一種半導體雷射器窄脈衝驅動電路及其工作方法與流程
2023-09-20 03:22:35 4
本發明涉及一種半導體雷射器窄脈衝驅動電路及其工作方法，屬於半導體雷射器的技術領域。
背景技術：
近年來，半導體雷射器窄脈衝驅動電路以結構緊湊、穩定性高、脈衝寬度窄、重複頻率高、脈衝寬度和重複頻率可調等特點，廣泛應用於光通信、單光子探測、光纖放大器種子源等領域。無論是在光通信、單光子探測，還是光纖放大器種子源領域，脈衝雷射的平滑波形、穩定的中心波長、高輸出功率、窄脈衝寬度等性能，都依賴於半導體雷射器發射的雷射脈衝質量，而半導體雷射器發射的光脈衝是由半導體雷射器驅動電路產生的電脈衝直接調製得到的，即脈衝電源的質量直接決定著雷射脈衝質量的好壞；因此，半導體雷射器脈衝驅動電路設計的好壞在相關領域中具有決定性的作用。
中國專利文件CN101895058A，公開了一種用於半導體雷射器的高速窄脈衝調製驅動電源，該電源採用高速MOSFET作開關，通過改變驅動電源中的電源電壓、電阻和電容，使被驅動的半導體雷射器輸出所需要的頻率高、前沿快、脈寬窄、脈衝峰值可控、波形平滑的雷射脈衝。中國專利文件CN103227413A，公開了一種半導體雷射器驅動電路，該電路通過脈衝整形電路進一步壓縮窄脈衝信號的寬度，通過功率放大電路提高窄脈衝信號的功率，並通過充放電的方式產生佔空比可調的方波，最終獲得脈衝寬度最窄為20ns和重複頻率範圍為100Hz-100KHz的光信號。以上兩個專利都直接將窄脈衝信號驅動場效應管的柵極，但是由於MOSFET存在著寄生參數，這會加大信號的上升和下降時間，使信號的脈衝寬度變寬，況且通過對電容充放電的方式來獲得高峰值窄脈衝信號需要提供很高的電壓，這需要添加脈衝整形電路模塊或者升壓模塊提高電壓，以便快速對電容充放電，這樣會加大系統的複雜度；所以，通過以上專利的方法無法獲得整體結構簡單、緊湊以及集成度高的半導體雷射器驅動電路，也無法實現亞納秒級脈衝寬度的光脈衝信號輸出。
技術實現要素：
針對現有技術的不足，本發明提供一種半導體雷射器窄脈衝驅動電路。
本發明還提供一種上述半導體雷射器窄脈衝驅動電路的工作方法。
本發明的技術方案為：
一種半導體雷射器窄脈衝驅動電路，包括外部電源接口電路、窄脈衝產生電路和MOSFET脈衝驅動電路；外部電源接口電路分別為窄脈衝產生電路和MOSFET脈衝驅動電路供電。
外部電源接口電路，用於與外部電源輸入端連接，引入外部電源；窄脈衝產生電路，用於產生所需窄脈衝信號，控制MOSFET驅動電路中的MOSFET開關；MOSFET脈衝驅動電路，用於驅動雷射器，提供半導體雷射器的工作電壓和工作電流，驅動雷射器產生所需光脈衝信號。
優選的，所述窄脈衝產生電路包括CPLD控制晶片U6、與門晶片U7、晶振時鐘U8、延時晶片U9、延時晶片U10和電平轉換晶片U11；所述MOSFET脈衝驅動電路包括MOSFET驅動晶片U4；
進一步優選的，晶振時鐘U8的2號引腳連接CPLD控制晶片U6的12號引腳，晶振時鐘U8的1號引腳接+3.3V電源，晶振時鐘U8的1號引腳還通過電容C13接地，晶振時鐘U8的4號引腳接地；
