專利名稱：一種低電平可調(diào)的高壓脈沖轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低電平可調(diào)的高壓(大于80V)脈沖轉(zhuǎn)換器，屬于CCD成像技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
電子快門對(duì)CXD成像系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍有重要作用，它可以通過(guò)控制信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)積分時(shí)間的無(wú)級(jí)控制，調(diào)節(jié)CCD的像面照度，從而使相機(jī)工作在合適的狀態(tài)。但一般由于其信號(hào)的高電平較高而較難實(shí)現(xiàn)。目前，現(xiàn)有的電子快門信號(hào)的實(shí)現(xiàn)方法有以下幾種第一種方法是通過(guò)可耐高壓的集成電路器件進(jìn)行信號(hào)放大來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種方法對(duì)集成器件的耐壓性能要求較高，實(shí)現(xiàn)起來(lái)很受限制，尤其是對(duì)航天領(lǐng)域來(lái)說(shuō)。此外，采用這種方法實(shí)現(xiàn)的電路由于輸出擺幅到供電電源有一定壓差，會(huì)增加額外功耗，故其功耗一般較大。第二種方法如圖1所示，是通過(guò)驅(qū)動(dòng)器件加交流耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)，輸入信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)器輸出為幅度較高的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，然后通過(guò)交流耦合電容C和箝位電路將信號(hào)抬高，形成所需驅(qū)動(dòng)信號(hào)。這種方法對(duì)驅(qū)動(dòng)器件的要求也很高，當(dāng)信號(hào)電壓幅度較大時(shí)，就很難找到合適的驅(qū)動(dòng)器件，而且這種方法的功耗相對(duì)也較大。此外，這種方法在調(diào)節(jié)低電平時(shí)需要同時(shí)調(diào)節(jié)箝位電平和驅(qū)動(dòng)器供電電源，較為麻煩。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗小的便于低電平調(diào)節(jié)的高壓脈沖轉(zhuǎn)換電路。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種低電平可調(diào)的高壓脈沖轉(zhuǎn)換器，包括TTL電平輸入級(jí)和輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)，在TTL電平輸入級(jí)和輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)之間還級(jí)聯(lián)有電平轉(zhuǎn)換級(jí)，TTL電平輸入級(jí)將輸入的TTL電平脈沖轉(zhuǎn)換為反相的負(fù)脈沖送入電平轉(zhuǎn)換級(jí)，電平轉(zhuǎn)換級(jí)將反相的負(fù)脈沖交流耦合后再產(chǎn)生高電壓脈沖，送入輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)，輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)將高電壓脈沖轉(zhuǎn)換為帶驅(qū)動(dòng)能力的高電壓脈沖信號(hào)輸出，其中電平轉(zhuǎn)換級(jí)由電容Cl、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管J1、電阻R6、電阻R7、二極管D3和電阻R5組成，TTL電平輸入級(jí)送入的反相負(fù)脈沖經(jīng)電容Cl連接到結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Jl的柵極上，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Jl的漏極經(jīng)電阻R6連接到供電電源VCC上、源極經(jīng)電阻R7連接到參考電位GND上，電阻R5跨接在結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Jl的柵極和源極上，二極管 D3的陽(yáng)極與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Jl的柵極相連、陰極與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Jl的源極相連。所述的TTL電平輸入級(jí)由電阻R1、三極管Q1、電阻R4、二極管D2、二極管D1、電阻 R2和電阻R3組成，信號(hào)輸入端INPUT2經(jīng)電阻Rl與三極管Ql的基極相連，三極管Ql的發(fā)射極與二極管D2的陽(yáng)極相連，二極管D2的陰極與參考電位GND相連，二極管Dl的陽(yáng)極與三極管Ql的發(fā)射極相連、陰極與三極管Ql的基極相連，電阻R2和電阻R3串聯(lián)在供電電源 VCC和參考電位GND之間，三極管Ql的集電極經(jīng)電阻R4與電阻R2和電阻R3連接點(diǎn)相連， 三極管Ql的集電極輸出反相負(fù)脈沖。
