兩級(jí)串聯(lián)式電光開(kāi)關(guān)高壓快脈沖源的研制

楊 清，霍玉晶，何淑芳

(清華大學(xué)電子工程系，北京100084)

1 引言

在激光技術(shù)領(lǐng)域，電光開(kāi)關(guān)被廣泛應(yīng)用于主動(dòng)調(diào)Q激光器［1－2］和再生放大器(普克爾盒)［3－4］等系統(tǒng)中，以及腔外的激光強(qiáng)度和相位調(diào)制［5－6］，它的性能很大程度上取決于其電路驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)——高壓快脈沖源［7－9］。

實(shí)際中為了從連續(xù)激光中獲取脈寬從數(shù)十納秒量級(jí)到微秒量級(jí)較大范圍可調(diào)節(jié)的雙快沿激光脈沖，可以通過(guò)兩級(jí)串聯(lián)式電光開(kāi)關(guān)進(jìn)行光學(xué)斬波(即腔外強(qiáng)度調(diào)制)來(lái)實(shí)現(xiàn)，基于小型化和低成本等方面考慮，本文研制了一種新型的可雙路輸出、相對(duì)時(shí)間抖動(dòng)在納秒量級(jí)的兩級(jí)串聯(lián)式電光開(kāi)關(guān)高壓快脈沖源。其中，為了防止高壓脈沖對(duì)低壓延時(shí)信號(hào)的干擾，采用光電隔離器將低壓延時(shí)電路與高壓開(kāi)關(guān)電路隔離;所得高壓脈沖高電平最大值為1200 V，下降沿約為9 ns，零電平寬度在200 ns～15μs之間可調(diào)，同時(shí)兩路高壓脈沖相對(duì)時(shí)間抖動(dòng)小于1 ns。試驗(yàn)表明，該脈沖源性能優(yōu)良且工作穩(wěn)定。另外通過(guò)采用兩塊相同的LiNbO3作為電光晶體制作而成的兩級(jí)串聯(lián)式電光開(kāi)關(guān)對(duì)連續(xù)激光進(jìn)行腔外光學(xué)斬波，得到了重復(fù)頻率和脈寬分別在1～10 kHz和10～100 ns范圍內(nèi)可調(diào)的脈沖激光輸出。

2 高壓快脈沖源的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的高壓快脈沖源由低壓延時(shí)電路、兩個(gè)單路高壓脈沖產(chǎn)生電路(包括觸發(fā)電路和開(kāi)關(guān)電路)和過(guò)渡電路等幾部分組成，其基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 脈沖源基本結(jié)構(gòu)示意圖Fig．1 structure of pusled source

該脈沖源的過(guò)渡電路為光電隔離轉(zhuǎn)化部分，它將前級(jí)的低壓延時(shí)電路與后級(jí)的高壓脈沖產(chǎn)生電路隔離開(kāi)來(lái)，以防止后級(jí)產(chǎn)生的高壓脈沖對(duì)前級(jí)低壓延時(shí)信號(hào)的干擾，因而整個(gè)系統(tǒng)需采用兩個(gè)相互獨(dú)立的供電電源。由于前級(jí)的低壓延時(shí)電路部分所需電壓低且功耗小，因此采用干電池來(lái)供電，這樣既簡(jiǎn)單又方便，同時(shí)穩(wěn)定性也很好;后級(jí)的高壓脈沖產(chǎn)生電路部分采用的是20～24 V直流電壓供電。另外開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)為退壓工作方式，因此輸出的脈沖波形為高壓負(fù)脈沖波形，通過(guò)調(diào)節(jié)兩路低壓延時(shí)電路中延時(shí)信號(hào)的相對(duì)延時(shí)和脈寬，即可實(shí)現(xiàn)所輸出兩路高壓負(fù)脈沖的相對(duì)延時(shí)和各自零電平寬度(或脈寬)的調(diào)節(jié)。下面對(duì)脈沖源各部分電路分別進(jìn)行介紹。

