半导体激光器高速脉冲驱动电路的设计与实现

1、半导体激光器高速脉冲驱动电路的设计与实现 暨南大学硕士学位论文 半导体激光器高速脉冲驱动电路的设计与实现 摘 要 针对分布式光纤测温系统和 mopa 式脉冲光纤激光器等应用,论述了一种高重复频率、快速边沿变化及窄脉宽的半导体激光器高速驱动电源的研制过程。 针对半导体激光器的性能特点和工作原理,通过对几种驱动方案进行论证和比较,确定了研制半导体激光器高速脉冲驱动电源的技术路线,然后详细论述了电路的设计、仿真和实现过程,包含以下几个方面: 1 建立了一种典型的注入式双异质结单模半导体激光器的电路模型,并将其spice模型化; 2 采用 mosfet作为驱动电路的核心开关器件,用 hspice工具对

2、驱动电路和 ld负载进行了元件级别的建模和仿真,根据仿真结果调整元件参数并进行元件选型。 3 在画出驱动电路详细原理图的基础上,以高速信号设计理论和传输线理论为指导,完成了 pcb的设计,最后完成了实际电路的装机调试。 论文设计的高速脉冲驱动电路最小宽度为 43ns,上升和下降时间 57ns,峰值电流可调,典型值为 2a。不仅可以应用分布式光纤温度传感系统,也可作为 mopa 式高功率脉冲光纤激光器的种子源。 关键词 半导体激光器;高速脉冲驱动;hspice;mosfeti 暨南大学硕士学位论文 半导体激光器高速脉冲驱动电路的设计与实现 abstract in view of some app

3、lications, such as distributed optical fiber temperature sensing system, pulse optical fiber laser based on mopa and so on, a design of driving circuit for semiconductor laser diodes was proposed in this paper, which successfully realize the generation of narrow pulses with high repetition-rate and

4、fast rising and falling timefirstly, the working principle and characteristics of laser diode were describedcorresponding driving schemes were proposed and compared with each other. then, the technical route for implementation of pulse driver for lds was presented, followed with detailed exposition

5、on design, simulation and implementation of the circuit. specifically, the main contents are provided below: a the circuit model of a typical injection semiconductor double hetero-structure laser diode was established. its corresponding spice model was createdb using vmos as key component of the dri

6、ver, both driving circuit and ld load were simulated with hspice simulator in a component model level. according to the result of the simulation, the most suitable circuit devices were selectedc in accordance with the particular circuit schematics, the pcb design was then accomplished by making use

7、of high-speed signal theory and transmission line theory. at last, after debugging the whole hardware departmental module, the lds pulse driver realized its unitary functionsthrough the corresponding test results, the lds pulse driver was proved to have a superior ability for pulse driving: a minimu

8、m pulse width of 43ns , a short rising and falling time of 5ns 7ns and an adjustable peak current, typically 2a. therefore, it could be readily used in distributed optical fiber temperature sensing system or pulse optical fiber laser based on mopakeywords :semiconductor laser diode; high-speed pulse

9、 driving; hspice; mosfet ii 暨南大学硕士学位论文 半导体激光器高速脉冲驱动电路的设计与实现 目 录 摘 要 i abstract.ii 目 录 iii 第 1 章 绪论1 1.1 课题背景 1 1.2 国内外研究现状 1 1.3 半导体激光器高速脉冲光源的典型应用2 1.3.1 在高功率脉冲光纤激光器中的应用2 1.3.2 在分布式光纤温度传感系统中的应用. 3 1.4 论文内容和结构 4 第 2 章 高速脉冲驱动理论基础和设计概要6 2.1 半导体激光器的基本特性6 2.2 高速脉冲驱动电路的整体设计 7 2.2.1 脉冲驱动器的技术指标. 7 2.2.2 脉冲驱

10、动电路的方案论证和整体架构. 9 2.2.3 ld开关模块的设计思路10 2.2.3.1 mosfet的开关特性10 2.2.3.2 关断加速电路.14 2.2.3.3 电路寄生效应及解决办法15 2.2.4 脉冲整形模块的设计思路. 16 2.3 本章小结. 18 第 3 章 高速mosfet开关模块的hspice仿真. 19 3.1 hspice简介19 3.2 半导体激光器的大信号spice模型 20 3.2.1 半导体激光器的大信号电路模型. 20 iii 暨南大学硕士学位论文 半导体激光器高速脉冲驱动电路的设计与实现 3.2.2 半导体激光器大信号模型的spice表示23 3.3 半