所述的輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)由三極管Q2、電阻R9、電阻R8、電容CL和二極管D4組成，電平轉(zhuǎn)換級(jí)( 送入的脈沖信號(hào)從三極管Q2的基極進(jìn)入，三極管Q2的集電極經(jīng)電阻R8與供電電源VCC相連、發(fā)射極經(jīng)電阻R9和電容CL并聯(lián)后連接到參考電位GND上，三極管Q2的發(fā)射極輸出帶驅(qū)動(dòng)能力的高電壓脈沖信號(hào)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有益效果為(1)本發(fā)明采用電平轉(zhuǎn)換級(jí)將TTL級(jí)的電平脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為高壓的脈沖信號(hào)，通過(guò)交流耦合方式把低壓控制信號(hào)疊加到場(chǎng)效應(yīng)管柵源極之間，達(dá)到控制場(chǎng)效應(yīng)管開斷的目的，實(shí)現(xiàn)高電平和低電平之間的狀態(tài)切換，且低電平采用電阻分壓的簡(jiǎn)單方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，電路原理簡(jiǎn)單、使用器件少；(2)本發(fā)明電路原理簡(jiǎn)單，關(guān)鍵器件受限小，電路易于實(shí)現(xiàn)，低電平易于調(diào)節(jié)，且輸出電平的幅度可以很高、電路的功耗相對(duì)較?。?3)本發(fā)明可以滿足了絕大多數(shù)CCD電子快門的電平需求，也可以用于其它需要高壓脈沖信號(hào)的應(yīng)用方面，具有很好的通用性和實(shí)用性。


圖1為現(xiàn)有的驅(qū)動(dòng)器加交流耦合方案的原理框圖；圖2為本發(fā)明的原理圖；圖3為本發(fā)明最終產(chǎn)生的脈沖信號(hào)示意圖；圖4為本發(fā)明輸入的脈沖信號(hào)示意圖；圖5為本發(fā)明輸入級(jí)產(chǎn)生的輸出信號(hào)示意圖；圖6為本發(fā)明結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Jl柵極、源極之間的電壓示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明如圖2所示，由TTL電平輸入級(jí)1、電平轉(zhuǎn)換級(jí)2和輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)3級(jí)聯(lián)組成， 在TTL電平輸入級(jí)1將輸入的TTL電平脈沖轉(zhuǎn)換為一反相的較高電平的負(fù)脈沖，在電平轉(zhuǎn)換級(jí)首先將前級(jí)的負(fù)脈沖交流耦合到電平轉(zhuǎn)換級(jí)的輸入端，再由電平轉(zhuǎn)換級(jí)產(chǎn)生預(yù)期的高電壓脈沖，在輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)將前級(jí)的高電壓脈沖通過(guò)射極跟隨器產(chǎn)生具有驅(qū)動(dòng)能力的高電壓脈沖信號(hào)。TTL電平輸入級(jí)1由電阻R1、三極管Q1、電阻R4、二極管D2、二極管D1、電阻R2和電阻R3組成。信號(hào)輸入端INPUT2經(jīng)電阻Rl與三極管Ql的基極附相連，三極管Ql的發(fā)射極N2與二極管D2的陽(yáng)極相連，二極管D2的陰極與參考電位GND相連，二極管Dl的陽(yáng)極與三極管Ql的發(fā)射極N3相連、陰極與三極管Ql的基極m相連，三極管的集電極N3經(jīng)電阻 R4與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)N7相連，電阻R2和電阻R3串聯(lián)在供電電源VCC和參考電位GND之間，其連接點(diǎn)形成分壓網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)N7，變換后的信號(hào)由三極管Ql的集電極N3輸出。(圖2中INPUTl 為供電輸入端)電阻Rl對(duì)三極管Ql的基極其限流作用，在TTL電平的輸入情況下，Rl取3. 3k Ω 左右即可；二極管Dl為起保護(hù)作用的二極管，用以提高輸入信號(hào)的低電平噪聲容限，二極管D2是為提高三極管Ql導(dǎo)通的閾值電壓，通過(guò)其導(dǎo)通壓降以將輸入信號(hào)的噪聲容限提高到0. 