CN106486887A - 一种基于激光二极管的脉冲激光发射电路 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于激光二极管的脉冲激光发射电路，包括激光二极管的高压发生电路和驱动电路，高压发生电路为驱动电路提供高压源；驱动电路用印制电路板方式实现，电流放大芯片和开关MOS管之间的距离尽量大，从激光二极管接地脚与开关MOS管的源级之间通过长且细的连线连接；开关MOS管、激光二极管、第一电容、第二电容之间的连线距离尽量短。本发明实现高重频窄脉冲激光的发射，有效提高激光测距的作用距离和精度。

Description

一种基于激光二极管的脉冲激光发射电路

技术领域

本发明属于激光测量领域，具体涉及一种基于激光二极管的脉冲激光发射电路，应用于激光雷达汽车智能防撞、城市建筑和规划、激光近炸引信、激光主动制导等领域。

背景技术

脉冲式激光测量采用激光器作为光源，以激光作为载波，根据飞行时间原理，通过检测激光发射脉冲与激光回波脉冲之间的时间差来测量距离，具备结构简单，价格低廉，可靠性高，抗干扰性能强，不需要合作目标等优点，在民用和军事上得到了广泛应用。

实现激光的高重频、窄脉冲是提高脉冲激光测距的作用距离、动态探测精度和抗干扰能力的重要手段。基于激光二极管设计脉冲激光的发射电路，电路结构简单，理论较健全，但是，激光二极管受激光器半导体特性和驱动电路分布电感、分布电容的影响，要得到震荡少、峰值功率高的窄脉冲波形很困难；再者，电路中MOS管需要150V高压产生大电流对电容进行充放电，电路布局时的走线上会产生很大的电压降，消耗大部分的功率，以致在激光二极管上的压降减小，峰值功率降低，需对电路进行特有的布局。

发明内容

本发明的发明目的在于提供一种基于激光二极管的脉冲激光发射电路，实现高重频窄脉冲激光的发射，有效提高激光测距的作用距离和精度。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于激光二极管的脉冲激光发射电路，包括激光二极管的高压发生电路和驱动电路，高压发生电路为驱动电路提供高压源。

进一步，高压发生电路包括开关三极管、第一电感、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第二二极管、第三二极管；其中，第三电阻的第一端与外部电压源相连，其第二端与第一电感的第一端相连；第一电感的第二端与开关三极管的集电极相连；开关二极管的基级与第四电阻串联后接前端提供的控制信号，开关二极管的发射级接地；第三电容的第一端和第四电容的第一端分别接在三电阻的两端，第三电容的第二端和第四电容的第二端均接地；第二二极管的第一端与开关二极管的集电极相连，其第二端与第五电阻相连；第三二极管的第一端与开关二极管的集电极相连，其第二端接地；第五电容的第一端与第二二极管的第二端相连，其第二端连接地；第五电阻的第二端与第六电容的第一端相连后作为高压源提供给驱动电路；第六电容的第二端接地。

进一步，驱动电路包括电流放大芯片、开关MOS管、激光二极管、第一电阻、第二电阻、第一电容、第二电容；其中，电流放大芯片的两个电源脚相连后接外部电压源；电流放大芯片的信号输入脚接前端送入的高重频窄脉冲驱动信号，电流放大芯片的两个接地脚相连后一并接地，电流放大芯片的两个输出脚相连一并接第一电阻的第一端；第一电阻的第二端与开关MOS管的栅极相连，开关MOS管的漏极与第二电阻的第二端相连，开关MOS管的源级接地；第二电阻的第一端与高压发生电路的高压源相连；第一电容与第二电容并联后，一端与开关MOS管的漏极相连，另一端与激光二极管的负端相连；激光二极管的正端接地。

进一步，驱动电路用印制电路板方式实现，印制电路板中包括第一接插件、第二接插件；激光二极管、第二电阻布置在印制电路板的底层；第一接插件、第二接插件、第一电阻、开关MOS管布置在印制电路板的顶层；第一接插件的第一管脚接高重频窄脉冲驱动信号，第二管脚接地；第二接插件的第一管脚接高压发生电路的高压源，第二管脚接地。

进一步，在驱动电路布线中，电流放大芯片和开关MOS管之间的距离尽量大，从激光二极管接地脚与开关MOS管的源级之间通过长且细的连线连接；开关MOS管、激光二极管、第一电容、第二电容之间的连线距离尽量短