11、导体激光器脉冲驱动电路的hspice仿真. 25 3.3.1 针对ld大信号模型的hspice阶跃仿真26 3.3.2 栅极充放电回路的仿真与分析27 3.3.3 脉冲释放回路的仿真与分析 30 3.3.4 带ld负载的脉冲驱动系统整体仿真33 3.4 本章小结. 34 第 4 章 高速脉冲驱动电路的实现 35 4.1 用fpga生成重复触发脉冲. 35 4.2 电源分配系统36 4.2.1 作为动力源的电源分配网络实现. 37 4.2.2 作为信号回路的电源分配网络实现 39 4.3 结果与分析 40 第 5 章 结论与展望 42 参考文献 44 致谢47iv 暨南大学硕士学位论文 半导体激

12、光器高速脉冲驱动电路的设计与实现 第1章 绪论 1.1 课题背景 半导体激光器的发光机理是利用半导体材料导带中的电子和价带中的空穴的复合1来产生受激辐射 。半导体激光器又称激光二极管 laser diode ,简称ld。用半导体材料作激光器工作物质的理念是 20世纪 60年代提出来的,1962年ce公司的霍尔hall用gaas p ?n两个镜面构成谐振腔看到了 结正向偏置的相干光发射,1970 年初美国的2hayashi和潘尼希宣布研制成功可以室温发射的双异质结半导体激光器 ,这是半导体激光器发展的一个里程碑事件。自此以后,世界上许多实验室对更复杂的双异质结ld进行了大量的研究工作,极大地推动

13、了其它科学技术的发展,半导体激光器被认为是二十3世纪最伟大的发明之一 。 二十世纪后期到二十一世纪初,窄脉冲激光在仪器装备制造业、光纤传感、激光测距、脉冲多普勒成像等领域都得到了广泛的利用,而由于半导体激光器具有增益带宽大,效率高、使用寿命长、覆盖的波段范围广、体积小、价格低以及可以直接电调制等诸多优点,所以如何利用半导体激光器获得脉冲激光,特别是高功率超短脉冲激光,就一直是各国相关研究人员的研究热点,也是本论文的主要研究内容。 1.2 国内外研究现状 半导体激光器高速脉冲驱动电源从本质上讲是一个把电能量以脉冲的形式注入到ld中实现 ld有源区粒子数翻转的装置,所以 ld光脉冲的质量很大程度上

14、取决于驱动电源的情况。因此,在半导体激光器飞速发展的同时,ld驱动电源也在同步快速发展。 目前,美国、德国及日本等国的高功率窄脉冲半导体激光器已经发展到了很高的水4平,能够获得瞬时电流高达上百安培的脉冲激光 ,脉冲宽度达纳秒级甚至皮秒级。在商用化方面国外的一些公司也已经做到了指标很高的 ld驱动电源,但是往往价格昂贵,在数万美元左右。 在国内也有不少大学和研究机构开展了脉冲半导体激光器驱动电源的研制工作,且取得了一定的成绩,但是在研究成果工业化方面却不甚理想。国内的研究报道表明商品化的脉冲光源很难同时兼顾高功率、窄脉宽、高速边沿以及高重复频率等几个指标。基于这个原因,本论文提出的 ld高速脉冲

15、驱动电源拟达到的设计目的是上升和下降时间1 暨南大学硕士学位论文 半导体激光器高速脉冲驱动电路的设计与实现 几个纳秒,重复频率在 20khz以上,脉宽在50ns左右,同时能够达到数a的脉冲峰值功率,应用目标是作为高功率脉冲光纤激光器的种子源,分布式光纤测温系统中的信号源等,这些应用对脉冲宽度、脉冲边沿、重复频率等指标均有较高要求,脉冲峰值功率在中等功率等级。本论文研制的高速脉冲光源为进一步开展更高功率、更小脉宽的脉冲激光器研制工作奠定了基础。 1.3 半导体激光器高速脉冲光源的典型应用 1.3.1 在高功率脉冲光纤激光器中的应用 光纤激光器由于具有较高的光-光转换效率、良好的热稳定性和机械稳定

16、性以及良5好的输出光束质量等优点,在激光雷达、激光测距和成像等领域得到了广泛地应用 。5利用光纤激光器获得脉冲输出的方法大体上有 3 种 :调q光纤激光器、锁模光纤激光器和种子光主振荡放大master oscillator power amplifier, mopa光纤激光器。采用mopa技术的脉冲光纤激光器,由于具有高斜率效率、易实现全光纤化、输出脉冲特性可以通56过种子源调节等优点 ,已经成为目前光纤激光器中获得高功率短脉冲输出最行之有效的方法。 图 1-1 半导体激光器窄脉冲光源在高功率脉冲光纤激光器中的应用 图 1-1给出了一种mopa式高功率脉冲光纤激光器的实现结构,种子脉冲激光se

