低抖动Q开关光电转换及触发系统设计

摘要：“Z-Pinch”装置时其激光触发气体闭合开关有严格时序要求。为实现四倍频Nd：YAG激光器出光时刻的精确控制，开展了激光器Q开关光电转换及触发系统的研究。采用AVAGO公司的高速光电转换器件AVAG02316TZ，将接收到的先信号转换成模拟电压信号，并以PECL(posi-tive emitted-couple-logic)电平形式实现该电信号的板级传输与处理，最终，该信号作为IXYS公司的IXDD415的控制端，以实现低抖动，快前沿的电脉冲输出用以驱动Q开关。电路中采用了电感、电容、RC网络滤波方法，有效减小电源噪声对抖动的影响。该光电转换及触发系统在Z装置单路样机中得到应用，测试结果表明均方根抖动为70 ps，时延极差<1ns。
关键词：Z-Pinch；光电转换；抖动；噪声

    “Z-Pinch”作为实验室核爆模拟的技术途径在核技术研究领域的重要性日益突出。其负载要在极短时间内获得107 cm／s以上的速度以使其在对称中心Z轴上塌缩时形成高温高密度等离子体、产生大量X光，其脉冲功率装置必须具备较高的能量和功率输出能力。
    为了实现在Z箍缩负载上大于8 MA的电流输出，一个由24路模块组成的Z装置被提出。因此功率合成技术成为了Z箍缩装置的核心技术之一，而功率合成的关键在于实现24个激光触发主开关的同步性。作为主开关同步触发系统的重要组成部分，本文开展了低抖动激光器Q开关光电转换及触发系统的研究。

1 系统分析
    Z装置触发系统由计算机、延时同步机、Q开关光电转换及触发单元、氤灯光电转换及触发单元和四倍频Nd：YAG激光器组成，目的是为多级多通道气体开关提供精确时序的触发激光脉冲。系统框图如图1所示。

    Q开关光电转换及触发单元的输出信号直接控制着激光器的激光输出，它的抖动将影响到气体开关的同步性，其抖动极差要求小于2 ns。理论分析表明造成这种抖动的原因主要有：
    1)相邻信号走线之间的串扰。当一根导线的自感增大后，会将其相邻信号线周围的感应磁场转化为感应电流，而感应电流会使电压增大会减小，从而造成抖动。
    2)敏感信号通路上的EMI辐射。电源，AC电源线和RF信号源都属于EMI源，与串扰类似，当附件存在EMI辐射时，时序信号通路上感应到的噪声会调制时序信号的电压值。
    3)多层基底中电源层的噪声。这种噪声可能改变逻辑门的阀值电压，或者改变阀值电压的参考地电平，从而改变开关门电路所需的电压值。
    4)多个门电路同时转换为同一种逻辑状态。这种情况可能导致电源层和地层上感应到尖峰电流，从而可能使阀值电压发生变化。
    5)影响半导体晶体材料迁移率的温度因素。可能造成载流子的随机变化。半导体加工工艺的变化，例如掺杂密度不均，也可能造成抖动。

2 电路设计
    该触发系统由光电接收与转换单元和快脉冲产生电路组成。根据抖动产生理论，低抖动电路应遵循以下原则：1)尽量减少数字电路芯片的使用；2)对电源进行滤波，减小噪声；3)一些信号线应进行包地处理；4)尽量采用差分信号传输。
2．1 光电转换单元
    相比于常见的820 nm链路光纤系统，1 300 nm波长位于光纤的较低色散和衰减区，因此除了能传输更远距离外，在传输过程中光能量更稳定，有利于减小由于光信号造成的抖动。光电转换器件采用的是AVAGO公司的2316TZ光纤接收器。该器件的特点是内部没有集成数字逻辑电路，而是由砷化镓铟光电二极管和跨导前置放大器组成，其输出为模拟信号，因而具有最大155 MHz响应带宽，适用于高速通信或有精确时序要求的应用。此外，AVAG02316Tz可以与50／125 μm和62．5／125 μm规格直径光纤兼容，带来光纤尺寸选择的灵活性。与此对应的是，延时同步机中的光信号发送电路采用的是AVAGO1312。AVAG02316Tz器件引脚及说明分别如图2，表1所示。

    该器件只能接收1 300 nm波长光信号，当VCC接+5 V电压，VEE接地时，光电二极管感应到光纤光信号输入时，引脚VO输出电压为1．8V。[!--empirenews.page--]
2．2 快脉冲产生电路
    Q开关驱动信号要求前沿小于2．5 ns，脉宽10 ns至数μs，由发送端光信号决定。IXYS公司的IXDD415是一种用以驱动高速MOSFET门电路的驱动芯片，其主要特点包括：宽输出电压8～30 V，典型前、后沿小于3 ns，典型延时30 ns，最小脉宽6ns，2路输出且单路最大驱动电流达15 A，芯片内部集成过流保护电路，与TTL或CMOS电平兼容。其芯片引脚及说明分别如图3，表2所示。

    作为高速驱动芯片，IXDD415的应用须注意：回路电感，旁路电容，地线。为了避免输出脉冲出现严重LC振荡，输出引脚与负载或电缆连接端距离不超过9．5mm，且布线应尽可能宽，以减小回路电感。该驱动芯片输出脉冲信号的前沿越快，则抖动越小，同时为了获得足够的驱动能力，应使IXDD415有足够低的输出阻抗，因此在IXDD415的电源输入引脚引入低电感，低电阻和大的脉冲电流输出能力的旁路电容。IXDD4 15地线的良好处理除了影响到芯片输出的抖动外，还会影响到输出脉冲的后沿，应大面积铺地且与模拟地的连接尽可能短。[!--empirenews.page--]
2．3 电路设计
    AVAG02316Tz的输出信号不能直接作为IXDD415的输入，采用安森美公司的MC10H116芯片将模拟电平变换成较强抗干扰能力的标准PECL电平，又通过安森美的MC100ELT23将该PECL电平变换成标准的CMOS电平，这样可以直接作为IXDD415的输入信号。
    为了减小电源噪声对抖动带来的不利影响，对于光纤器件及电平转换芯片电源，不仅采用了电容滤波的方法，而且电源和地线分别串联1．2 μH电感滤波，对于光纤器件，进一步设计了1个RC滤波电路对该器件的电源进行处理。对于IXDD415，为了获得低输出阻抗，一个常用方法是旁路电容的容值高出负载电容两个数量级，根据负载，旁路电容选择为4．7μF，0．47 μF，0．1 μF容值的贴片低感脉冲电容。电路设计如图4所示。

3 试验
    对于具有低阻输出的快信号脉冲，测试时采用了10倍衰减器和50 Ω匹配头，测试波形如图5所示。

    基准信号指来自延时同步机的同步输出信号，在对单元进行了5 min预热后，连续进行了30次试验，每次试验间隔20s，试验数据如表3所示。

    延时主要由光纤长度和Q开关光电转换及驱动单元固有延时两部分组成，根据该试验结果，相邻两次试验间最大延时差为0．5 ns，30次试验延时极差为0．6ns，抖动为0．07ns，达到设计要求。

4 结论
    Z装置同步触发系统的抖动主要来源于Q开关光电转换与触发系统。减小Q开关光电转换与触发系统的抖动是Z装置24个激光触发气体闭合开关同步动作的重要技术基础。因此，本文对Q开关光电转换及触发单元的抖动进行了理论分析，给出一般设计原则，并据此设计电路，试验结果表明信号前沿及抖动满足设计要求，该单元已应用到Z装置单路样机中。在下一步工作中，将进行24路全系统联试及复杂电磁环境下抗干扰能力测试。