2．1 單路高壓脈沖產(chǎn)生電路

單路高壓脈沖產(chǎn)生電路的功能是產(chǎn)生一個(gè)快下降沿的高壓負(fù)脈沖，它由觸發(fā)電路和開(kāi)關(guān)電路兩部分組成，其電路原理圖如圖2所示。

圖2 高壓脈沖產(chǎn)生電路原理圖Fig．2 schematic of high-voltage pusle generating circuit

開(kāi)關(guān)電路是高壓脈沖產(chǎn)生電路的核心部分，它通過(guò)開(kāi)關(guān)器件快速放電來(lái)獲取高壓負(fù)脈沖，因此開(kāi)關(guān)器件的選擇直接決定了該部分電路的性能。由于本文所需高壓負(fù)脈沖的高電平在1000 V左右，且對(duì)其下降沿要求也較低(在10 ns水平)，另外考慮到開(kāi)關(guān)電路的復(fù)雜性和穩(wěn)定性等因素，最后選擇高壓功率場(chǎng)效應(yīng)管APT7F120B作為開(kāi)關(guān)器件。該功率場(chǎng)效應(yīng)管最大耐壓值為1200 V，因此無(wú)需多管串聯(lián)，只需要單個(gè)管子就能滿(mǎn)足所需高電平的要求，這樣極大地簡(jiǎn)化了開(kāi)關(guān)電路，可靠性高，同時(shí)所需驅(qū)動(dòng)電路也較簡(jiǎn)單;常溫下其最大漏極電流為7 A，脈沖工作方式時(shí)最大可達(dá)28 A，因此可承受在很大電流情況下的快速放電，不易因擊穿而損壞;其柵源極間的電容Ciss的典型值約為2565 pF，所需驅(qū)動(dòng)脈沖的能量較小;其導(dǎo)通電阻典型值僅為2．07Ω，開(kāi)關(guān)損耗很小;其導(dǎo)通時(shí)間約為22 ns，關(guān)斷弛豫時(shí)間和電流下降時(shí)間分別為45 ns和13 ns，實(shí)驗(yàn)表明，即使不采用過(guò)壓驅(qū)動(dòng)［7－8］，也能滿(mǎn)足約 10 ns的放電時(shí)間要求。

開(kāi)關(guān)電路中所需的高壓直流電平由實(shí)驗(yàn)室自制的小體積高壓電源模塊提供，它也能采用20～24 V直流電壓供電，可輸出0～1500 V可調(diào)的直流高壓。限流電阻(如圖2中的R7)在開(kāi)關(guān)電路導(dǎo)通時(shí)起到限流的作用，由于高壓電源的功率絕大部分都消耗在該電阻上，因此該電阻發(fā)熱比較嚴(yán)重，需選用大功率且散熱性好的金屬膜電阻或水泥電阻。電光晶體相當(dāng)于一個(gè)小電容并聯(lián)在開(kāi)關(guān)器件兩端，在開(kāi)關(guān)電路閉合狀態(tài)下由高壓電源模塊通過(guò)限流電阻給其充電，并使它兩端積累一定量的電荷后呈現(xiàn)高壓狀態(tài);當(dāng)開(kāi)關(guān)電路導(dǎo)通時(shí)，其兩端積累的電荷會(huì)被瞬間釋放，所加的高壓也隨之消失。由于電光晶體和開(kāi)關(guān)器件的連線(xiàn)上存在電感，在開(kāi)關(guān)器件放電瞬間會(huì)引起較大的過(guò)沖和振蕩，從而導(dǎo)致在光學(xué)斬波時(shí)，所得的激光脈沖前后沿會(huì)有很大的畸變，為此在電光晶體兩端并聯(lián)了一個(gè)大電流的快速導(dǎo)通二極管，以抑制過(guò)沖和振蕩的產(chǎn)生。該二極管型號(hào)為RHRP32120，反向耐壓值為1200 V，正向?qū)娏鳛?0 A，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)沖和振蕩時(shí)，能迅速地導(dǎo)通而使電荷中和，從而起到抑制的作用。

