CN102347757B

CN102347757B - 一种低电平可调的高压脉冲转换器

Info

Publication number: CN102347757B
Application number: CN 201110134325
Authority: CN
Inventors: 张玉贵; 吴淞波; 李涛
Original assignee: Beijing Institute of Space Research Mechanical and Electricity
Current assignee: Beijing Institute of Space Research Mechanical and Electricity
Priority date: 2011-05-24
Filing date: 2011-05-24
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2031-05-24
Also published as: CN102347757A

Abstract

一种低电平可调的高压脉冲转换器，包括TTL电平输入级和输出驱动级，在TTL电平输入级和输出驱动级之间还级联有电平转换级，TTL电平输入级将输入的TTL电平脉冲转换为反相的负脉冲送入电平转换级，电平转换级将反相的负脉冲交流耦合后再产生高电压脉冲，送入输出驱动级，输出驱动级将高电压脉冲转换为带驱动能力的高电压脉冲信号输出。本发明采用电平转换级将TTL级的电平脉冲信号转换为高压的脉冲信号，通过交流耦合方式把低压控制信号叠加到场效应管栅源极之间，达到控制场效应管开断的目的，实现高电平和低电平之间的状态切换，且低电平采用电阻分压的简单方法来实现，电路原理简单、使用器件少。

Description

一种低电平可调的高压脉冲转换器

技术领域

本发明涉及一种低电平可调的高压(大于80V)脉冲转换器，属于CCD成像技术领域。

背景技术

电子快门对CCD成像***的动态范围有重要作用，它可以通过控制信号来实现积分时间的无级控制，调节CCD的像面照度，从而使相机工作在合适的状态。但一般由于其信号的高电平较高而较难实现。目前，现有的电子快门信号的实现方法有以下几种：

第一种方法是通过可耐高压的集成电路器件进行信号放大来实现，这种方法对集成器件的耐压性能要求较高，实现起来很受限制，尤其是对航天领域来说。此外，采用这种方法实现的电路由于输出摆幅到供电电源有一定压差，会增加额外功耗，故其功耗一般较大。

第二种方法如图1所示，是通过驱动器件加交流耦合来实现，输入信号通过驱动器输出为幅度较高的驱动信号，然后通过交流耦合电容C和箝位电路将信号抬高，形成所需驱动信号。这种方法对驱动器件的要求也很高，当信号电压幅度较大时，就很难找到合适的驱动器件，而且这种方法的功耗相对也较大。此外，这种方法在调节低电平时需要同时调节箝位电平和驱动器供电电源，较为麻烦。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种结构简单、功耗小的便于低电平调节的高压脉冲转换电路。

本发明的技术解决方案是：一种低电平可调的高压脉冲转换器，包括TTL电平输入级和输出驱动级，在TTL电平输入级和输出驱动级之间还级联有电平转换级，TTL电平输入级将输入的TTL电平脉冲转换为反相的负脉冲送入电平转换级，电平转换级将反相的负脉冲交流耦合后再产生高电压脉冲，送入输出驱动级，输出驱动级将高电压脉冲转换为带驱动能力的高电压脉冲信号输出，其中电平转换级由电容C1、结型场效应管J1、电阻R6、电阻R7、二极管D3和电阻R5组成，TTL电平输入级送入的反相负脉冲经电容C1连接到结型场效应管J1的栅极上，结型场效应管J1的漏极经电阻R6连接到供电电源VCC上、源极经电阻R7连接到参考电位GND上，电阻R5跨接在结型场效应管J1的栅极和源极上，二极管D3的阳极与结型场效应管J1的栅极相连、阴极与结型场效应管J1的源极相连。

所述的TTL电平输入级由电阻R1、三极管Q1、电阻R4、二极管D2、二极管D1、电阻R2和电阻R3组成，信号输入端INPUT2经电阻R1与三极管Q1的基极相连，三极管Q1的发射极与二极管D2的阳极相连，二极管D2的阴极与参考电位GND相连，二极管D1的阳极与三极管Q1的发射极相连、阴极与三极管Q1的基极相连，电阻R2和电阻R3串联在供电电源VCC和参考电位GND之间，三极管Q1的集电极经电阻R4与电阻R2和电阻R3连接点相连，三极管Q1的集电极输出反相负脉冲。

所述的输出驱动级由三极管Q2、电阻R9、电阻R8、电容CL和二极管D4组成，电平转换级(2)送入的脉冲信号从三极管Q2的基极进入，三极管Q2的集电极经电阻R8与供电电源VCC相连、发射极经电阻R9和电容CL并联后连接到参考电位GND上，三极管Q2的发射极输出带驱动能力的高电压脉冲信号。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明采用电平转换级将TTL级的电平脉冲信号转换为高压的脉冲信号，通过交流耦合方式把低压控制信号叠加到场效应管栅源极之间，达到控制场效应管开断的目的，实现高电平和低电平之间的状态切换，且低电平采用电阻分压的简单方法来实现，电路原理简单、使用器件少；

