高速激光驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與測試

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無故障工作時(shí)間對(duì)于快速開關(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。集成電路能簡單并安全地控制[3]并覆蓋整個(gè)可見光譜到紅外光范圍。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（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水平來減少EMI.iC-NZN的特點(diǎn)是提供了一個(gè)低邊輸出（專門為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（專門為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，通過管腳VDDA的最大驅(qū)動(dòng)電流可以由電阻RSI來限制。

對(duì)于更高功率的激光脈沖，電流開關(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關(guān)，每個(gè)開關(guān)切換電流為500毫安，而且這些開關(guān)可以并聯(lián)起來達(dá)到3A DC電流。

圖2展示了iC-HG的應(yīng)用電路，以3A來驅(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.最大開關(guān)頻率200MHz，上升和下降沿時(shí)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：激光驅(qū)動(dòng)電路電流達(dá)3A，脈沖可達(dá)9A