本发明与现有技术相比，其显著优点在于，应用MOS管作为开关器件，开关时间短，瞬间产生电流大，激光二极管发射出的脉冲激光瞬时功率强，且由于在PCB板电路布局时，充分考虑走线的寄生电感和电容效应，对驱动电路进行合理布局，减少了激光二极管发射出的波形震荡，从而有效提高激光测距的作用距离和精度。

附图说明

图1是本发明基于光电二极管的脉冲发射电路中的高压发生电路。

图2是本发明基于光电二极管的脉冲发射电路中的驱动电路。

图3是图2所示电路的PCB版图。

图4为本发明基于光电二极管的脉冲发射电路的实测波形图。

具体实施方式

容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明基于光电二极管的脉冲发射电路的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。

以激光二极管SPLPL90_3为例，本发明所述脉冲激光发射电路，包括激光二极管SPLPL90_3的高压发生电路和驱动电路，高压发生电路为驱动电路提供高压源。

结合图1，激光二极管SPLPL90_3的高压发生电路包括外部电压源VCC、开关三极管Q2(ZTX497)、第一电感L1、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第二二极管D2、第三二极管D3；其中，第三电阻R3的第一端与外部电压源VCC相连，第二端与第一电感L1的第一端相连，第一电感L1的第二端与开关三极管Q2的集电极相连，开关二极管Q2的基级与第四电阻R4串联后接前端提供的10KHz的控制信号，开关二极管Q3的发射级接地，第三电容C3的第一端和第四电容C4的第一端分别接在三电阻R3的两端，第三电容C3的第二端和第四电容C4的第二端均接地，第二二极管D2的第一端与开关二极管Q2的集电极相连，第二端与第五电阻R5相连，第三二极管D3的第一端与开关二极管Q2的集电极相连，第二端接地，第五电容C5的第一端与第二二极管D2的第二端相连，第二端连接地，第五电阻R5的第二端与第六电容C6的第一端相连后作为高压源HV提供给驱动电路；第六电容C6的第二端接地。

10KHz的方波控制开关三极管Q2的开断，在三极管Q2断开期间，电源电压给储能电感充电，三极管Q2闭合期间，储能电感瞬间放电产生高压，高压被存放在储能电容中，通过负载取出，由此产生150V的高压。

结合图2，激光二极管SPLPL90_3的驱动电路包括外部电压源VCC、高压源HV、电流放大芯片U1(MIC4452)、开关MOS管Q1(IRF644)、激光二极管D1(SPLPL90_3)、第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1、第二电容C2；其中，电流放大芯片U1的两个电源脚VS相连后接外部电压源VCC，电流放大芯片U1的信号输入脚IN接前端送入的高重频窄脉冲(50KHz、40ns)驱动信号，电流放大芯片U1的两个接地脚GND相连并且一并接地端，电流放大芯片U1的两个输出脚OUT相连并且一并接到第一电阻R1的第一端，第一电阻R1的第二端与开关MOS管Q1的栅极相连，开关MOS管Q1的漏极与第二电阻R2的第二端相连，开关MOS管Q1的源级接地，第二电阻R2的第一端与高压源HV相连，第一电容C1与第二电容C2并联后，一端与开关MOS管的漏极相连，另一端与激光二极管SPLPL90_3的负端相连，激光二极管SPLPL90_3的正端接地。

在激光二极管SPLPL90_3的驱动电路中，高重频窄脉冲的驱动信号通过电流放大芯片U1进行电流放大，放大后的信号输入到开关MOS管Q1的栅极，用于控制开关MOS管Q1的开断，在开关MOS管Q1关闭时间内，通过压发生电路提供的高压源HV对储能电容C1和C2充电，储能电容C1和C2在开关MOS管Q1开启时间内，通过激光二极管SPLPL90_3所在回路瞬间放电，产生大电流，从而发射出高重频窄脉冲的激光。

结合图3，激光二极管SPLPL90-3驱动电路用PCB(印制电路板)实现，包括第一接插件P1、第二接插件H2、第一电阻R1、开关MOS管Q1、激光二极管D1(SPLPL90_3)、电流放大芯片U1，第二电阻R2；其中，激光二极管D1、第二电阻R2布置在PCB版的底层(bottom Layer)，第一接插件P1、第二接插件H2、第一电阻R1、开关MOS管Q1布置在PCB版的顶层(top Layer)。第一接插件P1的第一管脚接50KHz、40ns的高重频窄脉冲驱动信号，第二管脚接地；第二接插件H2的第一管脚接高压源HV，第二管脚接地，第三管脚为12V，第四管脚为GND。

