低抖動(dòng)Q開(kāi)關(guān)光電轉換及觸發(fā)系統

“Z-Pinch”作為實(shí)驗室核爆模擬的技術(shù)途徑在核技術(shù)研究領(lǐng)域的重要性日益突出。其負載要在極短時(shí)間內獲得107 cm／s以上的速度以使其在對稱(chēng)中心Z軸上塌縮時(shí)形成高溫高密度等離子體、產(chǎn)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(shí)現在Z箍縮負載上大于8 MA的電流輸出，一個(gè)由24路模塊組成的Z裝置被提出。因此功率合成技術(shù)成為了Z箍縮裝置的核心技術(shù)之一，而功率合成的關(guān)鍵在于實(shí)現24個(gè)激光觸發(fā)主開(kāi)關(guān)的同步性。作為主開(kāi)關(guān)同步觸發(fā)系統的重要組成部分，本文開(kāi)展了低抖動(dòng)激光器Q開(kāi)關(guān)光電轉換及觸發(fā)系統的研究。

1 系統分析

Z裝置觸發(fā)系統由計算機、延時(shí)同步機、Q開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)提供精確時(shí)序的觸發(fā)激光脈沖。系統框圖如圖1所示。

圖1 觸發(fā)系統框圖

Q開(kāi)關(guān)光電轉換及觸發(fā)單元的輸出信號直接控制著(zhù)激光器的激光輸出，它的抖動(dòng)將影響到氣體開(kāi)關(guān)的同步性，其抖動(dòng)極差要求小于2 ns。理論分析表明造成這種抖動(dòng)的原因主要有：

1）相鄰信號走線(xiàn)之間的串擾。當一根導線(xiàn)的自感增大后，會(huì )將其相鄰信號線(xiàn)周?chē)母袘艌?chǎng)轉化為感應電流，而感應電流會(huì )使電壓增大會(huì )減小，從而造成抖動(dòng)。

2）敏感信號通路上的EMI輻射。電源，AC電源線(xiàn)和RF信號源都屬于EMI源，與串擾類(lèi)似，當附件存在EMI輻射時(shí)，時(shí)序信號通路上感應到的噪聲會(huì )調制時(shí)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(mén)的閥值電壓，或者改變閥值電壓的參考地電平，從而改變開(kāi)關(guān)門(mén)電路所需的電壓值。

4）多個(gè)門(mén)電路同時(shí)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?？赡茉斐奢d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(dòng)。

2 電路設計

該觸發(fā)系統由光電接收與轉換單元和快脈沖產(chǎn)生電路組成。根據抖動(dòng)產(chǎn)生理論，低抖動(dòng)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(jìn)行濾波，減小噪聲；3）一些信號線(xiàn)應進(jìn)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(jiàn)的820 nm鏈路光纖系統，1 300 nm波長(cháng)位于光纖的較低色散和衰減區，因此除了能傳輸更遠距離外，在傳輸過(guò)程中光能量更穩定，有利于減小由于光信號造成的抖動(dòng)。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(diǎn)是內部沒(méi)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(shí)序要求的應用。此外，AVAG02316Tz可以與50／125 μm和62.5／125 μm規格直徑光纖兼容，帶來(lái)光纖尺寸選擇的靈活性。與此對應的是，延時(shí)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(shuō)明分別如圖2，表1所示。

圖2 AVAG02316Tz器件

表1 AVAG02316Tz引腳說(shuō)明

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

2.2 快脈沖產(chǎn)生電路

Q開(kāi)關(guān)驅動(dòng)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(dòng)高速MOSFET門(mén)電路的驅動(dòng)芯片，其主要特點(diǎn)包括：寬輸出電壓8～30 V，典型前、后沿小于3 ns，典型延時(shí)30 ns，最小脈寬6ns，2路輸出且單路最大驅動(dòng)電流達15 A，芯片內部集成過(guò)流保護電路，與TTL或CMOS電平兼容。其芯片引腳及說(shuō)明分別如圖3，表2所示。

圖3 IXDD4 15器件

表2 IXDD4 15引腳說(shuō)明

作為高速驅動(dòng)芯片，IXDD415的應用須注意：回路電感，旁路電容，地線(xiàn)。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(guò)9.5mm，且布線(xiàn)應盡可能寬，以減小回路電感。該驅動(dòng)芯片輸出脈沖信號的前沿越快，則抖動(dòng)越小，同時(shí)為了獲得足夠的驅動(dòng)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(xiàn)的良好處理除了影響到芯片輸出的抖動(dòng)外，還會(huì )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(guò)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(dòng)帶來(lái)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(xiàn)分別串聯(lián)1.2 μH電感濾波，對于光纖器件，進(jìn)一步設計了1個(gè)RC濾波電路對該器件的電源進(jìn)行處理。對于IXDD415，為了獲得低輸出阻抗，一個(gè)常用方法是旁路電容的容值高出負載電容兩個(gè)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(kāi)關(guān)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(shí)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(lái)自延時(shí)同步機的同步輸出信號，在對單元進(jìn)行了5 min預熱后，連續進(jìn)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(shí)主要由光纖長(cháng)度和Q開(kāi)關(guān)光電轉換及驅動(dòng)單元固有延時(shí)兩部分組成，根據該試驗結果，相鄰兩次試驗間最大延時(shí)差為0.5 ns，30次試驗延時(shí)極差為0.6ns，抖動(dòng)為0.07ns，達到設計要求。

4 結論

Z裝置同步觸發(fā)系統的抖動(dòng)主要來(lái)源于Q開(kāi)關(guān)光電轉換與觸發(fā)系統。減小Q開(kāi)關(guān)光電轉換與觸發(fā)系統的抖動(dòng)是Z裝置24個(gè)激光觸發(fā)氣體閉合開(kāi)關(guān)同步動(dòng)作的重要技術(shù)基礎。因此，本文對Q開(kāi)關(guān)光電轉換及觸發(fā)單元的抖動(dòng)進(jìn)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(dòng)滿(mǎn)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