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脉冲式激光驱动电源的研究与设计

1.1引言

二十世纪后期到二十一世纪初，超短脉冲激光成为强有力的科学研究手段 ，使科研上升到一个新的层次。一些国家和部门重点实验室的科研工程，有很 大比例围绕着超短脉冲激光及其应用。由于半导体激光器的增益带宽很宽适于 产生超短脉冲激光，且体积小、能耗低、寿命长、价格低廉，操作控制简便， 特别适用于军用、工业、交通、医学和科研应用 [62] 。因此，研究如何从 LD获 得超短脉冲激光就一直受到人们的高度重视，超短脉冲激光器以其自身的优点 在激光领域里得到了广泛的应用。大电流超短脉冲半导体激光器可以直接作为 仪器使用，它更可以作为系统的一个关键部件、一个激光光源。它将作为火花 启动庞大的仪器装备制造业，因此研究如何从半导体激光器获得大电流超短脉 冲激光备受重视，也是我国亟待解决的科技问题。目前，美、德、日等国在脉 冲驱动源的发展走在了前列，已经达到很高的水平，据文献报道 [62,63]，他们 目前已能获得电流达几十安培甚至上百安培，脉冲宽度达到纳秒，甚至皮秒级 的半导体激光器驱动电源，但该电源还处于实验阶段，尚未商品化。一些半导 体器件公司研制的 LD 驱动电源指标也已经很高，并且商品化。如专门生产小型 化高速脉冲源著称的 AVTECH 公司生产的型号为 AVOZ-A1A-B 、AV-1011- BDE驱动电源，其电流脉冲峰值可达 2A，脉宽为 100nS脉冲上升时间仅为 10nS ，重复频率可达 1MHz 。并带有通用的接口总线，通用性强，可用于驱动多种类 型的半导体激光器。

DEI公司的 PCO- 7210驱动电源脉宽小于 50nS，重复频率也达到 1MHz ，峰值电流为十几安培， 但这些产品价格昂贵，需要一到两万美金左右。在国内，对于脉冲式驱动电源 的开发，大多用于光纤通信，其对输出电流的要求很低，只有几十毫安即可。 由于半导体激光器的增益带宽很宽，适于产生超短脉冲激光，且体积小、能耗 低、寿命长、价格低廉，操作控制简便，特别适用于军用、工业、交通、医学 和科研应用。因此，研究如何从 LD获得超短脉冲激光就一直受到人们的高度重 视，超短脉冲激光器以其自身的优点在激光领域里得到了广泛的应用 [64,65]。 本章通过分析比对，选取快速开关器件 VMOSFET 作为半导体激光器脉冲驱动 电路的核心元件，得到了大电流、窄脉冲输出。本设计具有结构简单、小型化 、低电压供电、脉冲指标易于调整等优点。其主要设计指标如下：

1. 脉冲宽度最小为 30nS且连续可调；

2. 脉冲频率在 500Hz~50KHz 连续可调；

3. 最大输出电流峰值为 5A 。

1.2 超短脉冲驱动电源的设计

1.2.1超短脉冲驱动电源的整体设计

一、脉冲驱动电源的主要技术指标 从半导体激光器脉冲驱动电源的发展趋势来看，驱动技术是向着重复频率 变高、功率输出增大、响应时间缩短，脉宽个人资料整理 仅限学习使用

越来越窄的方向发展 [66] 。

<1）重复频率。重复频率是指电源向负载每秒中放电的次数，它是脉冲电源

的一项重要指标。一般情况下，把每秒低于一次的电源叫低重复频率电源；而 把每秒高于一次的电源叫高重复频率电源，每秒高于一千次的叫超高重复频率 电源。电源的重复频率是根据激光器的要求而决定的。

<2）输出功率。输出功率就是激光器电源传送给负载的功率。对脉冲式电源 ，输出给负载的单次能量是一项基本指标。如果定义电源输出的单次能量是 Jc ，工作频率是 f ，输出能量是 Po，那么就有 Po=Jc·f

<3）占空比。占空比是指高电平在一个周期之内所占的时间比率。它是在连 续的脉冲信号频率或周期不变的前提下定义的，用来衡量开关管导通或截至状 况，在这个前提下，设开关管的导通时间为 T о ，脉冲周期为 T，则占空比为 T о :T比如方波的占空比就是 50%。