17、ed source和抽运激光器pump source的功率注入到双包层掺镱光纤ydf中,利用增益光2 暨南大学硕士学位论文 半导体激光器高速脉冲驱动电路的设计与实现 6纤中的主振荡功率放大,输出高峰值功率、高脉冲能量的脉冲激光 。 在上述 mopa 系统中,最终获得的高能量脉冲激光的质量在很大程度上受到种子源的影响:种子源的上升时间和下降时间决定了光纤输出脉冲激光的边沿时间,种子源的脉冲宽度最终决定了输出激光的脉冲宽度,种子源的脉冲重复频率制约着输出脉冲激56光的平均功率 以及光-光转换效率。要想获得较理想的高功率光脉冲输出,要求种子源的重复频率在 20khz以上,典型值为100khz,上升时

18、间和下降时间都小于10ns。 1.3.2 在分布式光纤温度传感系统中的应用 光在光纤中传输时,由于光纤中的非结晶材料在微观空间的颗粒状结构和不均匀结7构 ,会发生散射,如图 1-2所示。分布式光纤传感系统正是利用了传感光纤中的背向拉曼散射光受沿光纤轴向分布的温度场调制的原理,结合光时域反射otdr技术,由光在光纤中的传播速度和背向光返回时间,计算被测温度点的空间位置,达到分布式测8量温度场的目的 。图 1-2光纤中各类散射光位置示意图 一个典型的基于拉曼散射的分布式光纤温度传感系统如图 1-3所示。在这样的系统中,窄脉冲光源的性能对系统的整体性能起决定性的作用:脉冲光的峰值功率影响系统温度分辨

19、率,脉冲宽度是系统空间分辨率的决定要素之一,脉冲的重复频率决定了系统910的时间分辨率 ,可以认为脉冲光源的设计是整个分布式测温系统最主要的因素之一。 3 暨南大学硕士学位论文 半导体激光器高速脉冲驱动电路的设计与实现图 1-3 半导体激光器高速脉冲光源在分布式拉曼光纤测温系统中的应用 如图 1-3所示的分布式拉曼光纤测温系统,若传感光纤长度l5km,折射率n1.5,要想达到5m的空间分辨率、5s的时间分辨率,要求光源脉冲的峰值功率1w 左右,重复频率 f20khz,脉冲宽度50ns,上升和下降时间在10ns以内。 1.4 论文内容和结构 结合 mopa 光纤脉冲激光器,分布式拉曼光纤测温系统

20、等应用对半导体激光器脉冲光源的要求,本论文在确定设计指标的基础上,从以下几个方面论述 ld高速脉冲驱动系统的设计与实现过程: 1 第 2 章阐述了半导体激光器的基本工作原理和设计目标,对现有的几种高速脉冲驱动方法进行比较论证,最终选定以mosfet为核心的驱动电路结构,在此基础上对4 暨南大学硕士学位论文 半导体激光器高速脉冲驱动电路的设计与实现 mosfet高速驱动电路的设计进行了理论分析。 2 第 3 章建立了半导体激光器的spice等效模型,并用hspice软件对电路和负载进行前期仿真。对仿真结果一一进行了分析,针对仿真中出现的问题提出解决办法,在此基础上进行元件选型和电路结构详细设计。

21、 3 第 4章主要论述驱动电路的pcb实现过程,指出高速脉冲电路pcb设计应注意的事项。经过装机调试,得出驱动电路最终工作效果。 5 暨南大学硕士学位论文 半导体激光器高速脉冲驱动电路的设计与实现 第2章 高速脉冲驱动理论基础和设计概要 本章对高速脉冲光源从设计目标、理论基础、整体架构、各模块实现方法等几个方面做了详细的论述。 2.1 半导体激光器的基本特性 11半导体激光器的激励方式主要有 3种 ,即电注入式、光泵式和高能电子束激励式。绝大多数半导体激光器都采用电注入式,即给半导体激光器的pn结施加正向电压,使结平面区域产生受激发射。半导体激光器的这个特性与二极管相似,所以又叫激光二极管la

