高速激光驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與測(cè)試

自從50年前Theodore H Maiman發(fā)明了激光器，激光就在不同技術(shù)領(lǐng)域里得到廣泛應(yīng)用，例如通信，工業(yè)生產(chǎn)[1]以及傳感器，測(cè)量設(shè)備等。當(dāng)通信業(yè)關(guān)注達(dá)到GHz范圍的高速傳輸頻率時(shí)，工業(yè)生產(chǎn)的主要目標(biāo)是高速的極短的納秒范圍內(nèi)的脈沖光功率。在激光感應(yīng)器和測(cè)量設(shè)備的領(lǐng)域里，高速驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)成為非常艱巨的任務(wù)。

這份資料主要描述快速驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，PCB布局，光學(xué)測(cè)量工作，以及設(shè)計(jì)一個(gè)脈沖寬度達(dá)到2.5納秒的理想解決方案。

目錄：

1）集成激光驅(qū)動(dòng)器解決方案
2）高速激光驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)考量
3）布局要求
4）測(cè)量激光脈沖
4.1）從示波器到光學(xué)儀器
4.2）從計(jì)算機(jī)到光學(xué)USB儀器
5）設(shè)計(jì)檢查
6）概要
7）文獻(xiàn)

1）集成激光驅(qū)動(dòng)器解決方案

傳統(tǒng)的激光二極管驅(qū)動(dòng)電路通常使用分立元器件，來(lái)達(dá)到低成本低效率的使用要求[2].而集成激光驅(qū)動(dòng)方案的優(yōu)勢(shì)在于：
。提高了輸出功率的穩(wěn)定性（1%或更高）
。減少電路板空間（至80%）
。錯(cuò)誤監(jiān)視
。動(dòng)態(tài)性能更佳
。提高可靠性/MTBF無(wú)故障工作時(shí)間對(duì)于快速開(kāi)關(guān)，集成驅(qū)動(dòng)器是強(qiáng)制性的，因?yàn)闇p少電感線路和電容能允許更快的信號(hào)變化。

2）高速激光驅(qū)動(dòng)器電路的設(shè)計(jì)考量

應(yīng)用在測(cè)量和傳感技術(shù)上的激光光源通常是半導(dǎo)體二極管激光，只需從幾個(gè)微瓦到幾百個(gè)毫瓦的光學(xué)輸出功率。集成電路能簡(jiǎn)單并安全地控制[3]并覆蓋整個(gè)可見(jiàn)光譜到紅外光范圍。你可以點(diǎn)擊這里查看完整的iC-Haus集成激光驅(qū)動(dòng)方案。最新一代全能型集成激光驅(qū)動(dòng)方案支持的開(kāi)關(guān)頻率高至155兆赫茲，激光電流高達(dá)300毫安。圖1是iC-NZN應(yīng)用電路的原理圖。它適用于3.3至5.5伏的工作電壓并能在具備或不具備監(jiān)控二極管的情況下驅(qū)動(dòng)N，M，以及P型激光二極管。

圖1：全能型集成激光驅(qū)動(dòng)電路

支持兩個(gè)操作模式——自動(dòng)功率控制（APC）和自動(dòng)電流控制（ACC）[4].如上圖1所示，光學(xué)輸出功率不同，驅(qū)動(dòng)電流由電阻器PMP/RMD設(shè)置而成。如果采用一個(gè)合適的PCB布局，脈沖寬度可達(dá)到小于3.5納秒以及脈沖上升沿和下降沿時(shí)長(zhǎng)（tr/tf）為1.5納秒（最大）。在此情況下應(yīng)采用LVDS輸入信號(hào)代替TTL水平來(lái)減少EMI.iC-NZN的特點(diǎn)是提供了一個(gè)低邊輸出（專(zhuān)門(mén)為N型激光二極管優(yōu)化），iC-NZN的特點(diǎn)是提供了一個(gè)高邊輸出（專(zhuān)門(mén)為P型激光二極管優(yōu)化）。為了保護(hù)激光二極管，特別是在APC模式，通過(guò)管腳VDDA的最大驅(qū)動(dòng)電流可以由電阻RSI來(lái)限制。

