CN107728692A - 用于紫外波段ccd制冷器的驱动电路及制冷装置 - Google Patents

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宋克非
刘阳
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Abstract

本发明公开了一种用于紫外波段CCD制冷器的驱动电路，包括运算放大器、场效应管、电容、第一电阻、第二电阻和第三电阻；所述驱动电路的输入电压与所述运算放大器的正极连接；所述运算放大器的负极与分别所述电容的一端及所述第二电阻一端连接；所述运算放大器的输出端分别与所述电容的另一端及所述第一电阻的一端连接；所述第一电阻的另一端与所述场效应管的栅极连接；第二电阻的另一端与所述第三电阻的第一端连接；所述第三电阻的第二端与场效应管的源级连接；所述第三电阻的第三端及第四端接地；所述场效应管的漏极与帕尔贴制冷器的电流输入端连接；所述帕尔贴制冷器另一端与电源连接。本发明具有简单可靠、成本低以及不产生开关噪声的有益效果。

Description

用于紫外波段CCD制冷器的驱动电路及制冷装置
技术领域
本发明涉及紫外波段光电探测技术领域，特别涉及一种用于紫外波段CCD制冷器的驱动电路及制冷装置。
背景技术
紫外成像光谱仪一般选用CCD探测器作为光电转换器件，由于紫外波段光强较弱，为了满足信噪比指标要求，CCD探测器应用于紫外波段探测必须需要考虑噪声问题。当CCD探测器工作期间，对CCD探测器本体进行制冷，降低CCD探测器本体温度，可以有效降低CCD探测器噪声，提高CCD探测器信噪比。帕尔贴制冷器是CCD探测器制冷中通常使用的一种半导体制冷器，其工作原理是利用帕尔贴效应，当驱动电流加至帕尔贴制冷器的时候，帕尔贴制冷器会将热量从冷端转移至热端，导致冷端温度降低。将帕尔贴制冷器冷端紧密贴附于CCD探测器，从而可以降低CCD探测器本体温度。
在现有的技术中，广泛采用脉宽调制电路来驱动帕尔贴制冷器。脉宽调制电路是利用微处理器的数字脉冲信号，来对模拟电路进行控制的一种方法。脉宽调制电路通过以某一固定频率，周期性地改变帕尔贴制冷器电流导通时间占总时间的比例，来达到调整流经帕尔贴制冷器平均电流的目的，从而控制CCD探测器的工作温度。脉宽调制电路由于存在导通和断开频繁切换，流经帕尔贴制冷器的驱动电流会出现阶跃跳变，而大电流快速变化会带来开关噪声电磁干扰问题。因此，在CCD探测器工作期间，脉宽调制电路驱动帕尔贴制冷器对CCD进行制冷会导致图像出现条纹现象，降低图像质量，不能满足紫外波段光电成像需求。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种用于CCD制冷器的驱动电路，该驱动电路解决了传统驱动电路在制冷过程中产生开关噪声的问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种用于紫外波段CCD制冷器的驱动电路，包括运算放大器、场效应管、电容、第一电阻、第二电阻和第三电阻；
所述驱动电路的输入电压与所述运算放大器的正极连接；所述运算放大器的负极与分别所述电容的一端及所述第二电阻一端连接；所述运算放大器的输出端分别与所述电容的另一端及所述第一电阻的一端连接；所述第一电阻的另一端与所述场效应管的栅极连接；所述第二电阻的另一端与所述第三电阻的第一端连接；所述第三电阻的第二端与所述场效应管的源级连接；所述第三电阻的第三端及第四端接地；所述场效应管的漏极与帕尔贴制冷器的电流输入端连接；所述帕尔贴制冷器另一端与电源连接。
一些实施例中，所述运算放大器为OP07型号的超低漂移精密运算放大器；所述场效应管为2N7224型号的金属氧化物半导体场效应晶体管。
一些实施例中，所述第三电阻为RX76型号的精密型线绕固定电阻器，所述第三电阻采用四引线接法。
一些实施例中，与所述帕尔贴制冷器连接的所述电源为+5V，所述+5V电源可输出2A以上电流。
此外，本发明还提供一种用于紫外波段CCD的制冷装置，包括上述的用于紫外波段CCD制冷器的驱动电路，还包括帕尔贴制冷器，所述帕尔贴制冷器与所述CCD相邻；所述驱动电路驱动所述帕尔贴制冷器进行制冷，以给所述CCD进行制冷。
更加地，本发明还提供一种用于紫外波段的图像传感装置，包括上述的CCD制冷装置，所述CCD工作时，所述驱动电路驱动所述帕尔贴制冷器对所述CCD进行制冷。
本发明的有益效果是：
1、与现有技术相比，在帕尔贴制冷器工作过程中，本发明的驱动电路由于是负反馈闭环控制，不产生开关噪声，有利于CCD提高成像质量；
2、本发明电路结构简单，成本低，可靠性高，不需要脉宽调制专用芯片；
3、本发明电路参数设置灵活，通过更换第三电阻值(R3)可以改变驱动电路输入电压(A)与帕尔贴制冷器电流之间的相互关系。
4、电容一端与运算放大器的负端连接，另一端与运算放大器输出端连接；同时，第二电阻一端和运算放大器负端连接，另一端和第三电阻连接，通过这样的电路结构形式，可以保证驱动电路留有足够相位余量，提高驱动电路稳定性。
