一種基於雷射二極體的脈衝雷射發射電路的製作方法

2023-05-21 00:52:41

本發明屬於雷射測量領域，具體涉及一種基於雷射二極體的脈衝雷射發射電路，應用於雷射雷達汽車智能防撞、城市建築和規劃、雷射近炸引信、雷射主動制導等領域。

背景技術：

脈衝式雷射測量採用雷射器作為光源，以雷射作為載波，根據飛行時間原理，通過檢測雷射發射脈衝與雷射回波脈衝之間的時間差來測量距離，具備結構簡單，價格低廉，可靠性高，抗幹擾性能強，不需要合作目標等優點，在民用和軍事上得到了廣泛應用。

實現雷射的高重頻、窄脈衝是提高脈衝雷射測距的作用距離、動態探測精度和抗幹擾能力的重要手段。基於雷射二極體設計脈衝雷射的發射電路，電路結構簡單，理論較健全，但是，雷射二極體受雷射器半導體特性和驅動電路分布電感、分布電容的影響，要得到震蕩少、峰值功率高的窄脈衝波形很困難；再者，電路中MOS管需要150V高壓產生大電流對電容進行充放電，電路布局時的走線上會產生很大的電壓降，消耗大部分的功率，以致在雷射二極體上的壓降減小，峰值功率降低，需對電路進行特有的布局。

技術實現要素：

本發明的發明目的在於提供一種基於雷射二極體的脈衝雷射發射電路，實現高重頻窄脈衝雷射的發射，有效提高雷射測距的作用距離和精度。

為了解決上述技術問題，本發明提供一種基於雷射二極體的脈衝雷射發射電路，包括雷射二極體的高壓發生電路和驅動電路，高壓發生電路為驅動電路提供高壓源。

進一步，高壓發生電路包括開關三極體、第一電感、第三電阻、第四電阻、第五電阻、第三電容、第四電容、第五電容、第六電容、第二二極體、第三二極體；其中，第三電阻的第一端與外部電壓源相連，其第二端與第一電感的第一端相連；第一電感的第二端與開關三極體的集電極相連；開關二極體的基級與第四電阻串聯後接前端提供的控制信號，開關二極體的發射級接地；第三電容的第一端和第四電容的第一端分別接在三電阻的兩端，第三電容的第二端和第四電容的第二端均接地；第二二極體的第一端與開關二極體的集電極相連，其第二端與第五電阻相連；第三二極體的第一端與開關二極體的集電極相連，其第二端接地；第五電容的第一端與第二二極體的第二端相連，其第二 端連接地；第五電阻的第二端與第六電容的第一端相連後作為高壓源提供給驅動電路；第六電容的第二端接地。

進一步，驅動電路包括電流放大晶片、開關MOS管、雷射二極體、第一電阻、第二電阻、第一電容、第二電容；其中，電流放大晶片的兩個電源腳相連後接外部電壓源；電流放大晶片的信號輸入腳接前端送入的高重頻窄脈衝驅動信號，電流放大晶片的兩個接地腳相連後一併接地，電流放大晶片的兩個輸出腳相連一併接第一電阻的第一端；第一電阻的第二端與開關MOS管的柵極相連，開關MOS管的漏極與第二電阻的第二端相連，開關MOS管的源級接地；第二電阻的第一端與高壓發生電路的高壓源相連；第一電容與第二電容並聯後，一端與開關MOS管的漏極相連，另一端與雷射二極體的負端相連；雷射二極體的正端接地。

進一步，驅動電路用印製電路板方式實現，印製電路板中包括第一接插件、第二接插件；雷射二極體、第二電阻布置在印製電路板的底層；第一接插件、第二接插件、第一電阻、開關MOS管布置在印製電路板的頂層；第一接插件的第一管腳接高重頻窄脈衝驅動信號，第二管腳接地；第二接插件的第一管腳接高壓發生電路的高壓源，第二管腳接地。

進一步，在驅動電路布線中，電流放大晶片和開關MOS管之間的距離儘量大，從雷射二極體接地腳與開關MOS管的源級之間通過長且細的連線連接；開關MOS管、雷射二極體、第一電容、第二電容之間的連線距離儘量短

本發明與現有技術相比，其顯著優點在於，應用MOS管作為開關器件，開關時間短，瞬間產生電流大，雷射二極體發射出的脈衝雷射瞬時功率強，且由於在PCB板電路布局時，充分考慮走線的寄生電感和電容效應，對驅動電路進行合理布局，減少了雷射二極體發射出的波形震蕩，從而有效提高雷射測距的作用距離和精度。

附圖說明

圖1是本發明基於光電二極體的脈衝發射電路中的高壓發生電路。

圖2是本發明基於光電二極體的脈衝發射電路中的驅動電路。

圖3是圖2所示電路的PCB版圖。

圖4為本發明基於光電二極體的脈衝發射電路的實測波形圖。

具體實施方式

容易理解，依據本發明的技術方案，在不變更本發明的實質精神的情況下，本領域的一般技術人員可以想像出本發明基於光電二極體的脈衝發射電路的多種實施方式。因此，以下具體實施方式和附圖僅是對本發明的技術方案的示例性說明，而不應當視為本發明的全部或者視為對本發明技術方案的限制或限定。