對(duì)于更高功率的激光脈沖，電流開(kāi)關(guān)例如iC-HG提供了一個(gè)集成解決方案。它的特點(diǎn)是可提供6個(gè)帶尖峰釋放的電流開(kāi)關(guān)，每個(gè)開(kāi)關(guān)切換電流為500毫安，而且這些開(kāi)關(guān)可以并聯(lián)起來(lái)達(dá)到3A DC電流。

圖2展示了iC-HG的應(yīng)用電路，以3A來(lái)驅(qū)動(dòng)單個(gè)激光二極管。脈沖寬度可以低至2.5ns，峰值電流可達(dá)9A.最大開(kāi)關(guān)頻率200MHz，上升和下降沿時(shí)長(zhǎng)1ns（最大）。最大占空比取決功率耗散和iC-HG的散熱情況。

圖2：激光驅(qū)動(dòng)電路電流達(dá)3A，脈沖可達(dá)9A

輸入EN1和EN2使用LVDS模式帶100歐姆線路終端電阻。激光電源電壓（最大12V）由兩個(gè)低ESR鉭電容緩沖以及使用兩個(gè)瓷片電容進(jìn)行RF濾波。iC-HG監(jiān)控LVDS輸入信號(hào)，如果幅度低于50%，會(huì)在管腳NER產(chǎn)生一個(gè)錯(cuò)誤信號(hào)，電源電壓和芯片溫度也被監(jiān)控。當(dāng)欠壓和過(guò)載時(shí)NER信號(hào)也會(huì)產(chǎn)生。每個(gè)通道的電流可以通過(guò)控制CIx的電壓來(lái)設(shè)置。它也可以被用來(lái)做模擬調(diào)制。最大調(diào)制頻率典型值2MHz，CIx的輸入電容是調(diào)制頻率的限制因素。

3）布局要求

激光驅(qū)動(dòng)模塊的布局對(duì)于非常短的激光脈沖是相當(dāng)挑剔的。由于快速開(kāi)關(guān)的瞬間變化，設(shè)計(jì)PCB時(shí)需特別謹(jǐn)記傳輸線路低電感。圖3a所示是一個(gè)iC-HG高速驅(qū)動(dòng)模塊的例子，圖3b是布局的細(xì)節(jié)。以下是推薦的設(shè)計(jì)指導(dǎo)方案：
。保持從驅(qū)動(dòng)器到激光二極管的線路和回路盡可能短（每個(gè)mm都要考慮到！）
。放置儲(chǔ)能/旁路電容在驅(qū)動(dòng)器IC電源和地線附近
。選擇低ESR電容（使用兩個(gè)電容并聯(lián)來(lái)減小ESR）
。分離AGNDx和GND大面積鋪地（只在公共地處連接）
。確保DFN封裝的散熱PAD的散熱

4）測(cè)量激光脈沖

為了了解準(zhǔn)確的激光脈沖形狀，僅有一個(gè)電氣測(cè)量激光電流是不夠的。由于激光二極管的特性，測(cè)量結(jié)果會(huì)大不相同。因此必須測(cè)量激光二極管的光學(xué)輸出。這通常是通過(guò)使用一個(gè)擴(kuò)展常規(guī)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備用于電子測(cè)量?？赡艿姆椒ㄓ袛U(kuò)展常規(guī)示波器或者試驗(yàn)用PC來(lái)測(cè)量光學(xué)的激光光束。

4.1）從示波器到光學(xué)儀器

為了激光二極管脈沖的光學(xué)測(cè)量，需要一臺(tái)高速示波器和一個(gè)附加的高速光電接收器。此光電接收器應(yīng)該在相關(guān)頻譜范圍具有高靈敏度以及盡可能寬的帶寬，從DC到GHz范圍，以便激光脈沖的幅度和快速脈沖的邊沿同樣可以被測(cè)量。