電平轉換晶片U11的1、3號引腳接地，電平轉換晶片U11的2號引腳接+3.3V電源，電平轉換晶片U11的4號引腳連接CPLD控制晶片U6的26號引腳；電平轉換晶片U11的10、13、18號引腳並聯後接+3.3V電源；電平轉換晶片U11的10、13、18號引腳並聯後分別通過電容C14、C15、C16、C17接地；電平轉換晶片U11的19號引腳連接延時晶片U10的5號引腳；電平轉換晶片U11的20號引腳連接延時晶片U10的4號引腳；電平轉換晶片U11的19、20號引腳分別通過電阻R14、電阻R13接+1.3V電源；電平轉換晶片U11的11號引腳連接延時晶片U9的5號引腳；電平轉換晶片U11的12號引腳連接延時晶片U9的4號引腳，電平轉換晶片U11的11、12號引腳分別通過電阻R15、電阻R16接+1.3V電源；
延時晶片U10的1、2、23、25、26、27、29、30、31、32號引腳分別連接CPLD控制晶片U6的38、37、50、49、48、47、42、41、40、39號引腳；延時晶片U10的3、9、10、11、12、16、24、28號引腳接地；延時晶片U10的8號引腳通過電阻R12與延時晶片U10的9號引腳連接；延時晶片U10的13、18、19、22號引腳連接+3.3V電源；延時晶片U10的20號引腳連接與門晶片U7的2號引腳；延時晶片U10的21號引腳連接與門晶片U7的1號引腳；延時晶片U10的20、21號引腳分別通過電阻R8、電阻R10接+1.3V電源；
延時晶片U9的8號引腳通過電阻R11連接延時晶片U9的9號引腳；延時晶片U9的9、10、12、16、24、28號引腳接地；延時晶片U9的11、13、18、19、22號引腳連接+3.3V電源；延時晶片U9的20號引腳連接與門晶片U7的3號引腳；延時晶片U9的21號引腳連接與門晶片U7的4號引腳；延時晶片U9的20、21號引腳分別通過電阻R7、電阻R9接+1.3V電源；
與門晶片U7的5號引腳接地；與門晶片U7的6號引腳連接MOSFET驅動晶片U4的14、16、20號引腳並聯後的埠；與門晶片U7的7號引腳連接MOSFET驅動晶片15、17、21號引腳並聯後的埠；與門晶片的7、6號引腳分別通過電阻R5、電阻R6接+1.3V電源；與門晶片U7的8號引腳連接+3.3V電源。
MOSFET驅動晶片U4的4、8、10、12、24、26、28、29號引腳接地；MOSFET驅動晶片U4的18、19號引腳連接+5V電源；MOSFET驅動晶片U4的1、2、3、5、6、7號引腳並聯後通過電阻R3與可調電阻R2的可調腳連接，可調電阻R2的固定阻值端分別連接+5V電源和接地；MOSFET驅動晶片U4的1、2、3、5、6、7號引腳並聯後還通過電容C7接地；MOSFET驅動晶片U4的15、17、21號引腳並聯後與電阻R4的一端連接，MOSFET驅動晶片U4的14、16、20號引腳並聯後與電阻R4的另一端連接；電容C1與電阻R1串聯後分別與電容C2、穩壓二極體D1和雷射器D2並聯形成並聯電路，MOSFET驅動晶片U4的9、11、13、23、25、27號引腳並聯後的埠通過所述並聯電路連接+VLD電源。將穩定的電壓連接MOSFET驅動晶片U4的CLX端控制流經半導體雷射器的電流。
優選的，所述外部電源接口電路包括四個接口U1、U2、U3和U5；U1、U2、U3和U5分別引入外部的+1.3V、+3.3V、+5V、+VLD電源；引入的+1.3V電源經並聯後的電容C18、C19後接地，引入的+3.3V電源經並聯後的電容C10、C11、C12後接地，引入的+5V電源經並聯後的電容C8、C9後接地，引入的+VLD電源經並聯後的電容C3、C4、C5、C6後接地。其中，+VLD電源的電壓根據雷射器的工作電壓來決定，是本領域技術人員所熟知的。