附图说明
图1为本发明所述的一种用于紫外波段CCD制冷器驱动电路的结构示意图；
图2为本发明所述的一种用于紫外波段CCD制冷器驱动电路一个实施例的电路原理图。
图3为本发明所述的一种用于紫外波段CCD制冷器驱动电路的输入输出关系图。
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，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。
请参考图1，本发明的一个实施例中，提供了一种用于紫外波段CCD制冷器的驱动电路，该电路包括运算放大器U、场效应管V、电容C、第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3。驱动电路输入电压A与运算放大器U的正端(3脚)连接；运算放大器U的负端(2脚)与电容C的1脚和第二电阻R2的1脚连接；运算放大器U的6脚与电容C的2脚和第一电阻R1的1脚连接；第一电阻R1的2脚和场效应管V的3脚连接；第二电阻R2的2脚和第三电阻R3的1脚连接；第三电阻R3的2脚和场效应管V的2脚连接；第三电阻R3的3脚和4脚同时接地；场效应管V的1脚与帕尔贴制冷器T的2脚连接；帕尔贴制冷器T的1脚和电源VCC连接。
本实施例中，如图2所示，运算放大器U采用线性稳压电源+12V和线性稳压电源-12V供电，运算放大器U的7脚连接电源+12V，运算放大器U的4脚连接电源-12V；帕尔贴制冷器T的1脚连接电源+5V，此电源+5V需要具有输出电流2安培以上的能力，以便可以满足驱动帕尔贴制冷器电流需求。运算放大器U的7脚和运算放大器U的4脚分别连接第一去耦电容C1和第二去耦电容C2，可以去除驱动电路高频噪声。
本发明的工作原理为：本发明的驱动电路采用负反馈环路结构方式，运算放大器U、第一电阻R1、场效应管V、第三电阻R3和第二电阻R2共同构成负反馈控制环路。为了使驱动电路输入电压A和电流流经第三电阻R3所产生的电压相等，运算放大器U输出电压自动调整场效应管V的栅极电压，栅极电压变化会导致场效应管V的漏极和源极之间电流改变，所以驱动电路输入电压A可以线性地控制流经第三电阻R3电流值。由于场效应管V的栅极漏电流远小于流经帕尔贴制冷器电流，因此忽略场效应管V的栅极漏电流，可以得到流经帕尔贴制冷器电流值、场效应管V的漏极和源极之间电流值和流经第三电阻R3的电流值三者相等。所以，可以通过调整驱动电路输入电压A，来改变帕尔贴制冷器的驱动电流值，实现对CCD探测器制冷的目的。
本发明的驱动电路具体工作过程为：电路初始工作状态下，A处电压设置为VA＝0V；某一时刻，在A处加入驱动电路输入正电压VA为0.2V，运算放大器U的3脚电压为0.2V，高于运算放大器U的2脚电压，因此运算放大器U的6脚电压输出迅速升高，经过第一电阻R1传送至场效应管V的栅级(3脚)，当场效应管V的栅级(3脚)和源极(2脚)之间电压大于场效应管V开启电压2V的时候，场效应管V漏极(1脚)和源极(2脚)导通，即开始有电流流过。随着运算放大器U的6脚电压输出逐渐升高，场效应管V漏极1脚和源极2脚之间电流逐渐增加，流经第三电阻R3的电流逐渐增加，第三电阻R3的2脚电压逐渐增加，第三电阻R3的1脚和2脚在电阻内部结构中是相通的，所以第三电阻R3的1脚电压逐渐增加，经过第二电阻R2反馈回运算放大器U的2脚，导致运算放大器U的6脚电压输出降低，经过环路动态调整，最终达到平衡状态，运算放大器U的2脚电压近似等于运算放大器U的3脚电压，即VA＝VU3＝VU2＝0.2V，VU2为运算放大器U的2脚电压，VU3为运算放大器U的3脚电压，流经帕尔贴制冷器的驱动电流IT为：
其中，IR3为流经第三电阻R3的电流，驱动电路输入电压VA与驱动电流IT具体关系如图3所示。
本发明的驱动电路具有以下有益效果：
1、与现有技术相比，在帕尔贴制冷器工作过程中，本发明的驱动电路由于是负反馈闭环控制，不产生开关噪声，有利于CCD提高成像质量；
2、本发明电路结构简单，成本低，可靠性高，不需要脉宽调制专用芯片；
3、本发明电路参数设置灵活，通过更换第三电阻值(R3)可以改变驱动电路输入电压(A)与帕尔贴制冷器电流之间的相互关系。
4、电容一端与运算放大器的负端连接，另一端与运算放大器输出端连接；同时，第二电阻一端和运算放大器负端连接，另一端和第三电阻连接，通过这样的电路结构形式，可以保证驱动电路留有足够相位余量，提高驱动电路稳定性。
此外，本发明还公开一种用于紫外波段CCD的制冷装置，包括上述的用于紫外波段CCD制冷器的驱动电路，还包括帕尔贴制冷器，所述帕尔贴制冷器与所述CCD相邻，驱动电路驱动帕尔贴制冷器进行制冷，以给CCD进行制冷。
更加地，本发明还提供一种用于紫外波段的图像传感装置，包括上述的CCD制冷装置，CCD工作时，所述驱动电路驱动所述帕尔贴制冷器对所述CCD进行制冷。
以上所述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 (7)

