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设想和测试快速激光驱动器电路

自从 Theodore H Maiman 在50年前创造激光器以来,激光被普遍应用到各类手艺范畴,比方通讯,工业生产,以及传感器和丈量装备。通讯行业存眷的是高达GHz范畴的高速传输频次,工业生产次要存眷的目的凡是是高速的超短范围内纳秒级脉冲光功率。在传感器和丈量使用的应战是设想快速激光驱动器电路,这是一个十分苛求的使命。

上面的文章形貌激光驱动器电路设计,PCB规划和光学丈量注意事项,以及设想一个脉冲宽度短到2.5ns的幻想解决方案。

目次

集成激光驱动器解决方案

快速激光驱动器电路设计注意事项

规划要求

丈量激光脉冲

4.1)从示波器到光学仪器

4.2)从计算机到光学USB仪器

设想查抄

提要

1)集成激光驱动器解决方案

 

传统的激光二极管驱动器电路凡是利用分立元件,用于低成本和低机能使用。集成激光驱动器的优势解决方案是:

 

1.       提高输出功率的稳定性(1%或优于1%)

2.       削减板子空间(削减80%以上)

3.       毛病监控

4.       较好的静态机能

5.       提高了可靠性/MTBF

 用于快速开关,集成驱动器是必需的,由于减小PCB散布电感和分布电容是许可更快速旌旗灯号变革的次要办法。

2)快速激光驱动器电路设计注意事项

 

  用于丈量和传感器范畴的激光器光源凡是是半导体二极管激光器,光学输出功率从几个微瓦到几百个毫瓦。集成电路可便利地和安全地掌握半导体激光二极管,光谱笼盖全部可见光到红外光范畴。最新研发的全范例集成激光驱动器解决方案撑持开关频次高达155 MHz以及激光驱动电流高达300 mA。图1所示的原理图是iC-NZN的使用电路。它的事情电压从3.3V 到5.5V,能够去驱动N,M和P型激光二极管带大概不带监控二极管。

 

图1.全范例激光二极管驱动器电路

  撑持两种事情模式,主动功率掌握(APC)和主动电流掌握(ACC)。光学输出功率各自差别。驱动电流由电阻PMD/RMD设置,如上面图1所示。假如接纳一个适宜的PCB规划,脉冲宽度能够到达小于3.5ns以及脉冲上升沿和降落沿时长(tr/tf)为1.5ns(最大)。在这种情况下该当接纳LVDS输入旌旗灯号替换TTL电平来削减EMI。iC-NZN的特性是供给了一个低边输出(专门为N型激光二极管优化),iC-NZP的特性是供给了一个高边输出(专门为P型激光二极管优化)。为了庇护激光二极管,特别是在APC模式,经由过程管脚VDDA的最大驱动电流能够由电阻RSI来限定。

  关于更高功率的激光脉冲,比方电流开关iC-HG,供给一个集成的解决方案。它的特性是可供给6个带尖峰开释的电流开关,每一个开关切换电流为500mA,并且这些开关能够并联起来到达3A DC 电流。脉冲宽度能够低至2.5ns,峰值电流可达9A。最大开关频次200MHz,上升和降落沿时长1ns(最大)。最大占空比取决功率耗散和iC-HG的散热状况。

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图2:CW驱动电流可达3A,脉冲驱动可达9A的激光驱动电路

 

  输入EN1和EN2利用LVDS模式带100欧姆线路终端电阻。激光器电源电压(最大12V)由两个低ESR钽电容缓冲以及利用两个瓷片电容停止RF滤波。iC-HG监控LVDS输入旌旗灯号,假如幅度低于50%,会在管脚NER发生一个毛病旌旗灯号,电源电压和芯片温度也被监控。当欠压和过载时NER旌旗灯号也会发生。每一个通道的电流能够经由过程掌握CIx的电压来设置。它也能够被用来做模仿调制。最大调制频次典范值2MHz,CIx的输入电容是调制频次的限定身分。

3)规划要求

关于十分短的激光脉冲,激光驱动模块的规划是抉剔的。因为快速开关的瞬态历程,当设想PCB时传输线路低电感是要记着的枢纽。图3a所示的是一个iC-HG高速驱动模块的例子,图3b是规划的细节。推荐规划指导方针以下:

  • 连结从驱动器到激光二极管的线路和回路尽量的短(每一个mm都要思索);

  • 安排储能/旁路电容在驱动器IC电源和地线四周;

  • 挑选低ESR电容(利用两个电容并联来减小ESR);

  • 分隔AGNDx和GND大面积铺地(仅在大众地处毗连);

  • 确保DFN封装的散热PAD的散热

图3a:高速激光驱动模块

 

图3b:高速激光驱动模块规划

 

4)丈量激光脉冲

 

4.1)从示波器到光学仪器

为了激光二极管脉冲的光学丈量,需求一台高速示波器和一个附加的高速光电接收器。此光电接收器该当在相干频谱范畴具有高灵敏度以及尽量宽的带宽,从DC到GHz范畴,以便激光脉冲的幅度和快速脉冲的边缘一样能够被丈量。