外部電源接口電路，用於與外部電源輸入端連接，引入外部電源，為整個電路提供所需要的穩定電壓；窄脈衝產生電路，用於產生脈衝寬度和重複頻率可調的觸發信號。
優選的，MOSFET驅動晶片U4的LDKX輸出端連接半導體雷射器的陰極，半導體雷射器的陽極連接+VLD電源；MOSFET驅動晶片U4的CLX端連接穩定的電壓。+VLD電源為半導體雷射器提供所需的工作電壓；穩定的電壓，為半導體雷射器提供所需的工作電流。
一種上述半導體雷射器窄脈衝驅動電路的工作方法，包括步驟如下：
1)CPLD控制晶片U6產生激勵信號，將CPLD控制晶片U6產生的激勵信號分成兩路，其中一路激勵信號經延時晶片U9，但不延時直接到達與門晶片U7，另一路激勵信號經過延時晶片U10並延時再進入與門晶片U7，與門晶片U7輸入的兩路信號進行與運算後輸出窄脈衝觸發信號；
2)窄脈衝產生電路產生的窄脈衝觸發信號用於觸發MOSFET驅動晶片U4的開關；當窄脈衝觸發信號為低電平時，MOSFET驅動晶片U4通路關閉，半導體雷射器不工作；當窄脈衝觸發信號為高電平時，MOSFET驅動晶片U4通路導通，半導體雷射器正常工作。脈衝寬度和重複頻率可調的窄脈衝觸發信號觸發MOSFET驅動晶片U4的開關，使得半導體雷射器產生參數可調的光脈衝信號。
優選的，CPLD控制晶片U6根據外部晶振時鐘分頻提供所需激勵信號。
優選的，觸發信號連接MOSFET驅動晶片U4的ENX輸入端，用於觸發MOSFET驅動晶片U4的開關。
通過控制窄脈衝產生電路所產生觸發信號的脈衝寬度和重複頻率，半導體雷射器可獲得脈衝寬度和重複頻率可調的光脈衝信號；窄脈衝產生電路主要採用延時晶片和與門晶片實現。
本發明的有益效果為：
1.本發明所述半導體雷射器窄脈衝驅動電路，通過控制窄脈衝產生電路觸發信號的脈衝寬度和重複頻率，半導體雷射器可獲得脈衝寬度和重複頻率連續可調的光脈衝信號；窄脈衝產生電路產生的觸發信號直接驅動MOSFET驅動晶片場效應管的漏極開關，其場效應管的柵極連接穩定的電壓，這樣可以避免直接用脈衝信號驅動場效應管柵極時信號上升時間和下降時間過大的問題；況且通過控制MOSFET驅動晶片CLX端的電壓和半導體雷射器的陽極電壓，可以驅動工作電壓0-12V和工作電流0-3A的不同型號的半導體雷射器；通過此方法，最終可獲得脈衝寬度為538ps-10ns並連續可調的光脈衝信號；
2.本發明所述半導體雷射器窄脈衝驅動電路，是一種結構簡單、反應速度快、脈衝寬度窄、脈衝寬度和重複頻率可調、驅動電流大、可控性強的半導體雷射器窄脈衝驅動電路。
附圖說明
圖1為本發明所述半導體雷射器窄脈衝驅動電路的結構示意圖；
圖2為本發明所述外部電源接口U1的電路結構圖；
圖3為本發明所述外部電源接口U2的電路結構圖；
圖4為本發明所述外部電源接口U3的電路結構圖；
圖5為本發明所述外部電源接口U5的電路結構圖；
圖6為CPLD控制晶片U6的電路結構圖；
圖7為電平轉換晶片U11的電路圖；
圖8為延時晶片U9的電路圖；
圖9為門晶片U7的電路圖；
圖10為延時晶片U10的電路圖；
圖11為MOSFET脈衝驅動電路的電路圖；
圖12為通過本發明所述半導體雷射器窄脈衝驅動電路產生的最窄538ps光脈衝信號圖。
具體實施方式
下面結合實施例和說明書附圖對本發明做進一步說明，但不限於此。
實施例1
如圖1所示。