22、ser diode,简称ld。ld的i-v特性如图 2-1a所示,该曲线是一个典型的二极管i-v特性曲线,当加在ld两端的正偏电压v逐渐增加并且小于v 时,ld内部没有形成粒子数f反转,工作状态类似于led,以自发辐射为主。当电压逐渐增大超过v 后,ld受激层f形成了密度转化,ld开始发射激光。刚好让ld形成粒子数翻转的偏置电流称为ld的阈值电流,记为i ,对应的电压记为v ,叫导通电压。v 和ld材料的禁带宽度有关。和th f fi-v特性相关,半导体激光器的p-i特性曲线如图 2-1所示。图 2-1 半导体激光器的 i-v 特性和 p-i 特性曲线 本文实际使用的脉冲半导体激光器为德国lu

23、mics公司的lum1064m010,其p-i特性曲线如图 2-2所示。主要技术指标有: 脉冲输出功率:1w 脉冲峰值电流:2a 阈值电流:100ma 6 暨南大学硕士学位论文 半导体激光器高速脉冲驱动电路的设计与实现 峰值波长:1064nm 大信号调制带宽:100mhz 最大前置电压:2.2v图 2-2 lum1064m010 半导体激光器的 p-i 特性曲线 2.2 高速脉冲驱动电路的整体设计 上一节分析了半导体激光器的基本特性,本节将在此基础上论述 ld 脉冲驱动电路的结构和每个模块的设计方案。 2.2.1 脉冲驱动器的技术指标 3衡量脉冲激光器性能主要有以下几个参数 ,其中单脉冲波形参

24、数对照图 2-3: 1 重复频率 f :指电路能够驱动 ld负载每秒发射的脉冲次数。 12 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,有t。 f3 平均功率p :对于驱动电源而言,平均功率指的是电源传送给 ld 负载的电功a率。设每次脉冲电源输出的能量是j ,重复频率是 f ,则平均功率pjf 。 s a s7 暨南大学硕士学位论文 半导体激光器高速脉冲驱动电路的设计与实现 4 上升时间t :从脉冲前沿波形幅度的 10%上升到 90%的时间。 r5 下降时间t :从脉冲后沿波形幅度的 90%下降到 10%的时间。 f6 上冲电压v :脉冲上升沿波形瞬时超过稳态振幅的过冲电压

25、幅度。 over7 下冲电压v :脉冲下降沿波形瞬时低于稳态低电平的过冲电压幅度。 under8 脉冲宽度t :从脉冲前沿到达波形的 50%开始,至脉冲后沿到达振幅的 50%所w用的时间。 tw9 占空比d:脉宽t 与脉冲周期t 的比值,即d。 wt图 2-3 衡量非理想波形的指标 针对 mopa 光纤脉冲激光器、分布式光纤测温系统等应用对半导体激光器脉冲光源的要求,本文论述的半导体激光器脉冲驱动电路指标如下: 1 根据不同的应用环境和应用目标,重复频率在1khz 100khz可调; 2 输出脉冲电流在 2a左右,对应脉冲光功率 1w; 3 脉冲宽度t50ns; w4 上升时间和下降时间小于1

26、0ns; 8 暨南大学硕士学位论文 半导体激光器高速脉冲驱动电路的设计与实现 2.2.2 脉冲驱动电路的方案论证和整体架构 脉冲驱动电路以高速开关元件为核心,比较常用的有可控硅、雪崩三极管、 mosfet等几种开关元件,它们有各自的优缺点,需要根据具体需求确定最合适的选择。 根据2.2.1节论述的驱动电路指标,本文选择mosfet作为核心的开关元件。主要是基于以下考虑: 1 输出脉冲峰值电流最小在 2a左右,最大为数十 a,可控硅、雪崩三极管和mosfet 都可以轻易做到; 112 可控硅激励器产生的脉冲宽度由可控硅的放电速度和储能电容决定 ,做到脉11宽在50ns以下很难。另外,可控硅脉冲驱

27、动需要高压供电,导致电路结构复杂 。 3 雪崩三极管可以获得大电流脉冲波形,市面上已经存在诸如 ztx415 等专门工作在雪崩状态,可以获得高速脉冲的三极管,但缺点是驱动雪崩三极管需要比较复杂的电路结构,并且让三极管工作在雪崩状态需要很高的集电极电压。 基于以上考虑,论文选择mosfet为核心开关元件,设计方案如图 2-4所示。图 2-4半导体激光器高速脉冲驱动电路原理框图 由 fpga产生重复频率为10khz 、脉宽50ns(这两个参数可以通过编程来调节)的触发脉冲,触发脉冲经过脉冲整形和放大电路,输出脉冲驱动 mosfet的导通与截止,经过 ld放电回路驱动 ld,产生符合要求的光脉冲。

