低抖動Q開關光電轉換及觸發(fā)系統(tǒng)

“Z-Pinch”作為實驗室核爆模擬的技術途徑在核技術研究領域的重要性日益突出。其負載要在極短時間內獲得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。

為了實現在Z箍縮負載上大于8 MA的電流輸出，一個由24路模塊組成的Z裝置被提出。因此功率合成技術成為了Z箍縮裝置的核心技術之一，而功率合成的關鍵在于實現24個激光觸發(fā)主開關的同步性。作為主開關同步觸發(fā)系統(tǒng)的重要組成部分，本文開展了低抖動激光器Q開關光電轉換及觸發(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、延時同步機、Q開關光電轉換及觸發(fā)單元、氤燈光電轉換及觸發(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提供精確時序的觸發(fā)激光脈沖。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 觸發(fā)系統(tǒng)框圖

Q開關光電轉換及觸發(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擾。當一根導線的自感增大后，會將其相鄰信號線周圍的感應磁場轉化為感應電流，而感應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，與串擾類似，當附件存在EMI輻射時，時序信號通路上感應到的噪聲會調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，從而改變開關門電路所需的電壓值。

4）多個門電路同時轉換為同一種邏輯狀態(tài)。這種情況可能導致電源層和地層上感應到尖峰電流，從而可能使閥值電壓發(fā)生變化。

5）影響半導體晶體材料遷移率的溫度因素。可能造成載流子的隨機變化。半導體加工工藝的變化，例如摻雜密度不均，也可能造成抖動。

2 電路設計

該觸發(fā)系統(tǒng)由光電接收與轉換單元和快脈沖產生電路組成。根據抖動產生理論，低抖動電路應遵循以下原則：1）盡量減少數字電路芯片的使用；2）對電源進行濾波，減小噪聲；3）一些信號線應進行包地處理；4）盡量采用差分信號傳輸。

2.1 光電轉換單元

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。該器件的特點是內部沒有集成數字邏輯電路，而是由砷化鎵銦光電二極管和跨導前置放大器組成，其輸出為模擬信號，因而具有最大155 MHz響應帶寬，適用于高速通信或有精確時序要求的應用。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。與此對應的是，延時同步機中的光信號發(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。

圖2 AVAG02316Tz器件

表1 AVAG02316Tz引腳說明

該器件只能接收1 300 nm波長光信號，當VCC接+5 V電壓，VEE接地時，光電二極管感應到光纖光信號輸入時，引腳VO輸出電壓為1.8V。

2.2 快脈沖產生電路

Q開關驅動信號要求前沿小于2.5 ns，脈寬10 ns至數μs，由發(fā)送端光信號決定。IXYS公司的IXDD415是一種用以驅動高速MOSFET門電路的驅動芯片，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動電流達15 A，芯片內部集成過流保護電路，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。

圖3 IXDD4 15器件

表2 IXDD4 15引腳說明

作為高速驅動芯片，IXDD415的應用須注意：回路電感，旁路電容，地線。為了避免輸出脈沖出現嚴重LC振蕩，輸出引腳與負載或電纜連接端距離不超過9.5mm，且布線應盡可能寬，以減小回路電感。該驅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動能力，應使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，應大面積鋪地且與模擬地的連接盡可能短。

2.3 電路設計

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抗干擾能力的標準PECL電平，又通過安森美的MC100ELT23將該PECL電平變換成標準的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1.2 μH電感濾波，對于光纖器件，進一步設計了1個RC濾波電路對該器件的電源進行處理。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載電容兩個數量級，根據負載，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。電路設計如圖4所示。

圖4 Q開關光電轉換及觸發(fā)電路

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。

圖5 測試波形

基準信號指來自延時同步機的同步輸出信號，在對單元進行了5 min預熱后，連續(xù)進行了30次試驗，每次試驗間隔20s，試驗數據如表3所示。

表3 試驗數據

延時主要由光纖長度和Q開關光電轉換及驅動單元固有延時兩部分組成，根據該試驗結果，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，達到設計要求。

4 結論

Z裝置同步觸發(fā)系統(tǒng)的抖動主要來源于Q開關光電轉換與觸發(fā)系統(tǒng)。減小Q開關光電轉換與觸發(fā)系統(tǒng)的抖動是Z裝置24個激光觸發(fā)氣體閉合開關同步動作的重要技術基礎。因此，本文對Q開關光電轉換及觸發(fā)單元的抖動進行了理論分析，給出一般設計原則，并據此設計電路，試驗結果表明信號前沿及抖動滿足設計要求，該單元已應用到Z裝置單路樣機中。在下一步工作中，將