觸發(fā)電路用于產(chǎn)生一個(gè)控制開(kāi)關(guān)電路通斷的觸發(fā)脈沖，由于本文采用高壓功率場(chǎng)效應(yīng)管作為開(kāi)關(guān)器件，因此為了獲得很短的放電時(shí)間，要求觸發(fā)脈沖前沿陡峭且驅(qū)動(dòng)電流大;同時(shí)還要求所輸出的高壓負(fù)脈沖的零電平寬度大范圍可調(diào)，因此觸發(fā)脈沖的脈寬也需要可調(diào)。從電路功能上講，觸發(fā)電路主要對(duì)低壓延時(shí)信號(hào)進(jìn)行放大和整形，主要器件為兩個(gè)互補(bǔ)的晶體三級(jí)管［9］，其原理圖如圖3所示。首先由低壓延時(shí)信號(hào)驅(qū)動(dòng)NPN管(BC337)瞬間導(dǎo)通，此時(shí)PNP管(BC327)的發(fā)射極和基極間產(chǎn)生電壓差后也隨之導(dǎo)通，電容C0上的電荷迅速加載到PNP管的集電極上輸出，從而得到一個(gè)上升沿在4 ns內(nèi)、峰值電壓為18 V的觸發(fā)脈沖。當(dāng)滑動(dòng)變阻器R3值不為零時(shí)，觸發(fā)脈沖的電量?jī)H來(lái)自電容C0，因而其脈寬最短，此時(shí)得到的高壓負(fù)脈沖的零電平寬度也最短;當(dāng)R3值為零時(shí)，PNP管的發(fā)射極直接連在穩(wěn)壓電源+18 V上，若NPN管和PNP管繼續(xù)處于導(dǎo)通狀態(tài)，觸發(fā)脈沖的電平也還會(huì)維持在高電平，直到NPN管和PNP管恢復(fù)到閉合狀態(tài)為止，因此通過(guò)調(diào)節(jié)低壓延時(shí)信號(hào)的脈寬即可控制觸發(fā)脈沖高電平的持續(xù)時(shí)間，繼而控制輸出高壓負(fù)脈沖的零電平寬度。這里電阻R5的選擇至關(guān)重要，若其取值太大，在NPN管導(dǎo)通時(shí)，它將會(huì)制約PNP管的導(dǎo)通速度，從而減緩所得觸發(fā)脈沖的上升沿;若其取值太小，在NPN管和PNP管都導(dǎo)通時(shí)，易因電流過(guò)大而損壞三極管，因此該電阻值需折中考慮。經(jīng)試驗(yàn)，取R5值約為50Ω為宜，同時(shí)選用散熱較好的金屬膜電阻。

2．2 低壓延時(shí)電路

低壓延時(shí)電路用于產(chǎn)生兩路延時(shí)精密且可調(diào)的低壓脈沖，同時(shí)所得脈沖的前沿要陡峭，寬度也需可調(diào)。其電路結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 低壓延時(shí)電路結(jié)構(gòu)圖Fig．3 structure of low-voltage delay circuit

由于該部分電路采用干電池供電，因此為節(jié)省電量以延長(zhǎng)供電時(shí)間，電子器件類(lèi)型選擇的主要是功耗較低的CMOS類(lèi)型。首先由LM7555及其外圍電路來(lái)產(chǎn)生一個(gè)頻率1～10 kHz范圍可調(diào)的矩形脈沖，然后通過(guò)反相器將其分為兩路，最后分別對(duì)兩路脈沖信號(hào)進(jìn)行延時(shí)和脈寬調(diào)整。延時(shí)和脈寬調(diào)整的器件采用的都是雙高精度單穩(wěn)多諧振蕩器CD74HCT4538，它的管腳功能圖如圖4所示，包括兩個(gè)獨(dú)立的單穩(wěn)多諧振蕩器，其延時(shí)時(shí)間 τ≈Rx Cx，實(shí)驗(yàn)中 Cx采用1 pF電容，Rx選用100 kΩ滑動(dòng)變阻器，最大延時(shí)約100 ns，這里相對(duì)時(shí)間抖動(dòng)主要來(lái)源于電阻阻值的變化，但由于電容值極小，因此由該器件引起的時(shí)間抖動(dòng)很小(ΔRx=200Ω，Δτ≈0．2 ns)。