典型測(cè)量裝置

圖4a所示的是一個(gè)典型的光學(xué)測(cè)量裝置，使用iC212高速光電接收器作為示波器的一個(gè)適配器。在這個(gè)例子中，使用一個(gè)大約12.5ns的40mW的激光脈沖發(fā)生器，脈沖幅度和上升沿時(shí)長(zhǎng)可以使用示波器測(cè)量。示波器需要一個(gè)合適的高模擬帶寬，工作頻率也要到GHz范圍。圖4b所示的是光學(xué)脈沖響應(yīng)。

iC212是特別為此類(lèi)測(cè)量而設(shè)計(jì)的光電接收器，它是第一個(gè)此類(lèi)裝置，結(jié)合一個(gè)帶寬范圍從直流到1.4GHz的寬光譜靈敏度，波長(zhǎng)從320到1000nm（見(jiàn)圖5）。它可以測(cè)量連續(xù)波和脈沖光功率，瞬態(tài)低至280ps。

圖5：光電接收器頻譜靈敏度

iC212 在波長(zhǎng)760nm的增益因數(shù)是1.625V/mW。這允許光學(xué)功率測(cè)量低至子毫瓦范圍。激光脈沖的上升沿和下降沿時(shí)長(zhǎng)可以直接從示波器讀出。然后光學(xué)功率可以由測(cè)量得到的幅度除以相關(guān)波長(zhǎng)的靈敏度得出。

圖6：測(cè)量功率

圖6所示的示波器測(cè)量波長(zhǎng)為635nm.靈敏度由圖5得出，在635nm處，S=1.34V/mW.光學(xué)功率有下面的式子計(jì)算，其中，U是從示波器讀出的幅度。

Popt（iC212） = U / S = 0.803 V / 1.34 V/mW = 0.60 mW

除了激光二極管和激光模塊的光學(xué)測(cè)量，iC212也可以用來(lái)測(cè)量玻璃纖維傳輸線，光學(xué)傳輸時(shí)間，照度或者激光系統(tǒng)的光學(xué)觸發(fā)或者錯(cuò)誤檢測(cè)測(cè)試。

4.2從計(jì)算機(jī)到USB光學(xué)儀器

另一個(gè)選擇是iC227數(shù)字示波器，通過(guò)USB連接到實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)。它是一個(gè)非?？焖俸途_的雙通道8GHz順序采樣示波器，基于微控制器和高速ECL差分電路。微控制器經(jīng)過(guò)隔離的全速USB接口通信，全速速率12Mbits/s.順序工作范圍是由在觸發(fā)和采樣電路之間插入增量時(shí)延完成。ADC轉(zhuǎn)換隨著一個(gè)觸發(fā)事件開(kāi)始以10皮秒增量采樣。圖7所示的是iC227配置成4GHz雙通道示波器的功能原理。連接到iC212的被測(cè)部件來(lái)構(gòu)成一個(gè)完整的光學(xué)計(jì)算機(jī)儀器。

圖7：USB示波器的功能原理

iC227的主要特性如下：

- 8 GHz 帶寬在CH1和CH2上
- 觸發(fā)輸入帶寬2GHz
- 時(shí)基范圍25 ps至100 μs
- 垂直12位分辨率
- 時(shí)基精度0.5% FS +/-10 ps
- 垂直精度隨著CH1/CH2輸入 3% FS
- 最小觸發(fā)頻率10 kHz
- 垂直刻度10到1000 mV
- 最大輸入采樣電壓2 Vpp，觸發(fā)輸入4 Vpp

