自從50年前Theodore H Maiman發(fā)明了激光器，激光就在不同技術領域里得到廣泛應用，例如通信，工業(yè)生產(chǎn)[1]以及傳感器，測量設備等。當通信業(yè)關注達到GHz范圍的高速傳輸頻率時，工業(yè)生產(chǎn)的主要目標是高速的極短的納秒范圍內(nèi)的脈沖光功率。在激光感應器和測量設備的領域里，高速驅動電路的設計成為非常艱巨的任務。
這份資料主要描述快速驅動電路的設計，PCB布局，光學測量工作，以及設計一個脈沖寬度達到2.5納秒的理想解決方案。
目錄：
1）集成激光驅動器解決方案
2）高速激光驅動電路的設計考量
3）布局要求
4）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
5）設計檢查
6）概要
7）文獻
1）集成激光驅動器解決方案
傳統(tǒng)的激光二極管驅動電路通常使用分立元器件，來達到低成本低效率的使用要求[2].而集成激光驅動方案的優(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%）
。錯誤監(jiān)視
。動態(tài)性能更佳
。提高可靠性/MTBF無故障工作時間對于快速開關，集成驅動器是強制性的，因為減少電感線路和電容能允許更快的信號變化。
2）高速激光驅動器電路的設計考量
應用在測量和傳感技術上的激光光源通常是半導體二極管激光，只需從幾個微瓦到幾百個毫瓦的光學輸出功率。集成電路能簡單并安全地控制[3]并覆蓋整個可見光譜到紅外光范圍。你可以點擊這里查看完整的iC-Haus集成激光驅動方案。最新一代全能型集成激光驅動方案支持的開關頻率高至155兆赫茲，激光電流高達300毫安。圖1是iC-NZN應用電路的原理圖。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動N，M，以及P型激光二極管。
圖1：全能型集成激光驅動電路
支持兩個操作模式——自動功率控制（APC）和自動電流控制（ACC）[4].如上圖1所示，光學輸出功率不同，驅動電流由電阻器PMP/RMD設置而成。如果采用一個合適的PCB布局，脈沖寬度可達到小于3.5納秒以及脈沖上升沿和下降沿時長（tr/tf）為1.5納秒（最大）。在此情況下應采用LVDS輸入信號代替TTL水平來減少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(yōu)化），iC-NZN的特點是提供了一個高邊輸出（專門為P型激光二極管優(yōu)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，電流開關例如iC-HG提供了一個集成解決方案。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500毫安，而且這些開關可以并聯(lián)起來達到3A DC電流。
圖2展示了iC-HG的應用電路，以3A來驅動單個激光二極管。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：激光驅動電路電流達3A，脈沖可達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(jiān)控LVDS輸入信號，如果幅度低于50%，會在管腳NER產(chǎn)生一個錯誤信號，電源電壓和芯片溫度也被監(jiān)控。當欠壓和過載時NER信號也會產(chǎn)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(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
激光驅動模塊的布局對于非常短的激光脈沖是相當挑剔的。由于快速開關的瞬間變化，設計PCB時需特別謹記傳輸線路低電感。圖3a所示是一個iC-HG高速驅動模塊的例子，圖3b是布局的細節(jié)。以下是推薦的設計指導方案：
。保持從驅動器到激光二極管的線路和回路盡可能短（每個mm都要考慮到！）
。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(lián)來減小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）測量激光脈沖
為了了解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，測量結果會大不相同。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(guī)實驗室設備用于電子測量?？赡艿姆椒ㄓ袛U展常規(guī)示波器或者試驗用PC來測量光學的激光光束。
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。
典型測量裝置
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。在這個例子中，使用一個大約12.5ns的40mW的激光脈沖發(fā)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。
iC212是特別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1.4GHz的寬光譜靈敏度，波長從320到1000nm（見圖5）。它可以測量連續(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760nm的增益因數(shù)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也可以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(tǒng)的光學觸發(fā)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(shù)字示波器，通過USB連接到實驗計算機。它是一個非?？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延完成。ADC轉換隨著一個觸發(fā)事件開始以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的被測部件來構成一個完整的光學計算機儀器。
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
- 時基范圍25 ps至100 μs
- 垂直12位分辨率
- 時基精度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會重復信號工作。因此，需要一個數(shù)字脈沖發(fā)生器來完成測試裝置。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(fā)生器管腳連接使用iC-HG/NZN/NZP評估板
脈沖寬度可由兩位十六進制碼旋轉開關設置。舉個例子，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(fā)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。“Inputvia 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：
o PCB板布局參照第3項
o 示波器帶寬要充分考慮快速躍遷和過沖
o iC-HG在LDKx的過沖輸出不應該超過最大值12V
o 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(chǎn)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(yōu)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(fā)生器iC149和數(shù)字USB示波器iC227是測量設備新的選擇。這同時也將示波器和計算機改變成一個測量實際激光二極管輸出的光學儀器。
6）文獻
[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 簡介
iC-Haus 是一家領先的獨立德國制造商，具備標準ICs（ASSP）并可定制ASiC 半導體解決方案。該公司已經(jīng)積極在工業(yè)、汽車和醫(yī)學技術領域設計、生產(chǎn)和銷售特定應用型集成電路超過25 年，其分支機構與業(yè)務遍布全球。iC-Haus 在CMOS，雙極和BCD 技術方面的單元庫配備齊全，可實現(xiàn)傳感器，驅動器集成電路，激光/光電子集成電路，光學編碼器電路，驅動電路和其他混合信號組件的設計。這些IC 采用標準塑料包裝或精密封裝技術來加工成完整的微系統(tǒng)，多片模塊和optoBGATM，后者與傳感器相結合。
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