CN106898946A - 用于半导体激光器的可调脉宽式脉冲发生电路 - Google Patents

用于半导体激光器的可调脉宽式脉冲发生电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于半导体激光器的可调脉宽式脉冲发生电路，它包括触发信号、雪崩晶体管脉冲产生电路及阶跃恢复二极管整形电路，所述触发信号、雪崩晶体管脉冲产生电路接收触发信号,阶跃恢复二极管整形电路与雪崩晶体管脉冲产生电路连接。本发明利用雪崩晶体管的雪崩特性以及阶跃恢复二极管的阶跃特性产生大幅度的窄脉冲信号。其脉冲宽度可低至165ps，且脉冲宽度可以调节，可以方便的应用于半导体激光器的驱动。

Description

用于半导体激光器的可调脉宽式脉冲发生电路
技术领域
本发明涉及电子技术领域，尤其涉及用于半导体激光器的可调脉宽式脉冲发生电路。
背景技术
脉冲式半导体激光器在光纤通讯、激光测距、激光引信、3D图像系统、数据存储等领域有着巨大的潜在应用价值。半导体激光器可以利用增益转换技术来直接产生激光脉冲，相较于固体激光器来说具有体积小价格低等优点。半导体激光器输出的光脉冲信号的特性是由电脉冲直接控制的，因此电脉冲的特性对半导体激光器光脉冲的输出特性有至关重要的影响。为了得到更高的光脉冲峰值功率，需要电脉冲信号幅值尽量大，宽度尽量小，同时脉冲宽度的可调节功能方便电路的调试，因此研究皮秒脉宽级脉冲宽度可调的脉冲发生器拥有重要的意义。
目前常用的脉冲产生方法基于以下几种技术：数字逻辑电路、CMOS集成电路与微波固态器件。
采用数字逻辑电路的竞争冒险关系来产生脉冲的方法，电路简单，成本低廉。但是产生的脉冲宽度一般在纳秒级别，并且脉冲的幅度往往不够大。基于CMOS集成电路设计的脉冲发生器，可以产生脉冲宽度100ps以下的脉冲信号，且可以直接控制脉冲的形状。然而由于需要特殊定制电路，此方法开发周期长，设计成本高，且最终输出的脉冲幅度一般仅为数伏。采用微波固态电路包括：雪崩晶体管、隧道二极管与阶跃恢复二极管等。采用此方法可以以较小的成本获得脉冲幅度高于10V的窄脉冲信号。
现有技术中脉冲发生器的输出信号脉冲宽度一般在200ps以上，并且输出脉冲的幅度不够高，且脉冲宽度不可调节，这些不足限制了脉冲信号在驱动半导体激光器中的使用。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题而提供的一种用于半导体激光器的可调脉宽式脉冲发生电路，该发生电路输出的脉冲，幅值大脉宽窄且脉冲宽度可调。
实现本发明目的的具体技术方案是：
一种用于半导体激光器的可调脉宽式脉冲发生电路，特点是该电路包括
触发信号、雪崩晶体管脉冲产生电路及阶跃恢复二极管整形电路，雪崩晶体管脉冲产生电路接收触发信号，阶跃恢复二极管整形电路连接雪崩晶体管脉冲产生电路；其中：
所述触发信号，幅度为3～8V，频率为32KHz～1.8MHz；上升时间为1ns；
所述雪崩晶体管脉冲产生电路，包括：电容C1、雪崩晶体管Q1、电阻R1、电阻R2及电容C2，所述电容C1一端连接触发信号，另一端连接雪崩晶体管Q1的基极同时连接电阻R1的一端，电阻R1另一端接地；雪崩晶体管Q1的集电极连接电容C2的一端，同时连接电阻R2，电阻R2的另一端连接电源供电电压VCC；雪崩晶体管Q1发射极直接连接至地；电容C2的另一端连接至第一阶跃恢复二极管D1的正极，耦合输出信号至阶跃恢复二极管整形电路；
所述阶跃恢复二极管整形电路，包括：第一阶跃恢复二极管D1、第二阶跃恢复二极管D2、电阻R3、电阻R4及电容C3，所述第一阶跃恢复二极管D1正极通过电阻R3连接至第一偏置电源VB1，其负极连接至地；第二阶跃恢复二极管D2正极通过电阻R4连接至第二偏置电源VB2，其负极连接至负载电阻RL；电容C3作为耦合电容连接第一阶跃恢复二极管D1的正极与第二阶跃恢复二极管D2的正极。
所述电容C2的值为10pF～50pF。
所述电阻R1的值为30～50欧姆。
所述供电电压VCC的值为15～25V，调节输出脉冲幅度。
所述偏置电源VB2的值为0.9～1.3V，调节输出脉冲宽度。
本发明有益效果：
本发明利用雪崩晶体管的雪崩特性以及阶跃恢复二极管的阶跃特性产生大幅度的窄脉冲信号。其脉冲宽度可低至165ps，且脉冲宽度可以调节，可以方便的应用于半导体激光器的驱动。
附图说明
图1为本发明具体电路图；
图2为本发明实施例电路图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进行进一步的详细说明。
本发明采用雪崩晶体管与阶跃恢复二极管等构成大幅度窄脉宽脉冲发生电路，实现脉冲宽度可调，适用于半导体激光器的驱动应用。
实施例
在本发明的实施例中，提供了用于半导体激光器的可调脉宽式脉冲发生电路，参阅图2，以下分别对本实施例的各个部分进行详细说明。
触发信号产生电路