圖4 CD74HCT4538管腳功能圖Fig．4 functional diagram of CD74HCT4538

2．3 過(guò)渡電路

過(guò)渡電路的功能就是將低壓延時(shí)信號(hào)無(wú)失真地傳輸?shù)礁邏好}沖產(chǎn)生電路，它包括整形和光電耦合轉(zhuǎn)換兩部分，其電路結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 過(guò)渡電路結(jié)構(gòu)圖Fig．5 structure of transition circuit

由于低壓延時(shí)電路與高壓脈沖產(chǎn)生電路分布在不同的印制電路板上，兩者之間采用導(dǎo)線(xiàn)來(lái)連接，這樣當(dāng)?shù)蛪貉訒r(shí)信號(hào)從一塊電路板傳輸?shù)搅硪粔K電路板時(shí)，可能會(huì)因外界干擾而產(chǎn)生變形，因此在進(jìn)行光電耦合轉(zhuǎn)換之前，需要先對(duì)其進(jìn)行整形。這里采用的器件是超高速高精度比較器MXL1016，它具有非?？斓捻憫?yīng)速度(約10 ns)，能很好地保持原脈沖的前沿。光電耦合轉(zhuǎn)換部分采用的器件是高速光電耦合器HCPL－2061，具有很短的上升沿響應(yīng)時(shí)間(24 ns)，因此引入的時(shí)間抖動(dòng)很小?？傊捎谶^(guò)渡電路中采用的都是高速器件，因此受該電路所用器件響應(yīng)速度影響導(dǎo)致的時(shí)間抖動(dòng)非常小。

3 電路性能測(cè)試

經(jīng)測(cè)試，所得高壓快脈沖源輸出的兩路高壓負(fù)脈沖重復(fù)頻率為1～10 kHz，高電平最大值可達(dá)1200 V。從圖6中可看到，輸出高壓負(fù)脈沖的下降沿約為9 ns，開(kāi)關(guān)電路具有很快的放電速度，這也意味著在對(duì)連續(xù)光進(jìn)行光學(xué)斬波時(shí)可得到前后沿非常陡峭的激光脈沖;從圖7(a)和圖7(b)的高壓負(fù)脈沖波形測(cè)量圖可知，其零電平寬度可在200 ns～15μs范圍可調(diào)，即高壓負(fù)脈沖具有很大的零電平調(diào)節(jié)范圍;兩路高壓負(fù)脈沖之間可實(shí)現(xiàn)正負(fù)的延時(shí)，圖8(a)和圖8(b)分別表示第一路高壓負(fù)脈沖比第二路超前1．7 ns和落后1 ns。

圖6 高壓負(fù)脈沖下降沿測(cè)量圖Fig．6 falling edgemeasurement diagram of negative high-voltage pulse

圖7 高壓負(fù)脈沖的零電平寬度測(cè)量圖Fig．7 zero-voltage level width measurement diagram of negative high-voltage pulse

圖8 不同延時(shí)狀態(tài)下的兩路高壓負(fù)脈沖波形圖Fig．8 waveform of two negetive high-voltage pulses with different delay time

高壓快脈沖源輸出的兩路高壓負(fù)脈沖的相對(duì)時(shí)間抖動(dòng)主要來(lái)源于低壓延時(shí)電路中延時(shí)器件的延時(shí)抖動(dòng)、過(guò)渡電路中受器件響應(yīng)速度影響導(dǎo)致的時(shí)間抖動(dòng)和開(kāi)關(guān)器件自身導(dǎo)通時(shí)的時(shí)間波動(dòng)等。如圖9所示，以第一路高壓負(fù)脈沖下降沿為觸發(fā)沿時(shí)，測(cè)得的第二路高壓負(fù)脈沖下降沿多次疊加的波形，經(jīng)測(cè)量，該波形寬度小于1 ns，這表明兩路高壓負(fù)脈沖之間具有良好的延時(shí)穩(wěn)定性，從而由兩級(jí)串聯(lián)式電光開(kāi)關(guān)光學(xué)斬波得到的激光脈沖的寬度將具有良好的穩(wěn)定性。