考虑到激光二极管D1的驱动电路工作时瞬间充放电，会产生瞬间大电流，因此将驱动电路制成PCB板时需特别考虑走线电感的影响。激光二极管D1的驱动电路布局布线中，电流放大芯片U1和开关MOS管Q1之间的距离应当尽量大，并且从激光二极管D1第四管脚(接地脚)接出来的GND需要通过长且细的连线连接到开关MOS管Q1的源级，实现电流放大芯片U1和开关MOS管Q1接地端走大回路连接。开关MOS管Q1(IRF644)、激光二极管D1(SPLPL90_3)、第一电容C1、第二电容C2之间的连线距离越短越好，第一电容C1、第二电容C2选取大小为0805的封装，电路板布局时开关MOS管Q1、激光二极管D1管脚之间相距为2mm，制成PCB板后将第一电容C1、第二电容C2直接焊接在开关MOS管Q1、激光二极管D1的管脚之间，用以来减少走线电感。

电路布局布线对发射的波形影响很大，在设计印制电路板(PCB)时，电流放大芯片MIC4452的接地线在版图范围内越大越好，MOS管的漏极(D级)与充电电容、充电电容与SPLPL90_3之间的间距越小越好。实际完成时，PCB版图上只留出MIC4452、MOS管和相关电阻的焊接点，储能电容和SPLPL90_3都直接焊接在MOS管的引脚上，减少电路的寄生电感。

结合图4，为本实施例基于激光二极管SPLPL90_3的脉冲激光发射电路发射出的脉冲激光波形，波形利用Tektronix公司的DPO3054示波器(带宽500MHz，采样速率2.5GS/s)采得，波形重复频率为50KHz，脉冲宽度为10ns，上升时间为6ns，完全符合高重频窄脉冲的要求。

Claims (5)

1.一种基于激光二极管的脉冲激光发射电路，其特征在于，包括激光二极管的高压发生电路和驱动电路，高压发生电路为驱动电路提供高压源。

2.如权利要求1所述基于激光二极管的脉冲激光发射电路，其特征在于，高压发生电路包括开关三极管、第一电感、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第二二极管、第三二极管；其中，第三电阻的第一端与外部电压源相连，其第二端与第一电感的第一端相连；第一电感的第二端与开关三极管的集电极相连；开关二极管的基级与第四电阻串联后接前端提供的控制信号，开关二极管的发射级接地；第三电容的第一端和第四电容的第一端分别接在三电阻的两端，第三电容的第二端和第四电容的第二端均接地；第二二极管的第一端与开关二极管的集电极相连，其第二端与第五电阻相连；第三二极管的第一端与开关二极管的集电极相连，其第二端接地；第五电容的第一端与第二二极管的第二端相连，其第二端连接地；第五电阻的第二端与第六电容的第一端相连后作为高压源提供给驱动电路；第六电容的第二端接地。

3.如权利要求1所述基于激光二极管的脉冲激光发射电路，其特征在于，驱动电路包括电流放大芯片、开关MOS管、激光二极管、第一电阻、第二电阻、第一电容、第二电容；其中，电流放大芯片的两个电源脚相连后接外部电压源；电流放大芯片的信号输入脚接前端送入的高重频窄脉冲驱动信号，电流放大芯片的两个接地脚相连后一并接地，电流放大芯片的两个输出脚相连一并接第一电阻的第一端；第一电阻的第二端与开关MOS管的栅极相连，开关MOS管的漏极与第二电阻的第二端相连，开关MOS管的源级接地；第二电阻的第一端与高压发生电路的高压源相连；第一电容与第二电容并联后，一端与开关MOS管的漏极相连，另一端与激光二极管的负端相连；激光二极管的正端接地。

4.如权利要求3所述基于激光二极管的脉冲激光发射电路，其特征在于，驱动电路用印制电路板方式实现，印制电路板中包括第一接插件、第二接插件；激光二极管、第二电阻布置在印制电路板的底层；第一接插件、第二接插件、第一电阻、开关MOS管布置在印制电路板的顶层；第一接插件的第一管脚接高重频窄脉冲驱动信号，第二管脚接地；第二接插件的第一管脚接高压发生电路的高压源，第二管脚接地。

5.如权利要求4所述基于激光二极管的脉冲激光发射电路，其特征在于，在驱动电路布线中，电流放大芯片和开关MOS管之间的距离尽量大，从激光二极管接地脚与开关MOS管的源级之间通过长且细的连线连接；开关MOS管、激光二极管、第一电容、第二电容之间的连线距离尽量短。