本实施例中，触发信号产生电路为一方波发生电路，其包括：有源晶振U1及比较器U2，有源晶振U1输出端连接比较器U2的第一输入端，比较器U2的第二输入端连接固定的电压信号；其中有源晶振U1产生固定频率的正弦信号，通过比较器U2后变为具有快速上升沿的方波信号；其产生幅度为5V，重复频率为1.8M的方波信号，触发信号上升沿为1ns。
雪崩晶体管脉冲信号产生电路
该电路包括：耦合电容C1、雪崩晶体管Q1、电阻R1、电阻R2及充放电电容C2，所述耦合电容C1，其一端连接至比较器U2的输出端，另一端连接至晶体管Q1的基极；第一偏置电阻R1一端连接晶体管Q1的基极、另一端至地形成晶体管的静态偏置；晶体管Q1发射极直接连接至地，集电极通过第二偏置电阻R2连接至供电电源VCC，并通过第二耦合电容C2连接至第一阶跃恢复二极管D1的正端，耦合输出信号至阶跃恢复二极管整形电路。
阶跃恢复二极管脉冲信号整形电路
该电路包括：第一阶跃恢复二极管D1、第二阶跃恢复二极管D2、偏置电阻R3、偏置电阻R4及电容C3，第一阶跃恢复二极管D1，其正极通过偏置电阻R3连接至第一偏置电源VB1，其负极端连接至地；第二阶跃恢复二极管D2，其正极端通过偏置电阻R4连接至第二偏置电源VB2，其负极端连接至负载电阻。电容C3为阶跃恢复二极管脉冲信号整形电路的内部耦合电容。
阶跃恢复二极管脉冲信号整形电路在正向偏置状态下，第一阶跃恢复二极管与第二阶跃恢复二极管均处于导通状态，电压箝位于二极管的导通电压，电荷存储于阶跃恢复二极管的PN结附近。当触发信号到达时，阶跃恢复二极管D1与D2处于反向偏置状态，但依旧保持导通的特性，直到PN结附近存储的电荷被消耗完毕，阶跃恢复二极管的电流立即减小，在外界表现出的就是一个快速的电压阶跃信号。
本发明电路中，雪崩晶体管Q1在触发信号的作用下快速导通，产生雪崩击穿效应，通过第二充放电电容C2的放电，雪崩晶体管Q1在集电极输出大幅度的负脉冲信号；阶跃恢复二极管整形电路对雪崩晶体管脉冲信号产生的脉冲信号进行整形，产生脉宽窄的大幅度脉冲信号。最终输出的脉冲信号，其前沿被第一阶跃恢复二极管D1优化，其后沿被第二阶跃恢复二极管D2优化。同时，通过调节第二阶跃恢复二极管D2的正向偏置电流，可以调节输出脉冲的宽度。
本发明的工作方法，其改变供电电压VCC与偏置电压VB1与VB2即可调节输出脉冲宽度的幅度与宽度，实现了输出脉冲特性的可调性。
本实施例的工作过程如下：
步骤一、当触发脉冲未到来时，雪崩晶体管Q1基极通过第一电阻R1连接至地，雪崩晶体管Q1在外界电压VCC的供电下，处于临界雪崩的状态。第二充放电电容C2由VCC供电电压经过电阻R2进行充电。阶跃恢复二极管D1与D2均在偏置电压的偏置下，均处于正向偏置状态，结间存储电荷，同时箝位于导通电压。
步骤二、当触发信号到来时，雪崩晶体管Q1的偏置状态改变，由临界雪崩击穿状态转变成雪崩击穿状态，雪崩晶体管Q1迅速导通，第二充放电电容C2开始放电，输出负脉冲。
步骤三、负脉冲信号达到阶跃恢复二极管整形电路时，二极管D1处于反向偏置状态，结间存储的电荷开始消耗，但其导通电压仍保持箝位电压不变。当电荷消耗完毕后，二极管D1迅速关断，得到一个具有快速前沿的阶跃信号。此时二极管D2处于反向偏置状态，二极管D2的结间存储的电荷开始消耗。在二极管D2结间存储电荷消耗完毕的一瞬间，二极管D2迅速关断，在负载端得到一个后沿陡峭的窄脉冲信号。
步骤四、调节外界供电电压VCC可以改变最终输出脉冲的幅度。调节偏置电压VB2可以影响输出脉冲的宽度。其中，偏置电阻R3与R4阻值的选取跟SRD的型号相关。
实际测试表明，本实施例产生的脉冲信号，脉冲宽度为165ps～250ps范围内可调节，且脉冲幅度为12～15V。本实例输出的脉冲信号非常适合驱动半导体激光器。
至此，已经结合附图对本实例进行了详细的描述。根据以上描述，本领域技术人员应当对本发明用于半导体激光器的可调脉宽式脉冲发生电路有了清楚的认识。
此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体的结构、形状或方式，本领域普通技术人员可以对其进行简单的更改或替换，例如：
（1）本实例中，触发信号可直接由信号发生器产生，便于调整输出脉冲的重复频率。
（2）雪崩晶体管可以由高电压专用雪崩晶体管FMMT413代替，并提供高压供电，用于产生幅值在30V以上甚至更高幅值的脉冲信号。
（3）阶跃恢复二极管整形电路中的偏置电路可以用恒流源来进行代替。
（4）在电路的输出串联肖特基二极管，对输出脉冲信号的过冲信号进行进一步的优化整形。
综上所述，本发明利用雪崩晶体管的雪崩特性产生大幅度的脉冲信号，然后使用阶跃恢复二极管整形电路对脉冲信号进行整形，得到具有窄脉宽的大幅值脉冲信号，通过调节电源供电电压以及偏置电源，可以调节输出脉冲的宽度以及幅度，适用于半导体激光器的驱动。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，不用于限制本发明。