圖9 兩路高壓負(fù)脈沖相對(duì)時(shí)間抖動(dòng)測(cè)量圖Fig．9 relative time jitter of two negative high-voltage pulses

4 光學(xué)斬波實(shí)驗(yàn)

采用兩塊LiNbO3作為電光晶體分別并聯(lián)在兩個(gè)開(kāi)關(guān)電路的開(kāi)關(guān)器件兩端，組成兩級(jí)串聯(lián)式電光開(kāi)關(guān)對(duì)連續(xù)激光進(jìn)行腔外光學(xué)斬波實(shí)驗(yàn)，其原理圖如圖10所示。其中LiNbO3晶體采用橫向加壓方式，尺寸為3 cm×3 cm×20 cm，對(duì)于1064 nm激光，其半波電壓Vλ/2約為1060 V。

圖10 兩級(jí)串聯(lián)式電光開(kāi)關(guān)Fig．10 two electro-optic switches in series

從圖10中可知，實(shí)驗(yàn)裝置中還包括三個(gè)偏振片，其中偏振片1作為起偏器將連續(xù)光轉(zhuǎn)化成線(xiàn)偏振光(若連續(xù)光本身即為線(xiàn)偏振光，此器件可省略);偏振片2為第一級(jí)檢偏器，與偏振片1偏振方向平行，當(dāng)?shù)谝患?jí)電光開(kāi)關(guān)處于半波電壓狀態(tài)時(shí)，連續(xù)光不通過(guò)偏振片2，當(dāng)一個(gè)快下降沿到來(lái)時(shí)，輸出一個(gè)快上升沿的光脈沖;偏振片3作為第二級(jí)檢偏器，與偏振片1、2偏振方向垂直，當(dāng)?shù)诙?jí)電光開(kāi)關(guān)處于半波電壓狀態(tài)時(shí)，激光通過(guò)偏振片3，在一個(gè)快下降沿過(guò)后，前一級(jí)輸出的光脈沖將獲得一個(gè)快的下降沿，從而實(shí)現(xiàn)雙快沿激光脈沖的輸出。

通過(guò)上述光學(xué)斬波實(shí)驗(yàn)，獲得了重復(fù)頻率為1～10 kHz、上升沿和下降沿均在10 ns左右的激光脈沖輸出，其脈寬在10～100 ns之間連續(xù)可調(diào)。如圖11所示為激光脈沖在重復(fù)頻率為10 kHz時(shí)的波形圖;圖12(a)和圖12(a)(b)分別為脈寬在約10 ns和100 ns時(shí)的激光脈沖波形輸出圖。另外通過(guò)加高精度延時(shí)線(xiàn)或延時(shí)芯片，還能實(shí)現(xiàn)脈寬在100 ns～10μs超大范圍的激光脈沖輸出。

圖11 激光脈沖在重復(fù)頻率為10 kHz時(shí)的波形圖Fig．11 waveform of laser pulse with frequency at10 kHz

5 總結(jié)

本文通過(guò)采用大電流高壓快速開(kāi)關(guān)二極管RHRP32120與開(kāi)關(guān)器件并聯(lián)和高速光電隔離器HCPL－2061將高壓脈沖與低壓延時(shí)信號(hào)隔離等措施研制了一種可雙路輸出、相對(duì)延時(shí)精度高、單路高壓負(fù)脈沖重復(fù)頻率和零電平寬度分別在1～10 kHz和200 ns～15μs范圍內(nèi)可調(diào)且低過(guò)沖和振蕩電壓的新型高壓快脈沖源。該脈沖源設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，所需元器件少，且體積小、成本低、穩(wěn)定性好，具有良好的實(shí)用化前景。另外將采用LiNbO3作為電光晶體制做而成的兩級(jí)串聯(lián)式電光開(kāi)關(guān)應(yīng)用于連續(xù)激光的腔外光學(xué)斬波，得到了重復(fù)頻率和脈寬分別在1～10 kHz和10～100 ns范圍內(nèi)可調(diào)的雙快沿激光脈沖輸出。

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