生电荷直接淹没信号电荷的问题，本发明提出一种基于运算放大器的低噪声CCD时序驱动电路及驱动方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于运算放大器的低噪声CCD时序驱动电路，其特殊之处在于：包括稳压电源模块、驱动模块和优化模块；

稳压电源模块为驱动模块和优化模块供电，驱动模块的输出端与优化模块的输入端连接；

所述稳压电源模块用于为驱动模块和优化模块提供低噪声电源；

所述驱动模块接收LVTTL时序驱动信号，并对驱动信号进行电平转换后发送给优化模块；

所述优化模块为基于运算放大器的加法电路，完成对驱动模块输出的时序信号上升/下降沿进行优化处理，并对时序信号电平进行调整；

所述优化模块包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、运算放大器U1和补偿电容C3；所述驱动模块的输出端与电阻R1的一端连接，电阻R2的一端与基准电压连接，电阻R1和电阻R2的另一端均与运算放大器U1的同相输入端连接；电阻R3的一端与运算放大器U1的反相输入端连接，另一端接地；电阻R4和补偿电容C3均跨接在运算放大器U1的反相输入端与输出端之间。

进一步地，所述运算放大器为TI公司LM8272。

进一步地，所述驱动模块为基于场效应管的驱动芯片，采用Intersil公司的EL7457系列芯片。

进一步地，所述稳压电源模块是线性电源稳压器，输出噪声低至50μV。

进一步地，所述线性电源稳压器采用TI公司的TPS4501。

本发明还提供了一种基于运算放大器的低噪声CCD时序驱动方法，采用上述的基于运算放大器的低噪声CCD时序驱动电路，其特殊之处在于：包括以下步骤：

步骤1、驱动模块接收LVTTL时序驱动信号并进行电平转换，获得高电平驱动信号；

步骤2、优化模块接收高电平驱动信号，通过高电平驱动信号与基准信号相加调整驱动信号电平的稳定性；

步骤3、优化模块利用运算放大器的压摆率限制，控制高电平驱动信号的上升和下降时间，消除过冲和地弹，获得CCD时序驱动信号。

与现有技术相比，本发明具有的有益技术效果如下：

本发明提出了一种基于运算放大器的CCD时序驱动电路及驱动方法，产生的时序信号具有电平稳、变化慢、噪声低的优点。

一方面，本发明通过驱动模块将LVTTL时序信号转换成CCD器件所需的高电平信号，然后利用运算放大器的压摆率，有效的控制了时序信号的上升/下降时间，消除了信号的过冲和地弹，同时提高了信号完整性，进而抑制了电荷转移过程中寄生电荷的产生。

另一方面，因为CCD驱动信号低电平不是“0”，传统方法是采用钳位二极管实现，由于二极管自身工作特性会导致信号出现电平不稳的现象，继而本发明改用基于运算放大器的加法电路，将驱动信号与基准电压相加，实现驱动信号高低电平的调整。基准电压由稳压电源产生，电压精度高、噪声低，从而解决了信号电平不稳的问题。

附图说明

图1是本发明基于运算放大器的低噪声CCD时序驱动电路实施例的示意图。

图2是本发明基于运算放大器的低噪声CCD时序驱动电路实施例的电路图。

图3是传统驱动器直接驱动产生的时序信号波形图。

图4是本发明基于运算放大器的低噪声CCD时序驱动电路实施例输出的时序信号波形图。

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，下面结合附图和具体实施方式对本发明提出的一种基于运算放大器的低噪声CCD时序驱动电路及驱动方法作进一步详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。

现有的CCD电路系统主要包括偏置供电电路、时序驱动电路、视频处理电路等，本发明从时序驱动方面提出了一种基于运算放大器的低噪声时序驱动电路。

如图1所示，本发明提出的CCD时序驱动电路从功能上可分为三部分：稳压电源模块、驱动模块和优化模块。

稳压电源模块为驱动模块和优化模块供电，驱动模块的输出端与优化模块的输入端连接。

驱动模块接收LVTTL时序驱动信号，并对驱动信号进行电平转换后发送给优化模块。该驱动模块的关键参数为工作频率和带负载能力，为了满足大面阵CCD高速驱动的要求，本实施例选用Intersil公司的EL74xx系列芯片，该集成功率芯片具有可靠性高、通道多、体积小、硬件设计简单等优点。

优化模块与驱动模块连接，接收驱动模块电平转换后的驱动信号，对其进行波形优化后发送给CCD。CCD时序信号电平变化大(通常为10V左右)，驱动模块转换速度快(t_R典型值为12ns)，从而导致驱动模块输出信号会产生很大的过冲/地弹，优化模块的作用就是消除信号经过驱动模块后产生的信号过冲/地弹。

优化模块是基于运算放大器的加法电路，如图2所示，其中电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、运算放大器U1组成加法电路，C3为补偿电容。