以雷射二極體SPLPL90_3為例，本發明所述脈衝雷射發射電路，包括雷射二極體SPLPL90_3的高壓發生電路和驅動電路，高壓發生電路為驅動電路提供高壓源。

結合圖1，雷射二極體SPLPL90_3的高壓發生電路包括外部電壓源VCC、開關三極體Q2(ZTX497)、第一電感L1、第三電阻R3、第四電阻R4、第五電阻R5、第三電容C3、第四電容C4、第五電容C5、第六電容C6、第二二極體D2、第三二極體D3；其中，第三電阻R3的第一端與外部電壓源VCC相連，第二端與第一電感L1的第一端相連，第一電感L1的第二端與開關三極體Q2的集電極相連，開關二極體Q2的基級與第四電阻R4串聯後接前端提供的10KHz的控制信號，開關二極體Q3的發射級接地，第三電容C3的第一端和第四電容C4的第一端分別接在三電阻R3的兩端，第三電容C3的第二端和第四電容C4的第二端均接地，第二二極體D2的第一端與開關二極體Q2的集電極相連，第二端與第五電阻R5相連，第三二極體D3的第一端與開關二極體Q2的集電極相連，第二端接地，第五電容C5的第一端與第二二極體D2的第二端相連，第二端連接地，第五電阻R5的第二端與第六電容C6的第一端相連後作為高壓源HV提供給驅動電路；第六電容C6的第二端接地。

10KHz的方波控制開關三極體Q2的開斷，在三極體Q2斷開期間，電源電壓給儲能電感充電，三極體Q2閉合期間，儲能電感瞬間放電產生高壓，高壓被存放在儲能電容中，通過負載取出，由此產生150V的高壓。

結合圖2，雷射二極體SPLPL90_3的驅動電路包括外部電壓源VCC、高壓源HV、電流放大晶片U1(MIC4452)、開關MOS管Q1(IRF644)、雷射二極體D1(SPLPL90_3)、第一電阻R1、第二電阻R2、第一電容C1、第二電容C2；其中，電流放大晶片U1的兩個電源腳VS相連後接外部電壓源VCC，電流放大晶片U1的信號輸入腳IN接前端送入的高重頻窄脈衝(50KHz、40ns)驅動信號，電流放大晶片U1的兩個接地腳GND相連並且一併接地端，電流放大晶片U1的兩個輸出腳OUT相連並且一併接到第一電阻R1的第一端，第一電阻R1的第二端與開關MOS管Q1的柵極相連，開關MOS管Q1的漏極與第二電阻R2的第二端相連，開關MOS管Q1的源級接地，第二電阻R2的第一端與高壓源HV相連，第一電容C1與第二電容C2並聯後，一端與開關MOS管的漏 極相連，另一端與雷射二極體SPLPL90_3的負端相連，雷射二極體SPLPL90_3的正端接地。

在雷射二極體SPLPL90_3的驅動電路中，高重頻窄脈衝的驅動信號通過電流放大晶片U1進行電流放大，放大後的信號輸入到開關MOS管Q1的柵極，用於控制開關MOS管Q1的開斷，在開關MOS管Q1關閉時間內，通過壓發生電路提供的高壓源HV對儲能電容C1和C2充電，儲能電容C1和C2在開關MOS管Q1開啟時間內，通過雷射二極體SPLPL90_3所在迴路瞬間放電，產生大電流，從而發射出高重頻窄脈衝的雷射。

結合圖3，雷射二極體SPLPL90-3驅動電路用PCB(印製電路板)實現，包括第一接插件P1、第二接插件H2、第一電阻R1、開關MOS管Q1、雷射二極體D1(SPLPL90_3)、電流放大晶片U1，第二電阻R2；其中，雷射二極體D1、第二電阻R2布置在PCB版的底層(bottom Layer)，第一接插件P1、第二接插件H2、第一電阻R1、開關MOS管Q1布置在PCB版的頂層(top Layer)。第一接插件P1的第一管腳接50KHz、40ns的高重頻窄脈衝驅動信號，第二管腳接地；第二接插件H2的第一管腳接高壓源HV，第二管腳接地，第三管腳為12V，第四管腳為GND。

考慮到雷射二極體D1的驅動電路工作時瞬間充放電，會產生瞬間大電流，因此將驅動電路製成PCB板時需特別考慮走線電感的影響。雷射二極體D1的驅動電路布局布線中，電流放大晶片U1和開關MOS管Q1之間的距離應當儘量大，並且從雷射二極體D1第四管腳(接地腳)接出來的GND需要通過長且細的連線連接到開關MOS管Q1的源級，實現電流放大晶片U1和開關MOS管Q1接地端走大迴路連接。開關MOS管Q1(IRF644)、雷射二極體D1(SPLPL90_3)、第一電容C1、第二電容C2之間的連線距離越短越好，第一電容C1、第二電容C2選取大小為0805的封裝，電路板布局時開關MOS管Q1、雷射二極體D1管腳之間相距為2mm，製成PCB板後將第一電容C1、第二電容C2直接焊接在開關MOS管Q1、雷射二極體D1的管腳之間，用以來減少走線電感。

電路布局布線對發射的波形影響很大，在設計印製電路板(PCB)時，電流放大晶片MIC4452的接地線在版圖範圍內越大越好，MOS管的漏極(D級)與充電電容、充電電容與SPLPL90_3之間的間距越小越好。實際完成時，PCB版圖上只留出MIC4452、MOS管和相關電阻的焊接點，儲能電容和SPLPL90_3都直接焊接在MOS管的引腳上，減少電路的寄生電感。

結合圖4，為本實施例基於雷射二極體SPLPL90_3的脈衝雷射發射電路發射出的脈衝雷射波形，波形利用Tektronix公司的DPO3054示波器(帶寬500MHz，採樣速率2.5GS/s)採得，波形重複頻率為50KHz，脈衝寬度為10ns，上升時間為6ns，完全符合高重頻窄脈衝的要求。