(2)本发明电路原理简单，关键器件受限小，电路易于实现，低电平易于调节，且输出电平的幅度可以很高、电路的功耗相对较小；

(3)本发明可以满足了绝大多数CCD电子快门的电平需求，也可以用于其它需要高压脉冲信号的应用方面，具有很好的通用性和实用性。

附图说明

图1为现有的驱动器加交流耦合方案的原理框图；

图2为本发明的原理图；

图3为本发明最终产生的脉冲信号示意图；

图4为本发明输入的脉冲信号示意图；

图5为本发明输入级产生的输出信号示意图；

图6为本发明结型场效应管J1栅极、源极之间的电压示意图。

具体实施方式

本发明如图2所示，由TTL电平输入级1、电平转换级2和输出驱动级3级联组成，在TTL电平输入级1将输入的TTL电平脉冲转换为一反相的较高电平的负脉冲，在电平转换级首先将前级的负脉冲交流耦合到电平转换级的输入端，再由电平转换级产生预期的高电压脉冲，在输出驱动级将前级的高电压脉冲通过射极跟随器产生具有驱动能力的高电压脉冲信号。

TTL电平输入级1由电阻R1、三极管Q1、电阻R4、二极管D2、二极管D1、电阻R2和电阻R3组成。信号输入端INPUT2经电阻R1与三极管Q1的基极N1相连，三极管Q1的发射极N2与二极管D2的阳极相连，二极管D2的阴极与参考电位GND相连，二极管D1的阳极与三极管Q1的发射极N3相连、阴极与三极管Q1的基极N1相连，三极管的集电极N3经电阻R4与网络节点N7相连，电阻R2和电阻R3串联在供电电源VCC和参考电位GND之间，其连接点形成分压网络节点N7，变换后的信号由三极管Q1的集电极N3输出。(图2中INPUT1为供电输入端)

电阻R1对三极管Q1的基极其限流作用，在TTL电平的输入情况下，R1取3.3kΩ左右即可；二极管D1为起保护作用的二极管，用以提高输入信号的低电平噪声容限，二极管D2是为提高三极管Q1导通的阈值电压，通过其导通压降以将输入信号的噪声容限提高到0.8V以上，这里D2宜选用快恢复的二极管；二极管D1对三极管Q1提供保护作用，避免三极管基极-发射极发生意外反偏；电阻R2和R3起分压作用，提供输出负脉冲的高电平，在N7处产生VH1(图5所示)的电压供给三极管Q1，VH1这个电压不是很严格，大概在14V左右，这两个电阻之和在十几kΩ到几十kΩ之间选取，这样结合VCC就可以确定电阻阻值；电阻R4对三极管Q1的集电极起限流作用，阻值为几kΩ；三极管Q1的工作频率达几十kHz即可，集电极-发射极击穿电压不小于20V即可，易于选择。

当TTL电平输入级1输入为低电平时，三极管Q1截止，N3点被拉高，当输入为高电平时，三极管Q1导通，N3点被拉低，形成高电平幅度为VH1的反相脉冲信号。所以，当输入如图4所示的波形时(图4中的VTTL为输入信号高电平，T为信号周期，tp为信号正脉宽，其余图中T、tp含义一致)，会输出如图5所示的反相波形。

电平转换级2由电容C1、结型场效应管J1、电阻R6、电阻R7、二极管D3和电阻R5组成。由前级的TTL电平输入级1得到的负脉冲信号经电容C1连接到结型场效应管J1的栅极N4上，结型场效应管J1的漏极经电阻R6连接到供电电源VCC上、源极N5经电阻R7连接到参考电位GND上，电阻R5跨接在结型场效应管J1的栅极N4和源极N5上，二极管D3的阳极与N4相连、阴极与N5相连。

电容C1为交流耦合电容，容值在1uF左右；结型场效应管J1起快速开关作用，结型场效应管J1其选取需须满足工作频率和漏极耐压值即可，对百伏以下的高压脉冲来说也是容易选择的；二极管D3和电阻R5起高电平箝位作用，二极管D3作箝位用，普通的1N4148即可满足需求；电阻R5为结型场效应管J1的栅极提供直流通路，阻值在100kΩ左右；电阻R6、电阻R7为分压电阻，提供高压脉冲的低电平，取值在几kΩ左右；变换后的信号经结型场效应管J1的漏极N6输出。

当前级的脉冲信号为高电平时，由于二极管D3和电阻R5的箝位作用，使结型场效应管J1的栅极-源极电压差V_GS(如图6所示)为0，结型场效应管J1处于导通状态。此时，结型场效应管J1的漏极电压：

VL＝VCC＊(R7+RJ)/(R6+R7+RJ)

RJ为结型场效应管J1的导通电阻。当负脉冲到来时，由于栅极的电压被二极管D3和电阻R5以高电平箝位的方式箝位到漏极上，栅极相对漏极会出现一个负电压的脉冲，使结型场效应管J1截止。此时，结型场效应管J1的漏极电压(如图3所示的输出信号高电平)：

VH＝VCC

由于对指定的结型场效应管J1来说RJ是固定的，这样，结型场效应管J1漏极输出的低电平VL就可以由R6和R7来决定，高电平VH由供电电源VCC决定。调节R6、R7及VCC就可以得到目标电平的脉冲信号。当输入如图5所示的波形时，输出波形如图3所示。

