第9卷第21期 2009年11月1671 1819(200921 6532 04科学技术与工程Science T echno logy and Eng i neeringV o l9 N o 21 N ov .2009 2009 Sci T ech Engng通信技术半导体激光器驱动电路设计何成林(中国空空导弹研究院,洛阳471009摘要半导体激光驱动电路是激光引信的重要组成部分。
根据半导体激光器特点,指出设计驱动电路时应当注意的问题,并设计了一款低功耗、小体积的驱动电路。
通过仿真和试验证明该电路能够满足设计需求,对类似电路设计有很好的借鉴作用。
关键词激光引信半导体激光器窄脉冲中图法分类号 TN 242; 文献标志码A2009年7月14日收到作者简介:何成林(1982 ,男,湖北利川人,助理工程师,硕士,研究方向:激光引信技术,Emai:*******************。
激光引信大部分采用主动探测式引信,主要由发射系统和接收系统组成。
发射系统产生一定频率和能量的激光向弹轴周围辐射红外激光能量,而接收系统接收处理探测目标漫反射返回的激光信号,而后通过信号处理系统,最终给出满足最佳引爆输出信号。
由此可见,激光引信的探测识别性能很大程度上取决于激光发射系统的总体性能,即发射激光脉冲质量。
而光脉冲质量取决于激光器脉冲驱动电路的质量。
因此,半导体激光器驱动电路设计是激光引信探测中十分重要的关键技术。
1 脉冲半导体激光器驱动电路模型分析激光器驱动电路一般由时序产生电路、激励脉冲产生电路、开关器件和充电元件几个部分组成,如图1。
图1中,时序产生电路生成驱动所需时序信号,一般为周期信号。
脉冲产生电路以时序信号为输入条件。
根据其上升或下降沿生成能够打开开关器件的正激励脉冲或负激励脉冲。
开关器件大体有三种选择:双极型高频大功率晶体管、晶体闸流管电路和场效应管。
当激励脉冲到来时,开关器件导通,充电元件通过开关器件和激光器构成的回路图1 驱动电路模型放电,从而达到驱动激光器的目的。
由于激光引信为达到一定的探测性能,通常会要求激光脉冲脉宽窄,上升沿快,一般都是十几纳秒甚至几纳秒的时间。
因此在选择开关器件时要求器件开关速度快。
同时,由于激光器阈值电流、工作电流大[1],需要在开关器件导通一瞬间,充电元件所存储的电能瞬间释放,因此要求开关器件寄生参数小,而且充电元件自身能够迅速充放电。
2 脉冲半导体激光器驱动电路设计2.1 时序产生电路设计在激光探测技术中,激光探测信号的发送需要遵循探测系统的时序需求,因此,激光探测信号的发送,需要时序信号来控制。
现有的激光探测系统中,一类是由时序电路自身产生,另一类是对外部输入时钟进行分频或倍频产生,一般采用简单的反相器、移位寄存器等器件就可实现。
本电路采用第一类形式,使用CPLD 自身产生时序信号,信号时序满足探测系统需求,而信号特征根据后续脉冲产生电路输入需求而设计。
由于后续脉冲产生电路需要生成脉宽几十纳秒的正脉冲,因此,时序电路产生的信号占空比极低,信号高电平也仅为几十纳秒。
高电平为VCC1。
另外,通过调整占空比,能够有效控制开关电路的开断时间。
通过使用CPLD 还能够有效减小电路体积。
2.2 脉冲产生电路设计由于开关电路要求前一级电路有较强的驱动能力,因此,对脉冲产生电路的要求是:能够产生开关电路所需的激励信号,并且电路输出端有较强的驱动能力。
传统方法是,使用快速触发器如74hc123对时序信号快速触发,时序信号下降沿来到时,通过74hc123触发生成所需要的脉冲,其宽度可以通过调整C 3、R 2来实现,通过一个反向放大器对脉冲反向放大,而射随电路能够增强电路对后级的驱动能力。
图2 传统脉冲产生电路另一类方法是,选用现有的驱动芯片如I XD _414系列芯片,驱动MOSFET,产生激励脉冲信号。
较之传统方法此类电路设计简单方便、占用空间小。
I XD_414系列芯片分为翻转和非翻转两类,其中I X DN 414为非翻转类芯片。
当前级输入的时序信号为正脉冲(VCC1时,输出激励信号转化为值为VCC2的正向脉冲;当输入的时序信号为低电平时,输出激励信号也为低电平。
可见,I XDN414能够很好的将输入时序信号转化为更高电平的激励信号,提高驱动能力,满足后续开关电路需求。
图3 驱动芯片脉冲产生电路2.3 开关电路设计开关电路由开关器件、充电元件、脉冲半导体激光器以及其它相关电阻电容等元件组成。
其组成示意图如图1虚线框图部分。
当开关器件打开后,开关电路等效于图4所示。
其中,L 1为激光器寄生电感和放电回路杂散电感的总和;C 1为激光器等效电容,C 2为储能电容;R 2为激光器内阻、开关元件内阻、放电回路电阻之和;R 1为激光器等效内阻;R 0为供电电源内阻。
VCC2是激光器供电高电压。
图4 开关电路等效电路图由等效电路图以及文献[2]的电路模型,可以得出结论:需要选择封装电感小、内阻极小的激光器。
要保证充电元件快速放电,要求充电电容本身高频特性好,以及放电回路的杂散参数小。
因此,充电电容选择瓷介质电容以及在PCB 布线时优化布线、在线、过孔,尽量减小回路寄生电感电容的产生。
