設計和測試快速激光驅動器電路

設計和測試快速激光驅動器電路

自從 Theodore H Maiman 在50年前發明激光器以來,激光被廣泛應用到各種技術領域,例如通信,工業生產,以及傳感器和測量設備。通信行業關注的是高達GHz范圍的高速傳輸頻率,工業生產主要關注的目標通常是高速的超短范圍內納秒級脈沖光功率。在傳感器和測量應用的挑戰是設計快速激光驅動器電路,這是一個非常苛求的任務。

下面的文章描述激光驅動器電路設計,PCB布局和光學測量注意事項,以及設計一個脈沖寬度短到2.5ns的理想解決方案。

目錄

集成激光驅動器解決方案

快速激光驅動器電路設計注意事項

布局要求

測量激光脈沖

4.1)從示波器到光學儀器

4.2)從計算機到光學USB儀器

設計檢查

概要

1)集成激光驅動器解決方案

 

傳統的激光二極管驅動器電路通常使用分立元件,用于低成本和低性能應用。集成激光驅動器的優勢解決方案是:

 

1.       提高輸出功率的穩定性(1%或優于1%)

2.       減少板子空間(減少80%以上)

3.       錯誤監控

4.       較好的動態性能

5.       提高了可靠性/MTBF

 用于快速開關,集成驅動器是必須的,因為減小PCB分布電感和分布電容是允許更快速信號變化的主要方法。

2)快速激光驅動器電路設計注意事項

 

  用于測量和傳感器領域的激光器光源通常是半導體二極管激光器,光學輸出功率從幾個微瓦到幾百個毫瓦。集成電路可方便地和安全地控制半導體激光二極管,光譜覆蓋整個可見光到紅外光范圍。最新研發的全類型集成激光驅動器解決方案支持開關頻率高達155 MHz以及激光驅動電流高達300 mA。圖1所示的原理圖是iC-NZN的應用電路。它的工作電壓從3.3V 到5.5V,可以去驅動N,M和P型激光二極管帶或者不帶監控二極管。

 

圖1.全類型激光二極管驅動器電路

  支持兩種工作模式,自動功率控制(APC)和自動電流控制(ACC)。光學輸出功率各自不同。驅動電流由電阻PMD/RMD設置,如上面圖1所示。如果采用一個合適的PCB布局,脈沖寬度可以達到小于3.5ns以及脈沖上升沿和下降沿時長(tr/tf)為1.5ns(最大)。在這種情況下應該采用LVDS輸入信號替代TTL電平來減少EMI。iC-NZN的特點是提供了一個低邊輸出(專門為N型激光二極管優化),iC-NZP的特點是提供了一個高邊輸出(專門為P型激光二極管優化)。為了保護激光二極管,特別是在APC模式,通過管腳VDDA的最大驅動電流可以由電阻RSI來限制。

  對于更高功率的激光脈沖,例如電流開關iC-HG,提供一個集成的解決方案。它的特點是可提供6個帶尖峰釋放的電流開關,每個開關切換電流為500mA,而且這些開關可以并聯起來達到3A DC 電流。脈沖寬度可以低至2.5ns,峰值電流可達9A。最大開關頻率200MHz,上升和下降沿時長1ns(最大)。最大占空比取決功率耗散和iC-HG的散熱情況。

 

圖2:CW驅動電流可達3A,脈沖驅動可達9A的激光驅動電路

 

  輸入EN1和EN2使用LVDS模式帶100歐姆線路終端電阻。激光器電源電壓(最大12V)由兩個低ESR鉭電容緩沖以及使用兩個瓷片電容進行RF濾波。iC-HG監控LVDS輸入信號,如果幅度低于50%,會在管腳NER產生一個錯誤信號,電源電壓和芯片溫度也被監控。當欠壓和過載時NER信號也會產生。每個通道的電流可以通過控制CIx的電壓來設置。它也可以被用來做模擬調制。最大調制頻率典型值2MHz,CIx的輸入電容是調制頻率的限制因素。

3)布局要求

對于非常短的激光脈沖,激光驅動模塊的布局是挑剔的。由于快速開關的瞬態過程,當設計PCB時傳輸線路低電感是要記住的關鍵。圖3a所示的是一個iC-HG高速驅動模塊的例子,圖3b是布局的細節。推薦布局指導方針如下:

  • 保持從驅動器到激光二極管的線路和回路盡可能的短(每個mm都要考慮);

  • 放置儲能/旁路電容在驅動器IC電源和地線附近;

  • 選擇低ESR電容(使用兩個電容并聯來減小ESR);

  • 分開AGNDx和GND大面積鋪地(僅在公共地處連接);

  • 確保DFN封裝的散熱PAD的散熱

圖3a:高速激光驅動模塊

 