<4）一般在谈到脉冲波型的时候都是把它当作理想的矩形波来考虑的，而实 际上出现的波形，由于是通过一系列传输电路来的，所以总会有一些频段被丢 失，一般波形的棱角会变钝。图 6.1给出了实际的脉冲波型，对波形一般采用如 下定义：

图1.1波形的要素

◆脉冲周期 T：周期性重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲的时间间隔；

◆上升时间 tr：从脉冲前沿波形的 10%到达 90%的时间； ◆下降时间

tf：从脉冲后沿波形的 90%到达 10%的时间； ◆

上冲电压 Vover：脉冲前沿波形中瞬时超过最终脉冲振幅值的超越电压； ◆下冲电压 Vunder：脉冲后沿波形中瞬时低于低电平并返回的超越电压； ◆

脉冲宽度 tw：从脉冲前沿到达波形振幅的 50%到脉冲后沿到达振幅的 50%

位置的时间间隔；

◆

占空比 q：对于非理想脉冲，占空比定义为脉冲宽度与脉冲 .周期的比值，即 q=t w/T；

◆ 延迟时间 td ：从输入波形通过 50%振幅的时刻，到波形的输出波形通过 50%的时刻。

二、设计的主要技术指标 半导体激光器工作于脉冲方式，驱动电源输出电流的幅频率均要可调 。针对实际要求，提出设计的半导体激光器脉源的个人资料整理 仅限学习使用

指标：

◆ 重复频率满足输出脉冲在 500Hz到50KHz 可调；

◆ 输出脉冲电流为 3A 以上，属于大电流输出方式； ◆ 输出电流脉宽较窄且脉宽可调；

◆ 上升时间和下降时间在纳秒量级；

◆ 由于脉宽较窄且频率不高，属于低占空比工作方式 ◆ 外围辅助电路保证激光器正常工作。

三、总体框图设计 在仔细分析了半导体激光器的工作原理、半导体激光器的特性和它在使 用过程中对驱动电源提出的具体技术指标后，提出了脉冲式半导体激光 器驱动电源主电路的设计方案如图 1.2所示。

图1.2脉冲式半导体激光器驱动电路框图

半导体激光器脉冲驱动电源首先要产生一个超短电脉冲，用它来激励下级 功率放大模块。由于电脉冲的频率和脉宽直接影响到输出脉冲的指标，所以在 两者之间又设计了脉冲调理电路，它可以实现窄脉宽且频率在指标范围内连续 可调，同时将脉冲信号进一步窄化。通过功率放大电路对前级产生的超短电脉 冲进行放大，从而驱动半导体激光器。辅助电路除了用单片机测频外，还设计 了防冲击保护和短路保护电路 [67,68]。

1.2.2超短电脉冲单元电路的设计

一、脉冲发生电路的设计 脉冲发生电路一般由两部分组成：一部分是开关电路，另一部分是惰性电 路。晶体管、逻辑门和 555定时器都具有开关特性，它们可以构成脉冲电路中的 开关电路；电容和电感是惰性元件，它们和电阻可以构成脉冲电路中 RC、 LC

和 RLC惰性电路 [69,70] 。

惰性电路选择用电容和电阻构成的 RC电路，因此， RC电路的充放电特性是影 响脉冲波形参数的重要因素。图 1.3给出了 RC充放电示意图，当开关位个人资料整理 仅限学习使用

置由 1变 为 2时，电容 C开始经电阻 R充电，使电容上的电压 V个人资料整理 仅限学习使用

c(t>以指数规律上升，如图 1.4所示

图1.4 RC电路充电特性图 1.3 RC充放电示意图 由图1.3可得：

VC(t>= V C(∞>+[ VC<0＋)－VC ( ∞>]e-t/ξ 式中， Vc(∞>为电容电压的稳态值，在充电过程中 Vc(∞>=E<电源电压)： VC(0 +>为电容电压的初始值，在充电过程中 VC(0+>=0V ；τ为充放电回路的时间常数 ，在本电路中