由于采樣原理，iC227會(huì)重復(fù)信號(hào)工作。因此，需要一個(gè)數(shù)字脈沖發(fā)生器來(lái)完成測(cè)試裝置。圖8所示的是iC149脈沖發(fā)生器。它產(chǎn)生脈沖寬度從1到64ns，步長(zhǎng)增量0.25ns。固定頻率1MHz以及提供LVDS和TTL輸出。管腳連接兼容iC-HG和iC-NZN/NZP評(píng)估板。

圖8：脈沖發(fā)生器管腳連接使用iC-HG/NZN/NZP評(píng)估板

脈沖寬度可由兩位十六進(jìn)制碼旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)設(shè)置。舉個(gè)例子，一個(gè)完整的測(cè)試裝置如圖9所示。它由一個(gè)光學(xué)測(cè)試臺(tái)組成，包括iC-NZN評(píng)估板和脈沖發(fā)生器iC149。接收器方iC212光電接收被用來(lái)和iC227一起工作，iC227帶寬設(shè)置為8GHz，iC212光電接收器直接連接到通道1。“Inputvia Trigger”復(fù)選框必須保持未選。

圖9：光學(xué)測(cè)量采用計(jì)算機(jī)USB光學(xué)儀器

iC212光電接收器輸出直接連接到“SAMPLER IN1”。“Input via Trigger”復(fù)選框必須保持未選。

5）設(shè)計(jì)檢查

對(duì)于高速激光驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)，推薦注重考慮以下項(xiàng)目：
o PCB板布局參照第3項(xiàng)
o 示波器帶寬要充分考慮快速躍遷和過(guò)沖
o iC-HG在LDKx的過(guò)沖輸出不應(yīng)該超過(guò)最大值12V
o iC-NZN在LDK的過(guò)沖輸出不應(yīng)該超過(guò)15V，正常值為12V

6）概要

新一代基于iC-HG的激光驅(qū)動(dòng)器電路能夠產(chǎn)生高功率激光脈沖，脈寬低于3.5ns。為了在相關(guān)應(yīng)用中能精確達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，需要優(yōu)化PCB設(shè)計(jì)來(lái)減小分布電感。需要專(zhuān)用工具來(lái)測(cè)量光學(xué)輸出的上升沿和下降沿時(shí)長(zhǎng)。光電接收器iC212，脈沖發(fā)生器iC149和數(shù)字USB示波器iC227是測(cè)量設(shè)備新的選擇。這同時(shí)也將示波器和計(jì)算機(jī)改變成一個(gè)測(cè)量實(shí)際激光二極管輸出的光學(xué)儀器。

6）文獻(xiàn)

[1] 50 years of the laser – a technology that has changed the world (http://www.50-years-laser.com/ )
[2] Discrete vs. integrated, Application Note 3
[3] Uwe Malzahn, Driving diode lasers is straightforward, EuroPhotonics, 8/2004
[4] Laser Webinar Handout

iC-Haus 簡(jiǎn)介

iC-Haus 是一家領(lǐng)先的獨(dú)立德國(guó)制造商，具備標(biāo)準(zhǔn)ICs（ASSP）并可定制ASiC 半導(dǎo)體解決方案。該公司已經(jīng)積極在工業(yè)、汽車(chē)和醫(yī)學(xué)技術(shù)領(lǐng)域設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和銷(xiāo)售特定應(yīng)用型集成電路超過(guò)25 年，其分支機(jī)構(gòu)與業(yè)務(wù)遍布全球。iC-Haus 在CMOS，雙極和BCD 技術(shù)方面的單元庫(kù)配備齊全，可實(shí)現(xiàn)傳感器，驅(qū)動(dòng)器集成電路，激光/光電子集成電路，光學(xué)編碼器電路，驅(qū)動(dòng)電路和其他混合信號(hào)組件的設(shè)計(jì)。這些IC 采用標(biāo)準(zhǔn)塑料包裝或精密封裝技術(shù)來(lái)加工成完整的微系統(tǒng)，多片模塊和optoBGATM，后者與傳感器相結(jié)合。