1.一种用于紫外波段CCD制冷器的驱动电路，其特征在于，包括运算放大器、场效应管、电容、第一电阻、第二电阻和第三电阻；
所述驱动电路的输入电压与所述运算放大器的正极连接，所述运算放大器的负极与分别所述电容的一端及所述第二电阻一端连接；所述运算放大器的输出端分别与所述电容的另一端及所述第一电阻的一端连接；所述第一电阻的另一端与所述场效应管的栅极连接；所述第二电阻的另一端与所述第三电阻的第一端连接；所述第三电阻的第二端与所述场效应管的源级连接；所述第三电阻的第三端及第四端接地；所述场效应管的漏极与帕尔贴制冷器的电流输入端连接；所述帕尔贴制冷器另一端与电源连接。
2.如权利要求1所述的用于紫外波段CCD制冷器的驱动电路，其特征在于，所述运算放大器为OP07型号的超低漂移精密运算放大器；所述场效应管为2N7224型号的金属氧化物半导体场效应晶体管。
3.如权利要求1所述的用于紫外波段CCD制冷器的驱动电路，其特征在于，所述第三电阻为RX76型号的精密型线绕固定电阻器，所述第三电阻采用四引线接法。
4.如权利要求1所述的用于紫外波段CCD制冷器的驱动电路，其特征在于，所述运算放大器采用线性稳压电源+12V和线性稳压电源-12V供电；所述运算放大器的电源正极和电源负极分别连接第一去耦电容C1和第二去耦电容C2。
5.如权利要求1所述的用于紫外波段CCD制冷器的驱动电路，其特征在于，与所述帕尔贴制冷器连接的所述电源为+5V，所述+5V电源可输出2A以上电流。
6.一种用于紫外波段CCD的制冷装置，其特征在于，包括如权利要求1-5任一项所述的用于紫外波段CCD制冷器的驱动电路，还包括帕尔贴制冷器，所述帕尔贴制冷器与所述CCD相邻；
所述驱动电路驱动所述帕尔贴制冷器进行制冷，以给所述CCD进行制冷。
7.一种用于紫外波段的图像传感装置，其特征在于，包括如权利要求6所述的CCD制冷装置，所述CCD工作时，所述驱动电路驱动所述帕尔贴制冷器对所述CCD进行制冷。
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