28、9 暨南大学硕士学位论文 半导体激光器高速脉冲驱动电路的设计与实现 2.2.3 ld开关模块的设计思路 图 2-4给出的原理框图中,“ld开关模块”将前级触发脉冲的功率放大后驱动半导体激光器发光,是整个电路中最重要和最难实现的部分:对mosfet的快速开关,要兼顾高重复频率、快变边沿、窄脉宽及高峰值功率等几个指标。本节将从mosfet的开关特性、高速驱动需求、元件选型、寄生效应等几个方面展开理论论述。 2.2.3.1 mosfet 的开关特性 粗略地说,mosfet的栅源电压大于阈值电压v ?v 时,漏极和源极之间形成gs th导电沟道,mosfet导通。作为一种典型的结构,如图 2-5所示的

29、共源接法构成的12mosfet开关电路的详细“开通”过程分为以下四个步骤 ,如图 2-6所示: 图 2-5共源接法的 mosfet开关电路示意图 1 在第一时段,前级驱动电流对 mosfet 输入电容充电,使输入电容电压从 0v上升到v 。因为 mosfet 在这一阶段并未导通,d、s 间有很大的阻抗,所以大部分th充电电流都流向栅源寄生电容c ,小部分电流流向c ,导致c 两端电压略微降低。gs gd gd这段时间叫开启延迟(turn-on delay)时间,因为漏电流和漏电压在这个阶段都没变化。 2 在第二时段,栅源电压v 从v 逐渐上升到v ,如图 2-6所示。由于漏源gs th gs

30、,miller导电沟道已经建立,r 迅速减小,i 快速上升,同时储存在c 和 c 上的电荷也开ds d gd ds始通过导电沟道释放,v 下降。栅极电流i 依然流向c 和c , v 上升。结合ds g gs gd gs10 暨南大学硕士学位论文 半导体激光器高速脉冲驱动电路的设计与实现 13mosfet大信号模型 ,在该时段内mosfet从饱和区过度到三极管区。图 2-6共源接法的 mosfet开关电路详细开通过程 3 经过第二时段的c 充电,漏源导电沟道进一步加强,d、s间阻抗进一步减小。gs11 暨南大学硕士学位论文 半导体激光器高速脉冲驱动电路的设计与实现 由于 mosfet 的前级不可

31、能扇出无限大的电流,故栅极电流i 全部都流向c 以促进g gdc 两端电压反向,同时v 维持v 不变,v 继续减小。由于该阶段 d、s间阻抗gd gs gs ,miller ds不变,i 也不变,所以i 也维持不变。 g d4 进入第四时段后,c 开始反向充电(设c 的d端为正),c 上的电压也进gd gd gs一步升高,漏源导电沟道在原来的基础上进一步加强,v 增大,i 稍微增大,v 略gs d ds微减小。 与开通过程类似,mosfet开关的闭合过程可以视作开通的逆过程,也可以分为 412个阶段 ,如图 2-7所示。论述如下: 1 与开通过程类似,mosfet 关断的第一个时段被称作“关断

32、延迟(turn-off delay)”时间。该时段主要是输入电容c (包括c 和c )放电的过程,漏源导电沟iss gs gd道略有减弱,i 稍微减小,v 略微增大。 d ds2 经过第一时段的放电,v 开始进入“密勒高原”区,保持不变。栅极的放电gs电流完全由漏级电源对c 正向充电引起。 gd3 在第三时段,c 上的电荷重新开始释放,mosfet 逐渐从三极管区过渡到饱gs和区,漏源之间阻抗不断增大,i 迅速下降,v 上升。 d ds4 在第四时段,c 上的电荷继续释放,导电沟道已经难以维持,i 和v 都逐gs g gs渐减小到 0,mosfet完全关断。 结合以上分析可知,驱动电路输出脉冲

33、的上升时间t 决定于 mosfet 开通过程 4r个阶段的总时间,下降时间t 决定于闭合过程中 4个阶段的总时间。mosfet 的开通和f闭合本质上是对各个寄生电容进行充电或放电的过程,要获得t 和t 均小于10ns的高速r f脉冲,要求 mosfet和前级驱动源满足以下几个条件: mosfet的寄生电容要尽量小; 12 暨南大学硕士学位论文 半导体激光器高速脉冲驱动电路的设计与实现 mosfet前级驱动电路要有足够小的输出阻抗,并能扇出和沉入足够大的电流。图 2-7 共源接法的 mosfet开关电路详细闭合过程 栅源电压v 的变化幅度要尽量小。 gst必须要说明的是,第个条件是基于 和t 尽