8V以上，這里D2宜選用快恢復(fù)的二極管；二極管Dl對(duì)三極管Ql提供保護(hù)作用，避免三極管基極-發(fā)射極發(fā)生意外反偏；電阻R2和R3起分壓作用，提供輸出負(fù)脈沖的高電平， 在N7處產(chǎn)生VHl (圖5所示)的電壓供給三極管Ql，VHl這個(gè)電壓不是很嚴(yán)格，大概在14V 左右，這兩個(gè)電阻之和在十幾kQ到幾十kQ之間選取，這樣結(jié)合VCC就可以確定電阻阻值；電阻R4對(duì)三極管Ql的集電極起限流作用，阻值為幾kQ ；三極管Ql的工作頻率達(dá)幾十 kHz即可，集電極-發(fā)射極擊穿電壓不小于20V即可，易于選擇。當(dāng)TTL電平輸入級(jí)1輸入為低電平時(shí)，三極管Ql截止，N3點(diǎn)被拉高，當(dāng)輸入為高電平時(shí)，三極管Ql導(dǎo)通，N3點(diǎn)被拉低，形成高電平幅度為VHl的反相脈沖信號(hào)。所以，當(dāng)輸入如圖4所示的波形時(shí)(圖4中的VTTL為輸入信號(hào)高電平，T為信號(hào)周期，tp為信號(hào)正脈寬，其余圖中T、tp含義一致)，會(huì)輸出如圖5所示的反相波形。電平轉(zhuǎn)換級(jí)2由電容Cl、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管J1、電阻R6、電阻R7、二極管D3和電阻R5 組成。由前級(jí)的TTL電平輸入級(jí)1得到的負(fù)脈沖信號(hào)經(jīng)電容Cl連接到結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Jl的柵極N4上，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Jl的漏極經(jīng)電阻R6連接到供電電源VCC上、源極N5經(jīng)電阻R7 連接到參考電位GND上，電阻R5跨接在結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Jl的柵極N4和源極N5上，二極管D3 的陽(yáng)極與N4相連、陰極與N5相連。電容Cl為交流耦合電容，容值在IuF左右；結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Jl起快速開關(guān)作用， 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Jl其選取需須滿足工作頻率和漏極耐壓值即可，對(duì)百伏以下的高壓脈沖來(lái)說(shuō)也是容易選擇的；二極管D3和電阻R5起高電平箝位作用，二極管D3作箝位用，普通的 1N4148即可滿足需求；電阻R5為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Jl的柵極提供直流通路，阻值在IOOkQ左右；電阻R6、電阻R7為分壓電阻，提供高壓脈沖的低電平，取值在幾kQ左右；變換后的信號(hào)經(jīng)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Jl的漏極N6輸出。當(dāng)前級(jí)的脈沖信號(hào)為高電平時(shí)，由于二極管D3和電阻R5的箝位作用，使結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Jl的柵極-源極電壓差Ves(如圖6所示)為0，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Jl處于導(dǎo)通狀態(tài)。此時(shí)，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Jl的漏極電壓VL = VCC * (R7+RJ)/(R6+R7+RJ)RJ為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Jl的導(dǎo)通電阻。當(dāng)負(fù)脈沖到來(lái)時(shí)，由于柵極的電壓被二極管 D3和電阻R5以高電平箝位的方式箝位到漏極上，柵極相對(duì)漏極會(huì)出現(xiàn)一個(gè)負(fù)電壓的脈沖， 使結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Jl截止。此時(shí)，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Jl的漏極電壓(如圖3所示的輸出信號(hào)高電平)VH = VCC由于對(duì)指定的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Jl來(lái)說(shuō)RJ是固定的，這樣，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Jl漏極輸出的低電平VL就可以由R6和R7來(lái)決定，高電平VH由供電電源VCC決定。調(diào)節(jié)R6、R7及 VCC就可以得到目標(biāo)電平的脈沖信號(hào)。當(dāng)輸入如圖5所示的波形時(shí)，輸出波形如圖3所示。輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)3由由三極管Q2、電阻R9、電阻R8、電容CL和二極管D4組成，由前級(jí)的電平轉(zhuǎn)換級(jí)2得到的脈沖信號(hào)與三極管Q2的基極相連，三極管Q2的集電極N8經(jīng)電阻R8 與VCC相連、發(fā)射極OUT經(jīng)電阻R9和電容CL并聯(lián)后連接到參考電位GND上，最終的脈沖信號(hào)由三極管Q2的發(fā)射極輸出至0UTPTUT。