τ=RC。在脉冲电路中，一般分析 RC充、放电过程的某一阶段的 电压变化的幅度，或者时间。下面以图 6.4为例，介绍电容电压 VC(t>从VC (t1>到VC (t2> 的阶段变化过程。为了方便分析把 VC (t1>

看作是电容充电的初始时刻 VC(0+>，把VC (t2>

看作是电容充电的转折值而 t1时刻到 t2时刻经历的时间为 tw。在脉冲电路中，如 果知道电容电压的稳态值 VC( ∞> 初始值为 VC(0+>和时间常数 τ，就可以从式 1.2推导出 RC充、放电过程的电压变 化幅度，或者充、放电过程经历的时间。例如：已知电容电压变化幅度 VC (tw> 则tw为：

<1.3)

一般外加电压加上 τ秒后，跨于电容两端的电压为外加电压的 63%，在经历

5τ秒 后，认为电容器基本充满。脉冲电路的另一部分就是开关电路。 555定时器是一

种多用途的数字 —— 模拟混合集成电路，具有使用简便、灵活的特点，且应用广泛，性能稳定 [71] 。只要在其外部配上几个适当的阻容元件，就可以很方便的构成脉冲产生和变 化电路。图 1.5为利用 555定时器连接的多谐振荡电路，可知该电路的定时元件 是 R1、R2和C。其工作过程如下：当电容 C放电时，电压由 2／3Vcc按指数规律 下降，此时 Q=1，T1导通且饱和，电容 C通过回路 C→R2→T1放电， τ1=R2C<忽 略了 T1管饱和电阻)当电容充电时，

C上的电压由 1／3Vcc指数规律上升，电容个人资料整理 仅限学习使用

器在充电，此时 Q=0，T1截止， C通过回路 Vcc→R1→R2→C充电， τ2=

（R1+R2＞C.

图1.5 555定时器构成的多谐振荡器

根据式6.3求出脉宽 tw和脉冲周期 T。

、脉冲梳理电路的设计 由555定时器组成的多谐振荡器输出的矩形波，脉宽较宽且上升时间下降时间较 长，为了能使下一级功率放大电路有高质量的脉冲产生，必须要加入整形电路 。对于数字系统中的整形常常采用单稳态触发器，它具有以下特点：输出只有 一个稳态，当由外触发脉冲作用时它能从稳态转到暂稳态，但在暂稳态维持一 段时间后，能自动返回稳态，此暂态维持时间的长短仅取决于电路本身的参数 ，而与外触发脉冲信号的宽度无关。

单稳态触发器可以由分立元件构成，也可以由集成电路构成。 TTL 或CMOS集 成单稳态触发器产品只需外接少量定时元件即可，电路设置了上升沿和下降沿 两种触发方式，并有互补的输出端 Q＜输出正脉冲）和 Q＜输出负脉冲），此外还 设置了清零端，使用极为方便。由于电路集成在一片芯片上并采取温度补偿措 施，因此稳定性较好 [72] 。设计选用了 SN74123芯片构成单稳态触发器，其正、 负边沿均能触发工作，典型的传输延迟时间为

20nS左右，边沿时间为 15nS。 SN 74123为5V供电、 16管脚的单稳态多谐振荡器。由它组成的脉冲 整形电路如图 1.6所示。 个人资料整理 仅限学习使用

SN74123输出脉冲宽度由外接电阻 R和电容 C决定

当C≤1000pF时，输出脉冲宽度为

twt=0.7RC

<1.7) 当C>1000pF时，输出脉冲宽度为

twt=0.45RC

<1.8)

式中： R单位为 K?，C单位为pF，tw单位为 nS。通常 R取值在 2

30K? 之间， C的数值取在 10pF-10μF之间，得到的 tw的取值范围可达到

20nS- 200mS，实现了输出脉宽可调的特性。经过一级由 SN74123组成的脉冲整形电 路，可以得到一个脉宽较短的触发脉冲了，其脉冲宽度已经初步达到了设计要 求。

三、超短电脉冲单元电路的整体设计

由脉冲产生电路和脉冲梳理电路组成的超短电脉冲单元电路如图 1.7所示。由 55

5定时器产生的是一个频率可调的脉冲序列，经过 SN74123整形输出脉宽相当窄 的电压脉冲。如下图所示。