34、量小的考虑得出的,如果要求脉冲幅rf13 暨南大学硕士学位论文 半导体激光器高速脉冲驱动电路的设计与实现 度尽量大,则v 有必要随之增大,即脉冲强度和脉冲速度之间存在折衷。 gs基于上文的分析,选择vishay公司的si2302ads 作为半导体激光器的输出驱动级,该mosfet具有r0.06 ?的典型导通电阻,最大允许 10a的脉冲电流,输入电容ds onc300pf ,输出电容c120pf ,反向跨接电容c80pf ,对应的寄生电容iss oss rss1238大小为 : c ?c80pf , c ?c ?c220pf , c ?c ?c40pf gd rss gs iss rss ds

35、oss rss假设在mosfet开通过程中v 从 0v 线性上升到 5v ,要做到t5ns ,需要的gs r?vgsi ?c? 300ma。实际上如图 2-6及图 2-7所示,v 在第三时段处于“密勒高g iss gstr原miller plateau”,所以300ma的扇出电流并不足以做到t5ns,经过反复查找和比r较,选择ixys公司的ixdd404芯片作为si2302ads的前级驱动器,该芯片最大有 4a的扇出能力,特别适合驱动容性重负载。 2.2.3.2 关断加速电路 为了缩短 mosfet 闭合过程中g极电荷释放路径,防止放电回路面积过大而引起地弹效应,或者引起其它串扰,设计了专门的

36、关断加速电路,使放电通路限制在一个很小的范围内。 12关断加速电路有很多种,例如二极管关断电路、npn 关断电路等 。其中应用最12广泛的是利用pnp晶体管构成局部回流通路 ,如图 2-8所示。mosfet开通过程中,前级驱动电流经r 、二极管d 给输入电容c 充电,q 截止;前级驱动模块输gate on iss off出低电平时mosfet开始闭合,q 导通,g极放电电流并不“返回”前级驱动模块,off而是沿图中虚线方向直接到gnd。这样做缩短了回流路径,减小了放电损耗,避免了分布电感和杂散电容等的影响,也减小了电路串扰。 该电路还有一个优点是, mosfet 的g 极电压分别被d 、q 钳

37、位在gnd0.7von off以上和v0.7v 以下,对 mosfet有一定的保护作用。缺点是放电过程中v0.7vdrv gs时q 就开始截止,g极电荷不能完全释放。解决办法是在g、s 之间并联一个合适的off14 暨南大学硕士学位论文 半导体激光器高速脉冲驱动电路的设计与实现 电阻,消除g极的电荷积累。图 2-8局部 pnp 关断加速电路 2.2.3.3 电路寄生效应及解决办法 高速脉冲包含丰富的高次谐波,所以脉冲驱动电路的设计必须要考虑元件和 pcb的寄生参数。从文献 12 可知,可能对电路性能产生较大影响的寄生元件有:栅源回路电感l 和漏极电感l 。 s d12在图 2-5中,l 由两部

38、分构成 ,一部分是mosfet封装构成的内部电感,另一部s分是pcb布线时s 极连接到“地”引起的分布电感。l 从以下两方面影响电路速度: sl 串联在mosfet栅极充放电回路中,与c 够成了高q值的振荡电路。很容易s iss引起mosfet在一个脉宽的时间段内重复导通和截止。解决办法是在栅极串入合适的电12阻,降低回路q值,如图 2-9所示。理论上最合适的栅极串联电阻取值为 : lsr2? r ?r 2-1 g,opt drv g,iciss式中,r 是 mosfet前级驱动芯片的输出电阻,r 是 mosfet本身的栅极寄drv g,i生电阻。r 可以让栅极回路处于临界阻尼状态。 g,op

39、t15 暨南大学硕士学位论文 半导体激光器高速脉冲驱动电路的设计与实现图 2-9针对源极寄生电感的解决办法 mosfet导电沟道建立后,l 阻碍i 的快速增加,并且l 两端的电压对开关电s d s路有负反馈作用,降低了v 的上升速度,最终使输出脉冲的上升时间变长。 gs漏极寄生电感l 也对电路性能产生很大影响。除了像l 一样阻碍i 变化外,l 在d s d dmosfet 闭合时会给电路带来相当大的问题:如图 2-5中,由于半导体激光器的导通电阻很小,l 与漏源电容c 可能引发阻尼振荡。 d ds为了改善上述寄生参数引发的电路性能变坏,进行 pcb 设计时必须详细地分析mosfet 的开通及关