三極管Q2、電阻R9、電阻R8、電容CL和二極管D4構(gòu)成射極跟隨器，以提高信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力。三極管Q2為輸出信號(hào)提供較大的驅(qū)動(dòng)電流，三極管Q2的選取需要滿足工作頻率和耐壓的需求；電阻R9為過(guò)流保護(hù)電阻，其阻值在10 Ω左右；二極管D4為起保護(hù)作用的二極管，可選用普通二極管，對(duì)三極管Q2起保護(hù)作用，防止其基極-發(fā)射極反偏；電阻R8為限流電阻，決定了信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，電容CL為負(fù)載電容，二者之積構(gòu)成時(shí)間常數(shù)，影響輸出信號(hào)的下降時(shí)間。當(dāng)負(fù)載電容較小時(shí)，R8可結(jié)合信號(hào)下降沿的要求適當(dāng)增大以降低功耗；當(dāng)負(fù)載電容較大時(shí)，R8需要適當(dāng)減小。脈沖下降時(shí)間如下tf = 2. 3 * * Cl這樣，前級(jí)的脈沖信號(hào)輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)3后，就可以形成具有驅(qū)動(dòng)能力的脈沖信號(hào)，供電子快門使用。由于射極跟隨器的增益略小于1，且輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)3對(duì)電平轉(zhuǎn)換級(jí)2的輸出有細(xì)微影響，最終輸出的高壓脈沖信號(hào)的高低電平需要細(xì)調(diào)一下VCC和R6。此外，對(duì)高壓信號(hào)來(lái)說(shuō)， 器件的功耗通常是需要仔細(xì)考慮的，所以所選器件，尤其是電阻，需要滿足額定功耗需求。本發(fā)明所產(chǎn)生的高壓脈沖的高電平由供電電源VCC、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Jl和三極管Q2 的性能決定，輸出幅度可高于100V，頻率可達(dá)幾十kHz。本發(fā)明原理輸入信號(hào)從輸入端口 INPUT2在TTL電平輸入級(jí)1輸入，經(jīng)三極管Ql 后得到反相的負(fù)脈沖信號(hào)，負(fù)脈沖的高電平由N7點(diǎn)的電壓決定，該負(fù)脈沖再經(jīng)交流耦合電容Cl疊加到結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Jl的柵極和源極兩端。通常情況下，由于電阻R5、型場(chǎng)效應(yīng)管 Jl的柵極、源極的電壓差為0，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Jl處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Jl的漏極電壓VL = VCC * (R7+RJ)/(R6+R7+RJ)RJ為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Jl的導(dǎo)通電阻。當(dāng)負(fù)脈沖到來(lái)時(shí)，由于柵極的電壓被二極管 D3和電阻R5以高電平箝位的方式箝位到漏極上，柵極相對(duì)漏極會(huì)出現(xiàn)一個(gè)負(fù)電壓的脈沖， 使結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Jl截止。此時(shí)，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Jl的漏極電壓VH = VCC這樣，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Jl漏極輸出的低電平VL就可以由R6和R7來(lái)決定，高電平VH 由供電電源VCC決定。調(diào)整電平后的脈沖信號(hào)經(jīng)Q2組成的射極跟隨器后，可以形成具有驅(qū)動(dòng)能力的脈沖信號(hào)，供電子快門使用。本發(fā)明未詳細(xì)說(shuō)明部分屬本領(lǐng)域技術(shù)人員公知常識(shí)。
權(quán)利要求
1.一種低電平可調(diào)的高壓脈沖轉(zhuǎn)換器，包括TTL電平輸入級(jí)(1)和輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)(3)，其特征在于在TTL電平輸入級(jí)(1)和輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)(3)之間還級(jí)聯(lián)有電平轉(zhuǎn)換級(jí)⑵，TTL電平輸入級(jí)(1)將輸入的TTL電平脈沖轉(zhuǎn)換為反相的負(fù)脈沖送入電平轉(zhuǎn)換級(jí)( ，電平轉(zhuǎn)換級(jí) (2)將反相的負(fù)脈沖交流耦合后再產(chǎn)生高電壓脈沖，送入輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)(3)，輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)(3) 