一種半導體雷射器窄脈衝驅動電路，包括外部電源接口電路、窄脈衝產生電路和MOSFET脈衝驅動電路；外部電源接口電路分別為窄脈衝產生電路和MOSFET脈衝驅動電路供電。
外部電源接口電路，用於與外部電源輸入端連接，引入外部電源；窄脈衝產生電路，用於產生所需窄脈衝信號，控制MOSFET驅動電路中的MOSFET開關；MOSFET脈衝驅動電路，用於驅動雷射器，提供半導體雷射器的工作電壓和工作電流，驅動雷射器產生所需光脈衝信號。
實施例2
如實施例1所述的半導體雷射器窄脈衝驅動電路，所不同的是，所述窄脈衝產生電路包括CPLD控制晶片U6、與門晶片U7、晶振時鐘U8、延時晶片U9、延時晶片U10和電平轉換晶片U11；所述MOSFET脈衝驅動電路包括MOSFET驅動晶片U4；
實施例3
如圖6-11所示。
如實施例2所述的半導體雷射器窄脈衝驅動電路，所不同的是，晶振時鐘U8的2號引腳連接CPLD控制晶片U6的12號引腳，晶振時鐘U8的1號引腳接+3.3V電源，晶振時鐘U8的1號引腳還通過電容C13接地，晶振時鐘U8的4號引腳接地；
電平轉換晶片U11的1、3號引腳接地，電平轉換晶片U11的2號引腳接+3.3V電源，電平轉換晶片U11的4號引腳連接CPLD控制晶片U6的26號引腳；電平轉換晶片U11的10、13、18號引腳並聯後接+3.3V電源；電平轉換晶片U11的10、13、18號引腳並聯後分別通過電容C14、C15、C16、C17接地；電平轉換晶片U11的19號引腳連接延時晶片U10的5號引腳；電平轉換晶片U11的20號引腳連接延時晶片U10的4號引腳；電平轉換晶片U11的19、20號引腳分別通過電阻R14、電阻R13接+1.3V電源；電平轉換晶片U11的11號引腳連接延時晶片U9的5號引腳；電平轉換晶片U11的12號引腳連接延時晶片U9的4號引腳，電平轉換晶片U11的11、12號引腳分別通過電阻R15、電阻R16接+1.3V電源；
延時晶片U10的1、2、23、25、26、27、29、30、31、32號引腳分別連接CPLD控制晶片U6的38、37、50、49、48、47、42、41、40、39號引腳；延時晶片U10的3、9、10、11、12、16、24、28號引腳接地；延時晶片U10的8號引腳通過電阻R12與延時晶片U10的9號引腳連接；延時晶片U10的13、18、19、22號引腳連接+3.3V電源；延時晶片U10的20號引腳連接與門晶片U7的2號引腳；延時晶片U10的21號引腳連接與門晶片U7的1號引腳；延時晶片U10的20、21號引腳分別通過電阻R8、電阻R10接+1.3V電源；
延時晶片U9的8號引腳通過電阻R11連接延時晶片U9的9號引腳；延時晶片U9的9、10、12、16、24、28號引腳接地；延時晶片U9的11、13、18、19、22號引腳連接+3.3V電源；延時晶片U9的20號引腳連接與門晶片U7的3號引腳；延時晶片U9的21號引腳連接與門晶片U7的4號引腳；延時晶片U9的20、21號引腳分別通過電阻R7、電阻R9接+1.3V電源；
與門晶片U7的5號引腳接地；與門晶片U7的6號引腳連接MOSFET驅動晶片U4的14、16、20號引腳並聯後的埠；與門晶片U7的7號引腳連接MOSFET驅動晶片15、17、21號引腳並聯後的埠；與門晶片的7、6號引腳分別通過電阻R5、電阻R6接+1.3V電源；與門晶片U7的8號引腳連接+3.3V電源。