40、断的电流路径,合理地控制以 mosfe为核心的驱动电路布局,加宽 ld电流回路的布线,并设计有效的辅助电路,降低电路寄生参数带来的负面影响。 2.2.4 脉冲整形模块的设计思路 如2.2.3.1节所述,我们选择ixdd404 作为mosfet的前级驱动芯片。结合图 2-4可14知,ixdd404 是脉冲整形模块的一部分,其功能框图如图 2-10所示 。 从图中可以看出, ixdd404内部通过一系列逻辑门电路对输入信号进行电平变换、信号整形等,最后用 mos 图腾柱作为输出级,以达到快速扇出或沉入大电流的目的。ixdd404 兼容 ttl和 cmos 电平,输入高电平最低为 2.5v,由 fg

41、pa生成的触发脉冲可以直接驱动 ixdd404。 但是,fpga作为数字信号逻辑芯片,其扇出能力较弱,输出的高速脉冲信号波形质量较差且高电平最大只有 3.3v, 图 2-11所示是电路实际调试时fpga输出的窄脉冲1.2ns波形。该波形虽然拥有极快的上升沿和下降沿( 左右),但是有大于 1v的过冲和明显的振荡,可能导致后级电路电平误判、引发串扰等一系列问题。 16 暨南大学硕士学位论文 半导体激光器高速脉冲驱动电路的设计与实现图 2-10 ixdd404 芯片的功能示意图图 2-11 fpga 输出的窄脉冲信号(力科 waverunner 104mxi 示波器实测)图 2-12 ixdd404

42、 和 74lvc4245的互连 17 暨南大学硕士学位论文 半导体激光器高速脉冲驱动电路的设计与实现 为了提高系统的稳定性,论文在脉冲整形模块中加入了一级信号调理电路,该信号调理电路将fpga输出的 3.3v窄脉冲信号转换为相同脉宽的 5v脉冲信号,起到对fpga和ixdd404 隔离的作用,并提高对ixdd404 的驱动能力。该电路主要由双边供电非反相电平转换芯片 74lvc4245 构成。74lvc4245 是基于cmos工艺并且能三态输出的逻辑电平转换芯片,与ixdd404 的互连如图 2-12所示。fpga输出的窄脉冲信号经过74lvc4245后的触发脉冲波形如图 2-13所示,对比图

43、 2-11可以看出,波形的振荡减缓,过冲基本消除,并且有更快的边沿变化。图 2-13 信号调理电路的输出波形(力科 waverunner 104mix示波器实测) 2.3 本章小结 本章针对 mopa 式光纤脉冲激光器种子源和分布式光纤测温系统信号源等应用,根据半导体激光器的工作特点,提出了高速脉冲驱动电路的技术指标,分析并设计了脉冲驱动电路的实现方案。对方案中每个模块的实现方法进行了论述,着重分析了mosfet 的高速驱动理论,总结出了针对 mosfet 开通和关断环节的优化设计要遵行的设计思想。下一章我们将利用这些方法对驱动电路进行详细设计与仿真,实施并验证本章论述的高速 mosfet驱动

44、理论,制作完整的半导体激光器高速脉冲驱动电路。 18 暨南大学硕士学位论文 半导体激光器高速脉冲驱动电路的设计与实现 第3章 高速mosfet开关模块的hspice 仿真 以第 2 章阐述的设计理论为指导,本章介绍利用hspice仿真工具对以mosfet为核心的高速脉冲驱动电路进行设计仿真,分析并优化高速驱动电路设计的具体方法。 3.1 hspice 简介 hspice是meta-software公司为集成电路设计中的稳态分析、瞬态分析和频域分析等电路性能的模拟分析而开发的一款通用电路模拟程序。在spice、pspice等电路模拟程序的基础上,hspice加入了一些新的功能,经过不断改进,目前

45、已是模拟ic设计领域事实上的标准前端仿真软件。除了具备绝大多数spice特性外,hspice还具有一些新15的特点,主要体现在 : 优越的收敛性; 精确的模型参数,包括许多 foundry的模型参数; 层次式节点命名和参考; 基于模型和库单元的电路优化,逐项或同时进行 ac、dc和瞬态分析中的优化; 具备蒙特卡罗(monte carlo)和最坏情况分析; 可对于 pcb、多芯片系统、封装以及 ic技术中连线间的几何损耗加以模拟。图 3-1 hspice 的电路分析类型 hspice具有丰富的电路分析功能,如图 3-1所示。同时hspice支持各种电路模型19 暨南大学硕士学位论文 半导体激光器