653321期何成林:半导体激光器驱动电路设计半导体激光器驱动电路所用开关器件,大体有三种:双极型高频大功率晶体管由于电路复杂、效率低,很少采用;晶体闸流管电路简单方便且有负阻区,适合激光器选用,但受到开关速度的限制,在低电压下获得几十纳秒的大电流窄脉冲也较难实现;选用场效应管,则使得设计简单易行。
在选择场效应管时,所选场效应管内阻R须满足:R V CC2-(U TO+I op!R sI op(1式(1中,V CC2 电路正向供电电压;U TO 激光二极管阈值电压(1.5V~2V;I op 激光二极管最大导通电流;R s 激光二极管导通电阻。
试验证明,图5为可以在较低电压的情况下,能够产生大电流驱动脉冲半导体激光器的开关电路,此电路可以产生脉宽为几十纳秒,上升沿为几纳秒的大电流信号。
当输入脉冲为低电平时,电源VCC2对充电电容C2充电到电源电压。
而当输入脉冲为高电平时,场效应管导通,充电电容C2通过漏极、源极、激光器放电,产生几十纳秒的瞬态大电流。
二极管D1起到保护激光器的作用,防止激光器两端电压接反时,损坏激光器。
另外文献[3],由于场效应管的开关速度快, MOS管打开时,由于瞬态耗电流极大,电源电压瞬态拉低;当MOS管关断时,同样会产生过电压。
因此,在设计开关电路时,为防止对共地电源的干扰,需要对电源加入滤波电路或吸收电路,以及在PCB 布板时,优化布局尽量减少电路板分布电感。
图5 开关电路3 试验仿真结果图6的仿真条件是:VCC1电压为+5V、VCC2电压为+25V,时序信号为10k H z 的周期信号,激光器使用理想模型即0.5 电阻,仿真工具为PS i c e,测量对象为激光器瞬态工作电流。
从仿真图上可以看出,激光器电流上升时间约为7ns,峰值为14.2A。
图6 理想模型激光器瞬态电流仿真信号图7的仿真条件是:VCC1电压为+5V、VCC2电压为+25V,时序信号为10k H z 的周期信号,激光器采用图4所示的激光器等效模型(为提高对比效果考虑,仿真采用较大杂散参数,激光器寄生电感20n H,电阻0.5 ,激光器等效电容1nF,从仿真图上可以看出电流上升时间约为18ns,峰值约为14.2A。
通过仿真对比图6、图7,可以知道:激光器的杂散参数会很大程度影响激光器电流的上升速图7 实际模型激光器瞬态电流仿真信号6534科学技术与工程9卷度,为提高激光引信探测性能和探测精度,尽量选择杂散参数小的激光器。
图8为实际设计电路的测试结果(横坐标每格50ns ,纵坐标每格5V ,所测试项目为激光器两端电压。
测试条件是:VCC1电压为+5V 、VCC2电压为+25V,时序信号为10kH z 的周期信号。
电压信号上升沿约为4ns ,幅值约为21.5V 。
考虑到激光器内阻小于1 ,电流能够满足使用要求。
图8 激光器实测电压信号4 结论根据激光引信设计需求,设计了一种半导体激光器驱动电路,经过试验仿真分析,该电路能够产生上升时间小于10ns ,脉宽几十ns ,电压大于20V 的驱动电压。
该激光器驱动电路功耗和体积小,通过对相关电气参数的修改,可以很方便的应用到相关激光引信中,具有一定的参考意义。
参考文献1 黄德修,刘雪峰.半导体激光器及其应用.北京:国防工业出版社,20012 陈炳林,张河,孙全意.微型大电流窄脉宽半导体激光器电源的研究。
仪器仪表学报,2004;25(4:491 4933 H u Chunsheng ,Q i n Sh i q i ao ,W ang X i ngshu.An extre m el y f ast andh i gh pow er laser d i ode dri verm odu le .Proceed i ng of SP I E V o.l 5628.SPI E,B elli ngha m,W A ,2005D esi gn of D rivi ng C ircuit of LDHE Cheng li n(Ch i na A irborneM is s ileA cad e m y ,Luoyang 471009,P .R .Ch i na[Abstract] Driv i n g c ircuit of LD is an i m portan t part of the laser fuse .Pointing to the features o f LD,so m e is sues that should be pay atten ti o n to are discussed.Then a s m all and lo w po w er driving c ircu it is designed .Through PSp ice si m u lation and experi m en,t the circuit can m eet t h e desi g n requ ire m ents .The w ork m ay offer so m e positi v e re ferences for the research area .[Key words] laser fuse LD narro w pu lse653521期何成林:半导体激光器驱动电路设计。