MOSFET驅動晶片U4的4、8、10、12、24、26、28、29號引腳接地；MOSFET驅動晶片U4的18、19號引腳連接+5V電源；MOSFET驅動晶片U4的1、2、3、5、6、7號引腳並聯後通過電阻R3與可調電阻R2的可調腳連接，可調電阻R2的固定阻值端分別連接+5V電源和接地；MOSFET驅動晶片U4的1、2、3、5、6、7號引腳並聯後還通過電容C7接地；MOSFET驅動晶片U4的15、17、21號引腳並聯後與電阻R4的一端連接，MOSFET驅動晶片U4的14、16、20號引腳並聯後與電阻R4的另一端連接；電容C1與電阻R1串聯後分別與電容C2、穩壓二極體D1和雷射器D2並聯形成並聯電路，MOSFET驅動晶片U4的9、11、13、23、25、27號引腳並聯後的埠通過所述並聯電路連接+VLD電源。將穩定的電壓連接MOSFET驅動晶片U4的CLX端控制流經半導體雷射器的電流。
實施例4
如圖2-5所示。
如實施例1所述的半導體雷射器窄脈衝驅動電路，所不同的是，所述外部電源接口電路包括四個接口U1、U2、U3和U5；U1、U2、U3和U5分別引入外部的+1.3V、+3.3V、+5V、+VLD電源；引入的+1.3V電源經並聯後的電容C18、C19後接地，引入的+3.3V電源經並聯後的電容C10、C11、C12後接地，引入的+5V電源經並聯後的電容C8、C9後接地，引入的+VLD電源經並聯後的電容C3、C4、C5、C6後接地。其中，+VLD電源的電壓根據雷射器的工作電壓來決定，是本領域技術人員所熟知的。
外部電源接口電路，用於與外部電源輸入端連接，引入外部電源，為整個電路提供所需要的穩定電壓；窄脈衝產生電路，用於產生脈衝寬度和重複頻率可調的觸發信號。
實施例5
如實施例1所述的半導體雷射器窄脈衝驅動電路，所不同的是，MOSFET驅動晶片U4的LDKX輸出端連接半導體雷射器的陰極，半導體雷射器的陽極連接+VLD電源；MOSFET驅動晶片U4的CLX端連接穩定的電壓。
實施例6
一種如實施例1-5所述的半導體雷射器窄脈衝驅動電路的工作方法，包括步驟如下：
1)CPLD控制晶片U6產生激勵信號，將CPLD控制晶片U6產生的激勵信號分成兩路，其中一路激勵信號經延時晶片U9，但不延時直接到達與門晶片U7，另一路激勵信號經過延時晶片U10並延時再進入與門晶片U7，與門晶片U7輸入的兩路信號進行與運算後輸出窄脈衝觸發信號；
2)窄脈衝產生電路產生的窄脈衝觸發信號用於觸發MOSFET驅動晶片U4的開關；當窄脈衝觸發信號為低電平時，MOSFET驅動晶片U4通路關閉，半導體雷射器不工作；當窄脈衝觸發信號為高電平時，MOSFET驅動晶片U4通路導通，半導體雷射器正常工作。脈衝寬度和重複頻率可調的窄脈衝觸發信號觸發MOSFET驅動晶片U4的開關，使得半導體雷射器產生參數可調的光脈衝信號。
實施例7
如實施例5所述的半導體雷射器窄脈衝驅動電路的工作方法，所不同的是，CPLD控制晶片U6根據外部晶振時鐘分頻提供所需激勵信號。
實施例8
如實施例5所述的半導體雷射器窄脈衝驅動電路的工作方法，所不同的是，觸發信號連接MOSFET驅動晶片U4的ENX輸入端，用於觸發MOSFET驅動晶片U4的開關。
利用本發明所述的半導體雷射器窄脈衝驅動電路，最終可獲得脈衝寬度為538ps-10ns並連續可調的光脈衝信號，如圖12所示為通過實施例所述的半導體雷射器窄脈衝驅動電路及其工作方法產生的最窄538ps光脈衝信號圖。