低抖動Q開關(guān)光電轉(zhuǎn)換及觸發(fā)系統(tǒng)設(shè)計

摘要：“Z-Pinch”裝置時其激光觸發(fā)氣體閉合開關(guān)有嚴(yán)格時序要求。為實現(xiàn)四倍頻Nd：YAG激光器出光時刻的精確控制，開展了激光器Q開關(guān)光電轉(zhuǎn)換及觸發(fā)系統(tǒng)的研究。采用AVAGO公司的高速光電轉(zhuǎn)換器件AVAG02316TZ，將接收到的先信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，并以PECL(posi-tive emitted-couple-logic)電平形式實現(xiàn)該電信號的板級傳輸與處理，最終，該信號作為IXYS公司的IXDD415的控制端，以實現(xiàn)低抖動，快前沿的電脈沖輸出用以驅(qū)動Q開關(guān)。電路中采用了電感、電容、RC網(wǎng)絡(luò)濾波方法，有效減小電源噪聲對抖動的影響。該光電轉(zhuǎn)換及觸發(fā)系統(tǒng)在Z裝置單路樣機(jī)中得到應(yīng)用，測試結(jié)果表明均方根抖動為70 ps，時延極差<1ns。
關(guān)鍵詞：Z-Pinch；光電轉(zhuǎn)換；抖動；噪聲

    “Z-Pinch”作為實驗室核爆模擬的技術(shù)途徑在核技術(shù)研究領(lǐng)域的重要性日益突出。其負(fù)載要在極短時間內(nèi)獲得107 cm／s以上的速度以使其在對稱中心Z軸上塌縮時形成高溫高密度等離子體、產(chǎn)生大量X光，其脈沖功率裝置必須具備較高的能量和功率輸出能力。
    為了實現(xiàn)在Z箍縮負(fù)載上大于8 MA的電流輸出，一個由24路模塊組成的Z裝置被提出。因此功率合成技術(shù)成為了Z箍縮裝置的核心技術(shù)之一，而功率合成的關(guān)鍵在于實現(xiàn)24個激光觸發(fā)主開關(guān)的同步性。作為主開關(guān)同步觸發(fā)系統(tǒng)的重要組成部分，本文開展了低抖動激光器Q開關(guān)光電轉(zhuǎn)換及觸發(fā)系統(tǒng)的研究。

1 系統(tǒng)分析
    Z裝置觸發(fā)系統(tǒng)由計算機(jī)、延時同步機(jī)、Q開關(guān)光電轉(zhuǎn)換及觸發(fā)單元、氤燈光電轉(zhuǎn)換及觸發(fā)單元和四倍頻Nd：YAG激光器組成，目的是為多級多通道氣體開關(guān)提供精確時序的觸發(fā)激光脈沖。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

    Q開關(guān)光電轉(zhuǎn)換及觸發(fā)單元的輸出信號直接控制著激光器的激光輸出，它的抖動將影響到氣體開關(guān)的同步性，其抖動極差要求小于2 ns。理論分析表明造成這種抖動的原因主要有：
    1)相鄰信號走線之間的串?dāng)_。當(dāng)一根導(dǎo)線的自感增大后，會將其相鄰信號線周圍的感應(yīng)磁場轉(zhuǎn)化為感應(yīng)電流，而感應(yīng)電流會使電壓增大會減小，從而造成抖動。
    2)敏感信號通路上的EMI輻射。電源，AC電源線和RF信號源都屬于EMI源，與串?dāng)_類似，當(dāng)附件存在EMI輻射時，時序信號通路上感應(yīng)到的噪聲會調(diào)制時序信號的電壓值。
    3)多層基底中電源層的噪聲。這種噪聲可能改變邏輯門的閥值電壓，或者改變閥值電壓的參考地電平，從而改變開關(guān)門電路所需的電壓值。
    4)多個門電路同時轉(zhuǎn)換為同一種邏輯狀態(tài)。這種情況可能導(dǎo)致電源層和地層上感應(yīng)到尖峰電流，從而可能使閥值電壓發(fā)生變化。
    5)影響半導(dǎo)體晶體材料遷移率的溫度因素?？赡茉斐奢d流子的隨機(jī)變化。半導(dǎo)體加工工藝的變化，例如摻雜密度不均，也可能造成抖動。

2 電路設(shè)計
    該觸發(fā)系統(tǒng)由光電接收與轉(zhuǎn)換單元和快脈沖產(chǎn)生電路組成。根據(jù)抖動產(chǎn)生理論，低抖動電路應(yīng)遵循以下原則：1)盡量減少數(shù)字電路芯片的使用；2)對電源進(jìn)行濾波，減小噪聲；3)一些信號線應(yīng)進(jìn)行包地處理；4)盡量采用差分信號傳輸。
2．1 光電轉(zhuǎn)換單元
    相比于常見的820 nm鏈路光纖系統(tǒng)，1 300 nm波長位于光纖的較低色散和衰減區(qū)，因此除了能傳輸更遠(yuǎn)距離外，在傳輸過程中光能量更穩(wěn)定，有利于減小由于光信號造成的抖動。光電轉(zhuǎn)換器件采用的是AVAGO公司的2316TZ光纖接收器。該器件的特點是內(nèi)部沒有集成數(shù)字邏輯電路，而是由砷化鎵銦光電二極管和跨導(dǎo)前置放大器組成，其輸出為模擬信號，因而具有最大155 MHz響應(yīng)帶寬，適用于高速通信或有精確時序要求的應(yīng)用。此外，AVAG02316Tz可以與50／125 μm和62．5／125 μm規(guī)格直徑光纖兼容，帶來光纖尺寸選擇的靈活性。與此對應(yīng)的是，延時同步機(jī)中的光信號發(fā)送電路采用的是AVAGO1312。AVAG02316Tz器件引腳及說明分別如圖2，表1所示。