46、高速脉冲驱动电路的设计与实现 和用户自定义模型的模拟和仿真,其内建的电路模型如图 3-2所示。图 3-2 hspice 内建电路模型 从图中可以看出,hspice 的电路分析功能齐全,特别是支持蒙特卡罗分析(即容差分析)和最坏情况及参数变化分析,可以让使用者更准确地把握电路设计结果和实际情况的差异。除此之外,hspice 提供了相当广泛的元器件模型,并且提供了模型扩展接口,这使我们可以方便地创建新元件模型。并且由于 hspice 主要应用于 ic 设计领域,其内建的元件模型支持更接近真实的、更高级别的模拟水平,有利于提高仿真精确度。基于以上原因,论文选择 hspice作为半导体激光器高速脉冲驱

47、动电路的仿真工具。 3.2 半导体激光器的大信号spice 模型 从2.1节对ld基本特性的介绍可知,要让ld产生高速脉冲激光,驱动电源必须能够在低阻负载上产生快速电流脉冲,因此,ld脉冲驱动电路本质上是一个大电流开关电4路 。为了用hspice工具详细地仿真驱动电路和ld负载,必须建立半导体激光器的电16路模型。其中ld大信号等效电路模型比较全面地反映了ld的特性 ,得到了广泛的应用。 3.2.1 半导体激光器的大信号电路模型 17世界上第一个半导体激光器的电路模型是tucker建立的 ,tucker的ld大信号模型20 暨南大学硕士学位论文 半导体激光器高速脉冲驱动电路的设计与实现 17针

48、对注入式异质结半导体激光器,基于单模ld速率方程 ,即: dnq ?v? i ?i ?g ?s3-1 a tdtds s ?q ?vaq ?vg ?s ?i 3-2 a edtp其中,q为电子电荷,v 是有源区体积,n、s 分别代表 p 型有源区中的过剩电子a密度和有源区中的光子密度,i 为 ld 的端电流,i 表示由于自发复合引起的二极管电t流,g为光增益。表示光子寿命,表示自发复合因子,i 表示由自发辐射引起的p eld电流。 17注入式半导体激光器的光电变化特性取决于有源区中的自发复合 。自发复合有两种,一种是非辐射自发复合nonradioactive spontaneous recom

49、bination,非辐射自发复合不直接影响 ld 的光特性,但对电特性有重要影响;另一种是自发辐射radioactive spontaneous recombination。式 3-1和 3-2定量的描述了 ld光电特性与自发复合之间的关系。其中,式 3-1 描述的是 ld 有源区中由电子注入和电荷存储效应引起的载流子变化,对应地,式 3-2则描述了有源区中光注入和光子存储效应引起的光子变化。 17根据 tuckey的推导 ,速率方程 3-1和 3-2可以变换为如下的形式,从而更直观的描述半导体激光器端电压、电流和出射光之间的关系: dvdij2 1ii ?bic ?gs3-3 1 1 ns

50、s ndt dts ds2 n ngs ai ?bi ?c3-4 n 1 1 pr dtps在上述二式中,s 是归一化光子密度,s,其中s 为常数;自发复合电流in n c tsc2 17分解为ii ?bi ,b是被有源区体积v 、载流子寿命确定的常数 ,i 满足: t 1 1 a n 1qv nai 3-5 1ns21 暨南大学硕士学位论文 半导体激光器高速脉冲驱动电路的设计与实现 2自发辐射电流i ?ai ?bi ,其中a是被、确定的常数。 e 1 1 s n在式 3-3中,载流子存储效应引起的端电流变化体现为电容c 的影响,c 表示 lds s1vj2c ?c 1异质结的空间电荷电容,有

51、 ,v 为异质结电压,c 为零偏压空间电荷s 0 j 0vd电容,v 为二极管内建电势。 d同样地,在式 3-4 中用电容c 来表征光子存储效应对出射光功率的影响,有ppc ?q ?v ?s ,并且gg ?c ,r。 p a c p pcp根据式 3-3和 3-4就可以直观地建立异质结ld的大信号电路模型,如图 3-3所示。 irsi1igre rpdi1nsvv dtj sni012ibisp1ccspi02图 3-3注入式异质结单模 ld的双端口大信号电路模型 在图 3-3中,r 表示ld芯片的接触电阻,虚线左面的部分表征有源区内ld电路特s性。对应式 3-3,i 与异质结电压v 的关系可以用 3个元件来表征,分别是r 以及与r1 j e e18 18串联的两个二极管 。这两个二极管的pn结方程分别是 : vd1ii exp ?13-6 d1 01vt22 暨南大学硕士学位论文 半导体激光器高速脉冲驱动电路的设