Claims (5)

1.一种用于半导体激光器的可调脉宽式脉冲发生电路，其特征在于该电路包括：
触发信号、雪崩晶体管脉冲产生电路及阶跃恢复二极管整形电路，雪崩晶体管脉冲产生电路接收触发信号，阶跃恢复二极管整形电路连接雪崩晶体管脉冲产生电路；其中：
所述触发信号，幅度为3～8V，频率为32KHz～1.8MHz，上升沿为1ns；
所述雪崩晶体管脉冲产生电路，包括：电容C1、雪崩晶体管Q1、电阻R1、电阻R2及电容C2，所述电容C1一端连接触发信号，另一端连接雪崩晶体管Q1的基极同时连接电阻R1的一端，电阻R1另一端接地；雪崩晶体管Q1的集电极连接电容C2的一端，同时连接电阻R2，电阻R2的另一端连接电源供电电压VCC；雪崩晶体管Q1发射极直接连接至地；电容C2的另一端连接至第一阶跃恢复二极管D1的正极，耦合输出信号至阶跃恢复二极管整形电路；
所述阶跃恢复二极管整形电路，包括：第一阶跃恢复二极管D1、第二阶跃恢复二极管D2、电阻R3、电阻R4及电容C3，所述第一阶跃恢复二极管D1正极通过电阻R3连接至第一偏置电源VB1，其负极连接至地；第二阶跃恢复二极管D2正极通过电阻R4连接至第二偏置电源VB2，其负极连接至负载电阻RL；电容C3作为耦合电容连接第一阶跃恢复二极管D1的正极与第二阶跃恢复二极管D2的正极。
2.根据权利要求1所述的可调脉宽式脉冲发生电路，其特征在于，所述电容C2的值为10pF～50pF。
3.根据权利要求1所述的可调脉宽式脉冲发生电路，其特征在于，所述电阻R1的值为30～50欧姆。
4.根据权利要求1所述的可调脉宽式脉冲发生电路，其特征在于，所述供电电压VCC的值为15～25V，调节输出脉冲幅度。
5.根据权利要求1所述的可调脉宽式脉冲发生电路，其特征在于，偏置电源VB2的值为0.9～1.3V，调节输出脉冲宽度。
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