图4a所示的是一个典范的光学丈量安装,利用iC212高速光电接收器作为示波器的一个适配器。在这个例子里,利用一个约莫12.5ns的40mW的激光脉冲发生器,脉冲幅度和上升沿时长能够利用示波器丈量。示波器需求一个适宜的高模仿带宽,事情频次也要到GHz范畴。图4b所示的是光学脉冲响应。

为了知道精确的激光脉冲外形,仅有一个电气丈量激光电流是不敷的。因为激光二极管的特性,丈量成果会大差别。因而必需丈量激光二极管的光学输出。这凡是是经由过程利用一个扩大通例实验室设备用于电子丈量。能够的办法有扩大通例示波器大概实验用PC来丈量光学的激光光束。

图4a:激光二极管模块丈量安装                图4b:光电接收器iC212的激光脉冲

利用iC212光电接收器                            丈量成果

 iC212是专门为此类丈量而设想的光电接收器,它是第一个此类安装,分离一个带宽范畴从直流到1.4 GHz的宽光谱灵敏度,波长从320至1000nm(见图5)。它能够丈量持续波和脉冲光功率,瞬态低至280ps。

图5:光电接收器频谱灵敏度

  iC212在波长760nm处的增益因数是1.625V/mW。这许可光学功率丈量低至子毫瓦范畴。激光脉冲的上升沿和降落沿时长能够间接从示波器读出。然后光学功率能够由丈量获得的幅度除以相干波长的灵敏度得出。

图6:丈量功率

图6所示的示波器丈量波长为635nm。灵敏度由图5得出,在635nm处,S=1.34V/mW。光学功率有上面的式子计较,此中,U是从示波器读出的幅度。

Popt(iC212) = U / S = 0.803 V / 1.34 V/mW = 0.60 mW

除了激光二极管和激光模块的光学丈量,IC212也可用来丈量玻璃纤维传输线,光学传输工夫,照度大概激光体系的光学触发大概毛病检测测试。

4.2)从计算机到USB光学仪器

  另一个挑选是iC227数字示波器,经由过程USB毗连到尝试计算机。它是一个十分快速和准确的双通道8GHz次第采样示波器,基于微控制器和高速ECL差分电路。微控制器颠末断绝的全速USB接口通讯,全速速率12 Mbits/s。次第工作范围是由在触发和采样电路之间插入增量时延完成。ADC转换跟着一个触发变乱开端以10皮秒增量采样。图7所示的是iC227设置成 4 GHz双通道示波器的功用道理。毗连到iC212的被测部件来组成一个完好的光学计算机仪器。

iC227次要特性以下:

  • 8 GHz带宽

  • 触发输入带宽2 GHz

  • 时基范畴25ps到100us

  • 垂直12位分辨率

  • 时基精度1.5%FS+/-10ps

  • 垂直精度跟着CH1/CH2输入 3%FS

  • 最小触发频次10KHz

  • 垂直刻度10到1000 mV

  • 最大输入采样电压2Vpp,触发输入4Vpp

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图7:USB示波器功用道理

 由采样道理可知,IC227仅接纳反复旌旗灯号事情。然后,需求一个数字脉冲发生器来完成测试安装。图8所示的是iC149脉冲发生器。它发生脉冲宽度从1到64ns,步长增量0.25ns。牢固频次1MHz以及供给LVDS和TTL输出。管脚毗连兼容iC-HG和iC-NZN/NZP评价板。

图8:脉冲发生器管脚毗连合用iC-HG/NZN/NZP评价板

脉冲宽度可由两位二进制码扭转开关设置。举个例子阐明,一个完好的测试安装如图9所示。

  它由一个光学测试台构成,包罗iC-NZN评价板和脉冲发生器iC149。接收器方iC212光电领受被用来和iC227一同事情,iC227带宽设置为8GHz,iC212光电接收器直接连接到通道1。”Input via Trigger“复选框必需连结未选。

图9:光学丈量接纳计算机USB光学仪器

iC212光电接收器输出直接连接到”SAMPLER IN1“ ”Input via Trigger“复选框必需连结未选。

5)设想查抄

关于高速激光驱动器设想,推荐重视思索以下项目:

  • PCB板规划见以上第3项

  • 示波器带宽要充实思索快速跃迁和过冲

  • iC-HG在LDKx的过冲输出不该当超越最大值12V

  • iC-NZN在LDK的过冲输出不该当超越15V,正常值为12V

6)提要

新一代基于iC-HG的激光驱动器电路可以发生高功率激光脉冲,脉宽低于3.5ns。为了在相干使用中能准确到达这个目的,需求优化PCB设想来减小散布电感。需求专用工具来丈量光学输出的上升沿和降落沿时长。光电接收器iC212,脉冲发生器iC149和数字USB示波器iC227是这些丈量装备新的挑选。

  

 

 

上传工夫:2013-07-17
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