驱动模块的输出端与电阻R1的一端连接，电阻R2的一端与基准电压连接，电阻R1和电阻R2的另一端均与运算放大器U1的同相输入端连接；电阻R3的一端与运算放大器U1的反相输入端连接，另一端接地；电阻R4和补偿电容C3均跨接在运算放大器U1的反相输入端与输出端之间。

时序信号进入运算放大器后，由于运算放大器压摆率的限制，时序信号的上升/下降时间得到控制，信号上升/下降沿变化缓慢，从而消除了信号经过驱动模块后输出产生的过冲/地弹。另外，时序信号的高低电平可通过运算放大器的加法电路调整，基准电压由稳压器提供，从而保证了时序信号高低电平的稳定性。本实施例中运算放大器采用TI公司的LM8272，具有输出电流大、驱动容性负载能力强、噪声低的优点。

不同于现有的CCD驱动信号采用钳位二极管，其信号电平不稳，上升/下降变化块，得不到有效的控制，本发明采用运算放大器，通过其加法电路的灵活调整，解决了信号电平不稳，同时也解决了现有直接驱动引起的信号过冲/地弹大的问题，提高了时序信号完整性。

稳压电源模块采用线性可调稳压器(LDO)，为驱动模块和优化模块提供稳定、低噪声电源。稳压器输入端连接经过电感线圈滤波的输入电压，通过调节外部电阻来设置合适的输出电压，然后提供给驱动模块和优化模块。本发明LDO选用TI公司的TPS45xx系列，如TPS4501，其输出噪声低至50μV。

如图3所示，传统驱动模块产生的时序信号上升/下降变化快，信号过冲/地弹非常大，信号完整性很差。利用本实施例的优化模块处理后，如图4所示，信号波形上升/下降变的很缓慢，没有过冲和地弹，信号完整性很好。

由此可见，本实施里通过驱动模块将FPGA产生的LVTTL时序信号转换成CCD器件所需的信号电平，然后利用运算放大器的压摆率，有效的控制了时序信号的上升/下降时间，消除了信号的过冲和地弹，同时提高了信号完整性，进而抑制了电荷转移过程中寄生电荷的产生。

采用上述基于运算放大器的低噪声CCD时序驱动电路对CCD时序进行驱动的方法，包括以下步骤：

步骤1、驱动模块接收LVTTL时序驱动信号并进行电平转换，获得高电平驱动信号；

步骤2、优化模块接收高电平驱动信号，通过高电平驱动信号与基准信号相加调整驱动信号电平的稳定性；

步骤3、优化模块利用运算放大器的压摆率限制，控制高电平驱动信号的上升和下降时间，消除过冲和地弹，获得CCD时序驱动信号。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于运算放大器的低噪声CCD时序驱动电路，其特征在于：包括稳压电源模块、驱动模块和优化模块；

稳压电源模块为驱动模块和优化模块供电，驱动模块的输出端与优化模块的输入端连接；

所述稳压电源模块用于为驱动模块和优化模块提供低噪声电源；

所述驱动模块接收LVTTL时序驱动信号，并对驱动信号进行电平转换，获得高电平驱动信号后发送给优化模块；

所述优化模块为基于运算放大器的加法电路，优化模块通过将接收到的高电平驱动信号与基准信号相加调整驱动信号电平的稳定性；

所述优化模块利用运算放大器的压摆率限制，控制高电平驱动信号的上升和下降时间，消除过冲和地弹，获得CCD时序驱动信号；

所述优化模块包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、运算放大器U1和补偿电容C3；所述驱动模块的输出端与电阻R1的一端连接，电阻R2的一端与基准电压连接，电阻R1和电阻R2的另一端均与运算放大器U1的同相输入端连接；电阻R3的一端与运算放大器U1的反相输入端连接，另一端接地；电阻R4和补偿电容C3均跨接在运算放大器U1的反相输入端与输出端之间。

2.根据权利要求1所述的基于运算放大器的低噪声CCD时序驱动电路，其特征在于：

所述运算放大器为TI公司LM8272。

3.根据权利要求2所述的基于运算放大器的低噪声CCD时序驱动电路，其特征在于：

所述驱动模块为基于场效应管的驱动芯片，采用Intersil公司的EL7457系列芯片。

4.根据权利要求1-3任一所述的基于运算放大器的低噪声CCD时序驱动电路，其特征在于：

所述稳压电源模块是线性电源稳压器，输出噪声低至50μV。

5.根据权利要求4所述的基于运算放大器的低噪声CCD时序驱动电路，其特征在于：

所述线性电源稳压器采用TI公司的TPS4501。

6.一种基于运算放大器的低噪声CCD时序驱动方法，采用权利要求1至5任一所述的基于运算放大器的低噪声CCD时序驱动电路，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、驱动模块接收LVTTL时序驱动信号并进行电平转换，获得高电平驱动信号；

步骤2、优化模块接收高电平驱动信号，通过高电平驱动信号与基准信号相加调整驱动信号电平的稳定性；

步骤3、优化模块利用运算放大器的压摆率限制，控制高电平驱动信号的上升和下降时间，消除过冲和地弹，获得CCD时序驱动信号。