圖3b:高速激光驅動模塊布局

 

4)測量激光脈沖

 

4.1)從示波器到光學儀器

為了激光二極管脈沖的光學測量,需要一臺高速示波器和一個附加的高速光電接收器。此光電接收器應該在相關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量。

圖4a所示的是一個典型的光學測量裝置,使用iC212高速光電接收器作為示波器的一個適配器。在這個例子里,使用一個大約12.5ns的40mW的激光脈沖發生器,脈沖幅度和上升沿時長可以使用示波器測量。示波器需要一個合適的高模擬帶寬,工作頻率也要到GHz范圍。圖4b所示的是光學脈沖響應。

為了知道準確的激光脈沖形狀,僅有一個電氣測量激光電流是不夠的。由于激光二極管的特性,測量結果會大不同。因此必須測量激光二極管的光學輸出。這通常是通過使用一個擴展常規實驗室設備用于電子測量。可能的方法有擴展常規示波器或者試驗用PC來測量光學的激光光束。

圖4a:激光二極管模塊測量裝置                圖4b:光電接收器iC212的激光脈沖

使用iC212光電接收器                            測量結果

 iC212是專門為此類測量而設計的光電接收器,它是第一個此類裝置,結合一個帶寬范圍從直流到1.4 GHz的寬光譜靈敏度,波長從320至1000nm(見圖5)。它可以測量連續波和脈沖光功率,瞬態低至280ps。

圖5:光電接收器頻譜靈敏度

  iC212在波長760nm處的增益因數是1.625V/mW。這允許光學功率測量低至子毫瓦范圍。激光脈沖的上升沿和下降沿時長可以直接從示波器讀出。然后光學功率可以由測量得到的幅度除以相關波長的靈敏度得出。

圖6:測量功率

圖6所示的示波器測量波長為635nm。靈敏度由圖5得出,在635nm處,S=1.34V/mW。光學功率有下面的式子計算,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測量,IC212也可用來測量玻璃纖維傳輸線,光學傳輸時間,照度或者激光系統的光學觸發或者錯誤檢測測試。

4.2)從計算機到USB光學儀器

  另一個選擇是iC227數字示波器,通過USB連接到實驗計算機。它是一個非常快速和精確的雙通道8GHz順序采樣示波器,基于微控制器和高速ECL差分電路。微控制器經過隔離的全速USB接口通信,全速速率12 Mbits/s。順序工作范圍是由在觸發和采樣電路之間插入增量時延完成。ADC轉換隨著一個觸發事件開始以10皮秒增量采樣。圖7所示的是iC227配置成 4 GHz雙通道示波器的功能原理。連接到iC212的被測部件來構成一個完整的光學計算機儀器。

iC227主要特性如下:

  • 8 GHz帶寬

  • 觸發輸入帶寬2 GHz

  • 時基范圍25ps到100us

  • 垂直12位分辨率

  • 時基精度1.5%FS+/-10ps

  • 垂直精度隨著CH1/CH2輸入 3%FS

  • 最小觸發頻率10KHz

  • 垂直刻度10到1000 mV

  • 最大輸入采樣電壓2Vpp,觸發輸入4Vpp

圖7:USB示波器功能原理

 由采樣原理可知,IC227僅采用重復信號工作。然后,需要一個數字脈沖發生器來完成測試裝置。圖8所示的是iC149脈沖發生器。它產生脈沖寬度從1到64ns,步長增量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評估板。

圖8:脈沖發生器管腳連接適用iC-HG/NZN/NZP評估板

脈沖寬度可由兩位二進制碼旋轉開關設置。舉個例子說明,一個完整的測試裝置如圖9所示。

  它由一個光學測試臺組成,包括iC-NZN評估板和脈沖發生器iC149。接收器方iC212光電接收被用來和iC227一起工作,iC227帶寬設置為8GHz,iC212光電接收器直接連接到通道1。”Input via Trigger“復選框必須保持未選。

圖9:光學測量采用計算機USB光學儀器

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

5)設計檢查

對于高速激光驅動器設計,推薦注重考慮以下項目:

  • PCB板布局見以上第3項

  • 示波器帶寬要充分考慮快速躍遷和過沖

  • iC-HG在LDKx的過沖輸出不應該超過最大值12V

  • iC-NZN在LDK的過沖輸出不應該超過15V,正常值為12V

6)概要

新一代基于iC-HG的激光驅動器電路能夠產生高功率激光脈沖,脈寬低于3.5ns。為了在相關應用中能精確達到這個目標,需要優化PCB設計來減小分布電感。需要專用工具來測量光學輸出的上升沿和下降沿時長。光電接收器iC212,脈沖發生器iC149和數字USB示波器iC227是這些測量設備新的選擇。

  

 

 

上傳時間:2013-07-17
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