半导体激光器的大电流窄脉冲驱动电路的研究
第22卷第6期2000年12月
压 电 与 声 光
P IEZOEL ECT R ICS &A COU ST OO PT ICS
V ol. 22N o. 6D ec. 2000
文章编号:1004-2474(2000) 06-0414-04
半导体激光器的大电流窄脉冲驱动电路的研究
林晓翰, 苏国彬, 刘建胜, 李 铮
(北京航空航天大学电子工程系, 北京100083)
摘 要:介绍利用高频小功率晶体管的雪崩效应设计激光器的大电流窄脉冲驱动电路, 对该电路建立了数学模型, 并对电路参数进行了仿真。实验制作了产生宽度约为10ns, 峰值约20A 的脉冲驱动电路。仿真结果与实验相吻合, 因此, 对实际应用有一定的指导意义。
关键词:半导体激光器; 雪崩; 大电流; 窄脉冲中图分类号:T N 248. 4 文献标识码:A
Research on High -peak and Narrow -width Pulsed Driving Circuit of LD
LIN Xiao -han , SU Guo -bin , LIU Jian -sheng , LI Zheng
(Dept. of Electronic En gineering, Beijing University of Aeronautics and Astronauts, Beijing 100083, C hina)
Abstract :T his paper intr oduces a kind o f lar ge -cur rent and nar ro w -w idth pulsed dr iv ing cir cuit which is based
on the avalanche effect o f hig h -fr eg uency and small -po w er tr ansistor s . Such circuit o ut puts cur r ent impulses of
10ns w ide and 20A high. A mat hem atical mo del of the cir cuit is cr eated and emula ted. T he r esult of emulation coincides with the ex per iment .
Key words :L D; av ala nche; high-peak; nar ro w pulse
1 引言
在基于喇曼散射的分布式光纤测温系统中, 携带温度信息的喇曼散射光是极其微弱的, 需要加大激光器的驱动电流来增加LD 的光功率, 提高信噪比, 从而提高温度分辨率[1]。该系统是用光纤时域反射仪(OTDR) 测量距离, 其距离分辨率为$L =W ・v /2(W 为光脉冲宽度; v 为在光纤中的传播速度, 取
8
v =c /n =2・10m /s ) , 要实现1m 的分辨率, 要求光脉冲宽度为10ns 。因而, 分布式光纤测温系统要求激光器输出的脉冲同时具有脉宽窄和功率大两个特点。可产生纳秒量级脉冲的器件有雪崩晶体三极管、场效应管等。用高频大功率场效应管可产生大电流脉冲, 但脉冲的宽度为50ns [2], 不能满足要求, 而且该器件比较昂贵。雪崩晶体管是一种比较理想的能同时提供快速响应和很大峰值功率的器件, 其价格便宜, 甚至在普通高频小功率管中, 也能挑出不少适合雪崩运用的管子(如2N5551等) 。目前已有一些被普遍接受的研究方法能够分析雪崩的宏观过程。为了指导此类电路的设计, 建立了电路的数学模型, 并对该模型作了仿真分析, 仿真结果与实验结
收稿日期:2000-06-04
:) , , , [3]
果基本一致。
2 激光器驱动电路数学模型的建立
图1给出用雪崩管产生纳秒量级脉冲的基本电路。
图1 雪崩管脉中产生电路
双异质结半导体激光器的等效模型如图2所
示。L S 是从LD 管芯到管脚的电感, C S 是管脚对地的电容, R L 是管芯的等效阻抗, C P 和R P 是管芯上下台面的总电容和电阻。它们的典型值是:R L =28, C P =4. 1pF, R P =0. 58, C S 很小(约0. 07pF) 可以忽略。总的等效电路如图3所示。R T 为管子雪崩时的等效串联电阻, L 0为放电回路的总电感(L S 可归结到L 0) , S 为电流-电压(I -V ) 特性为“形曲S ”线的非线性二端网络, 其暂态过程的描述由微分方程为[3]
:
[4]
d i C u C -u -u L -i C (R L1+R T )
=(5) d t L 0R L +R P d u L u L
C +=i C (6)
R L d t R L
联立方程(1) 、(4) ～(6) 为一个非线性微分方程组。
该方程组难以用解析法求解, 因而采用了数值解法来进行分析。
3 数值仿真结果与分析
美国国家半导体公司生产的高频小功率硅平面管2N5551的B V CBO =180V, A 0=0. 99, n =4。对于长度为l 、宽度为W 、厚度为t 的矩形截面导体(W m t ) , 其电感L ≈2l (ln w +t +2) ; 长度为l , 宽度为d 的圆形截面直线非磁性导体的电感L ≈2l (ln -d
1) [5]。根据元件的布局安排和电路板的尺寸, 可取回路的总电感L 0≈30nH 。雪崩状态下硅晶体管的导通电阻很小, 只有欧姆量级, 在此取R T =58作为典型值。S T 可近似地用基区渡越时间S b 来代替,
[3]T ≈S b =0. 2ns 。当U 1为10V 时, C 1为2pF [3]。并S