    該器件只能接收1 300 nm波長光信號，當(dāng)VCC接+5 V電壓，VEE接地時，光電二極管感應(yīng)到光纖光信號輸入時，引腳VO輸出電壓為1．8V。[!--empirenews.page--]
2．2 快脈沖產(chǎn)生電路
    Q開關(guān)驅(qū)動信號要求前沿小于2．5 ns，脈寬10 ns至數(shù)μs，由發(fā)送端光信號決定。IXYS公司的IXDD415是一種用以驅(qū)動高速MOSFET門電路的驅(qū)動芯片，其主要特點包括：寬輸出電壓8～30 V，典型前、后沿小于3 ns，典型延時30 ns，最小脈寬6ns，2路輸出且單路最大驅(qū)動電流達(dá)15 A，芯片內(nèi)部集成過流保護(hù)電路，與TTL或CMOS電平兼容。其芯片引腳及說明分別如圖3，表2所示。

    作為高速驅(qū)動芯片，IXDD415的應(yīng)用須注意：回路電感，旁路電容，地線。為了避免輸出脈沖出現(xiàn)嚴(yán)重LC振蕩，輸出引腳與負(fù)載或電纜連接端距離不超過9．5mm，且布線應(yīng)盡可能寬，以減小回路電感。該驅(qū)動芯片輸出脈沖信號的前沿越快，則抖動越小，同時為了獲得足夠的驅(qū)動能力，應(yīng)使IXDD415有足夠低的輸出阻抗，因此在IXDD415的電源輸入引腳引入低電感，低電阻和大的脈沖電流輸出能力的旁路電容。IXDD4 15地線的良好處理除了影響到芯片輸出的抖動外，還會影響到輸出脈沖的后沿，應(yīng)大面積鋪地且與模擬地的連接盡可能短。[!--empirenews.page--]
2．3 電路設(shè)計
    AVAG02316Tz的輸出信號不能直接作為IXDD415的輸入，采用安森美公司的MC10H116芯片將模擬電平變換成較強(qiáng)抗干擾能力的標(biāo)準(zhǔn)PECL電平，又通過安森美的MC100ELT23將該PECL電平變換成標(biāo)準(zhǔn)的CMOS電平，這樣可以直接作為IXDD415的輸入信號。
    為了減小電源噪聲對抖動帶來的不利影響，對于光纖器件及電平轉(zhuǎn)換芯片電源，不僅采用了電容濾波的方法，而且電源和地線分別串聯(lián)1．2 μH電感濾波，對于光纖器件，進(jìn)一步設(shè)計了1個RC濾波電路對該器件的電源進(jìn)行處理。對于IXDD415，為了獲得低輸出阻抗，一個常用方法是旁路電容的容值高出負(fù)載電容兩個數(shù)量級，根據(jù)負(fù)載，旁路電容選擇為4．7μF，0．47 μF，0．1 μF容值的貼片低感脈沖電容。電路設(shè)計如圖4所示。

3 試驗
    對于具有低阻輸出的快信號脈沖，測試時采用了10倍衰減器和50 Ω匹配頭，測試波形如圖5所示。

    基準(zhǔn)信號指來自延時同步機(jī)的同步輸出信號，在對單元進(jìn)行了5 min預(yù)熱后，連續(xù)進(jìn)行了30次試驗，每次試驗間隔20s，試驗數(shù)據(jù)如表3所示。

    延時主要由光纖長度和Q開關(guān)光電轉(zhuǎn)換及驅(qū)動單元固有延時兩部分組成，根據(jù)該試驗結(jié)果，相鄰兩次試驗間最大延時差為0．5 ns，30次試驗延時極差為0．6ns，抖動為0．07ns，達(dá)到設(shè)計要求。

4 結(jié)論
    Z裝置同步觸發(fā)系統(tǒng)的抖動主要來源于Q開關(guān)光電轉(zhuǎn)換與觸發(fā)系統(tǒng)。減小Q開關(guān)光電轉(zhuǎn)換與觸發(fā)系統(tǒng)的抖動是Z裝置24個激光觸發(fā)氣體閉合開關(guān)同步動作的重要技術(shù)基礎(chǔ)。因此，本文對Q開關(guān)光電轉(zhuǎn)換及觸發(fā)單元的抖動進(jìn)行了理論分析，給出一般設(shè)計原則，并據(jù)此設(shè)計電路，試驗結(jié)果表明信號前沿及抖動滿足設(shè)計要求，該單元已應(yīng)用到Z裝置單路樣機(jī)中。在下一步工作中，將進(jìn)行24路全系統(tǒng)聯(lián)試及復(fù)雜電磁環(huán)境下抗干擾能力測試。