输出驱动级3由由三极管Q2、电阻R9、电阻R8、电容CL和二极管D4组成，由前级的电平转换级2得到的脉冲信号与三极管Q2的基极相连，三极管Q2的集电极N8经电阻R8与VCC相连、发射极OUT经电阻R9和电容CL并联后连接到参考电位GND上，最终的脉冲信号由三极管Q2的发射极输出至OUTPTUT。

三极管Q2、电阻R9、电阻R8、电容CL和二极管D4构成射极跟随器，以提高信号驱动能力。三极管Q2为输出信号提供较大的驱动电流，三极管Q2的选取需要满足工作频率和耐压的需求；电阻R9为过流保护电阻，其阻值在10Ω左右；二极管D4为起保护作用的二极管，可选用普通二极管，对三极管Q2起保护作用，防止其基极-发射极反偏；电阻R8为限流电阻，决定了信号的驱动能力，电容CL为负载电容，二者之积构成时间常数，影响输出信号的下降时间。当负载电容较小时，R8可结合信号下降沿的要求适当增大以降低功耗；当负载电容较大时，R8需要适当减小。脉冲下降时间如下：

t_f＝2.3＊R₈＊C_L

这样，前级的脉冲信号输出驱动级3后，就可以形成具有驱动能力的脉冲信号，供电子快门使用。

由于射极跟随器的增益略小于1，且输出驱动级3对电平转换级2的输出有细微影响，最终输出的高压脉冲信号的高低电平需要细调一下VCC和R6。此外，对高压信号来说，器件的功耗通常是需要仔细考虑的，所以所选器件，尤其是电阻，需要满足额定功耗需求。

本发明所产生的高压脉冲的高电平由供电电源VCC、结型场效应管J1和三极管Q2的性能决定，输出幅度可高于100V，频率可达几十kHz。

本发明原理：输入信号从输入端口INPUT2在TTL电平输入级1输入，经三极管Q1后得到反相的负脉冲信号，负脉冲的高电平由N7点的电压决定，该负脉冲再经交流耦合电容C1叠加到结型场效应管J1的栅极和源极两端。通常情况下，由于电阻R5、型场效应管J1的栅极、源极的电压差为0，结型场效应管J1处于导通状态，此时，结型场效应管J1的漏极电压：

VL＝VCC＊(R7+RJ)/(R6+R7+RJ)

RJ为结型场效应管J1的导通电阻。当负脉冲到来时，由于栅极的电压被二极管D3和电阻R5以高电平箝位的方式箝位到漏极上，栅极相对漏极会出现一个负电压的脉冲，使结型场效应管J1截止。此时，结型场效应管J1的漏极电压：

VH＝VCC

这样，结型场效应管J1漏极输出的低电平VL就可以由R6和R7来决定，高电平VH由供电电源VCC决定。调整电平后的脉冲信号经Q2组成的射极跟随器后，可以形成具有驱动能力的脉冲信号，供电子快门使用。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims

1.一种低电平可调的高压脉冲转换器，包括TTL电平输入级(1)和输出驱动级(3)，其特征在于：在TTL电平输入级(1)和输出驱动级(3)之间还级联有电平转换级(2)，TTL电平输入级(1)将输入的TTL电平脉冲转换为反相的负脉冲送入电平转换级(2)，电平转换级(2)将反相的负脉冲交流耦合后再产生高电压脉冲，送入输出驱动级(3)，输出驱动级(3)将高电压脉冲转换为带驱动能力的高电压脉冲信号输出，其中所述的电平转换级(2)由电容C1、结型场效应管J1、电阻R6、电阻R7、二极管D3和电阻R5组成，TTL电平输入级(1)送入的反相负脉冲经电容C1连接到结型场效应管J1的栅极上，结型场效应管J1的漏极经电阻R6连接到供电电源VCC上、源极经电阻R7连接到参考电位GND上，电阻R5跨接在结型场效应管J1的栅极和源极上，二极管D3的阳极与结型场效应管J1的栅极相连、阴极与结型场效应管J1的源极相连；

所述的TTL电平输入级(1)由电阻R1、三极管Q1、电阻R4、二极管D2、二极管D1、电阻R2和电阻R3组成，信号输入端INPUT2经电阻R1与三极管Q1的基极相连，三极管Q1的发射极与二极管D2的阳极相连，二极管D2的阴极与参考电位GND相连，二极管D1的阳极与三极管Q1的发射极相连、阴极与三极管Q1的基极相连，电阻R2和电阻R3串联在供电电源VCC和参考电位GND之间，三极管Q1的集电极经电阻R4与电阻R2和电阻R3连接点相连，三极管Q1的集电极输出反相负脉冲；

所述的输出驱动级(3)由三极管Q2、电阻R9、电阻R8、电容CL和二极管D4组成，电平转换级(2)送入的脉冲信号从三极管Q2的基极进入，三极管Q2的集电极经电阻R8与供电电源VCC相连、发射极经电阻R9和电容CL并联后连接到参考电位GND上，三极管Q2的发射极输出带驱动能力的高电压脉冲信号。