[3]
图2
双异质结半导体激光器等效模型
取仿真条件为E C =350V , R C =82k 8。初步模拟时, 可把激光器当作纯阻元件, 令R L 为LD 的等效电阻与限流电阻R 串联后的总阻值。触发脉冲采用矩形脉冲, 相对于纳秒量级的雪崩过程, 触发脉冲上升的
图3 雪崩管脉冲产生电路等效模型
时间要缓慢的多, 因此在雪崩期间可假设它为一线性变化量:i b (t ) =kt , 根据常用的矩形脉冲产生电路的波形边沿, 可取k =106(5ns 有5mA 的变化量) 。分别改变参数R L 、C 、L 0, 得到的数值解如图4所示。(为了能看清楚输出电流的变化, 将输出电流值放大了10倍) 。从式(1) 来看, i b (t ) 应当是对输出波形有影响的一个量, 但是奇怪的是改变矩形脉冲的边沿情况, 即分别取k 为不同值, 集电极电压和输出电流
C 1T C S T -[A 1+() n ]・=M C d t u u BV CBO d t
(A M -1) i C -A Mi b (t ) (1) 式中 S T 为少子通过基区和集电结外延层的渡越时间; M 为雪崩倍增因子, 其物理意义为若有一个载流子进入集电结空间电荷区, 就有M 个载流子流出空间电荷区, 且
M =[1-(V CE /BV CBO ) n ]-1(2)
式中 n 为与材料有关的密勒指数, 通常硅材料为3～4; C 1为u =U 1(U 1应远大于pn 结的接解电位差V U ) 时集电结电容C cb 的值。C cb 是随着电压变化而改变的量, 它与u 的关系为 C cb =C 1
U 1/u
[3]
(3)
式(1) 是雪崩三极管的通用非线性数学模型, 它包含了u 、i C 的所有暂态值。
另外, 可以写出图3所示电路的基尔霍夫方程:
可据此来选择电容参数。
图4 集电极电压和输出电流脉冲波形
的波形无变化, 实验结果也是如此。目前无法从数学角度加以解释和严格证明, 在这里提出这个问题, 供大家一同探讨。
根据仿真结果, 我们可以看出:
(1) 该模型可得出脉冲峰值和宽度随负载变化的曲线(如图5(a) ) 。随着负载R L 的增大, 输出电流峰值减小, 脉宽增大, 似乎是限流电阻R 越小越好。但是负载R L 的减小也使反向过冲增大, 因而对电流强度、脉宽和反冲的要求不能同时得到满足。雪崩管在开关过程中产生的反向过冲会使LD 两端出现负驱动脉冲, 易烧坏LD 。所以在电路设计中用了快恢复二极管D 2(可选用BYM 26C 或BYV 27-400) 来消除反冲, 有效地保护LD 。
(2) 电容C 的增大使电流脉冲峰值和宽度都增大, 所以在C 的选择上, 要兼顾电流幅度和宽度这两个因素, 选择合适的电容值。合理地选择C 的大小是设计雪崩管脉冲产生电路的难点。图5(b) 是由
图5 脉冲峰值和脉宽随负载及充电电容变化的曲线
(3) 电感L 0的增大导致电流脉冲峰值减小而宽度增大, 这些都是不希望发生的, 因此要尽力避免引线电感的引入, 尽量缩短引线长度并加大引线宽度, 特别是从雪崩管射极到LD 的引线, 减小寄生电感, 以减小输出脉冲损耗并保证良好波形。
把LD 等效为纯阻元件得出的结果与应用LD 等效模型时的结果基本一致。这是因为C P 通常是皮法量级, 尽管输出脉冲的高频分量在100M Hz 左右, 电容的阻抗仍然很大, 所以图3的虚线框部分基本上可以等效为R L 。
4 实验验证
在基于喇曼散射的分布式光纤测温系统中, 为达到1m 的距离分辨率和1°C 的温度分辨率, 需要激光器驱动电路产生脉宽10ns 、电流峰值20A 的, C ,
输出波形如图6所示, 与模拟C =470pF , R L =4. 78。
计算所得的波形基本一致。反向过冲被有效地控制在-5V 以内, 当R C 和R L 确定后, 输出脉冲宽度只与C 的选择有关, C 选定后, 通过调节R W 即可改变驱动电流峰值, 从而达到LD 输出光功率的连续可调。为防止辐射干扰, 必须将整个LD 驱动源装在一个屏蔽盒内。该电路可以产生10nm 左右的脉冲, 电路简单, 成本低廉, 性能稳定。本设计已成功地应用于我们研制的DT S -2000型分布式光纤测温系统,
达到了预期的性能指标。
功地模拟雪崩的动态过程, 对高速脉冲产生电路的设计有现实的指导意义。本设计不仅可用于分布式光纤测温系统, 还可应用于其他需要产生纳秒量级脉冲的场合。
由于采用电容作为贮能元件, 故上述电路只能产生近似于高斯形(钟形) 的脉冲。若要得到矩形脉冲, 可以用开路延迟线代替充电电容。
为了获得更大的幅值, 可以采用雪崩管并联的形式, 其关键是要解决它们同时触发的问题, 否则不仅不能增大脉冲幅度, 还会使脉冲宽度加大。达到同时触发的方法有:选配触发参数相同的管子; 允许管子触发参数不同, 但对输入电路进行调整, 如改变触发脉冲的幅度、基射极间的偏置电阻、输入端的耦合电容、集电极电源电压等, 使得触发参数不同的管子达到同时触发。
[参考文献]
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图6 实际输出波形(示波器加60dB 衰减, 横坐标为
20mV /格, 纵坐标为10ns/格)
27. [3]
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345.
5 结论
本文介绍了LD 的大电流、窄脉冲驱动电路, 提出了该电路的数学模型, 并在计算机上作了仿真, 实验结果验证了模型及分析的正确性。该模型可以成
[4][5]
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