將高電壓脈沖轉(zhuǎn)換為帶驅(qū)動(dòng)能力的高電壓脈沖信號(hào)輸出，其中所述的電平轉(zhuǎn)換級(jí)O)由電容Cl、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Jl、電阻R6、電阻R7、二極管D3和電阻R5組成，TTL電平輸入級(jí)(1)送入的反相負(fù)脈沖經(jīng)電容Cl連接到結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Jl的柵極上，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Jl的漏極經(jīng)電阻R6連接到供電電源VCC上、源極經(jīng)電阻R7連接到參考電位GND上，電阻R5跨接在結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Jl的柵極和源極上，二極管D3的陽(yáng)極與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Jl的柵極相連、陰極與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Jl的源極相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低電平可調(diào)的高壓脈沖轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述的TTL 電平輸入級(jí)(1)由電阻R1、三極管Q1、電阻R4、二極管D2、二極管D1、電阻R2和電阻R3組成，信號(hào)輸入端INPUT2經(jīng)電阻Rl與三極管Ql的基極相連，三極管Ql的發(fā)射極與二極管D2 的陽(yáng)極相連，二極管D2的陰極與參考電位GND相連，二極管Dl的陽(yáng)極與三極管Ql的發(fā)射極相連、陰極與三極管Ql的基極相連，電阻R2和電阻R3串聯(lián)在供電電源VCC和參考電位 GND之間，三極管Ql的集電極經(jīng)電阻R4與電阻R2和電阻R3連接點(diǎn)相連，三極管Ql的集電極輸出反相負(fù)脈沖。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種低電平可調(diào)的高壓脈沖轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述的輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)(3)由三極管Q2、電阻R9、電阻R8、電容CL和二極管D4組成，電平轉(zhuǎn)換級(jí)(2)送入的脈沖信號(hào)從三極管Q2的基極進(jìn)入，三極管Q2的集電極經(jīng)電阻R8與供電電源VCC相連、 發(fā)射極經(jīng)電阻R9和電容CL并聯(lián)后連接到參考電位GND上，三極管Q2的發(fā)射極輸出帶驅(qū)動(dòng)能力的高電壓脈沖信號(hào)。
全文摘要
一種低電平可調(diào)的高壓脈沖轉(zhuǎn)換器，包括TTL電平輸入級(jí)和輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)，在TTL電平輸入級(jí)和輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)之間還級(jí)聯(lián)有電平轉(zhuǎn)換級(jí)，TTL電平輸入級(jí)將輸入的TTL電平脈沖轉(zhuǎn)換為反相的負(fù)脈沖送入電平轉(zhuǎn)換級(jí)，電平轉(zhuǎn)換級(jí)將反相的負(fù)脈沖交流耦合后再產(chǎn)生高電壓脈沖，送入輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)，輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)將高電壓脈沖轉(zhuǎn)換為帶驅(qū)動(dòng)能力的高電壓脈沖信號(hào)輸出。本發(fā)明采用電平轉(zhuǎn)換級(jí)將TTL級(jí)的電平脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為高壓的脈沖信號(hào)，通過(guò)交流耦合方式把低壓控制信號(hào)疊加到場(chǎng)效應(yīng)管柵源極之間，達(dá)到控制場(chǎng)效應(yīng)管開斷的目的，實(shí)現(xiàn)高電平和低電平之間的狀態(tài)切換，且低電平采用電阻分壓的簡(jiǎn)單方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，電路原理簡(jiǎn)單、使用器件少。
文檔編號(hào)H03K19/0185GK102347757SQ20111013432
公開日2012年2月8日 申請(qǐng)日期2011年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月24日
發(fā)明者吳淞波, 張玉貴, 李濤 申請(qǐng)人:北京空間機(jī)電研究所