CN112187254A - 多通道高压同步隔离强驱动能力高速光电探测器组件 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体光电探测领域，特别涉及一种多通道高压同步隔离强驱动能力高速光电探测器组件，组件包括机箱、屏蔽壳体，屏蔽壳体与机箱呈抽屉式安装，并在屏蔽壳体上设置有抽屉把手，屏蔽壳体内安装有高动态范围接收模块、高速光电隔离控制模块、高速低压出发驱动模块以及高速高压触发驱动模块；在机箱内安装有转接板以及高功率AC‑DC转换器，且在机箱壳体上设置有光输入接口、电输入接口、低压输出接口以及高压输出接口；本发明即可以用激光脉冲触发，也可以用电脉冲(TTL信号)触发，另外本发明具有隔离功能、能提供同步触发信号，并且本发明能输出5V～200V高压，上升时间小于等于13ns，输出脉冲宽度可调。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电探测领域，特别涉及一种多通道高压同步隔离强驱动能力高速光电探测器组件。
背景技术
光电探测器组件主要由光电探测器芯片和前置放大电路组成，工作原理为：探测器芯片将光信号转换为电流信号，经前置放大电路转换为电压信号并放大输出，满足后续电路的处理，可广泛应用于军用及民用光电转换装置等领域。目前研制的光电转换模块，在50Ω负载条件下最大输出幅度为5V；对于高功率激光器驱动或者高压隔离驱动等强辐射环境应用，该类光电转换模块无法满足应用要求。
发明内容
针对高功率激光器驱动或者高压隔离驱动等强辐射环境应用技术瓶颈，本发明提出一种多通道高压同步隔离强驱动能力高速光电探测器组件，所述组件包括机箱、多个屏蔽壳体，每个屏蔽壳体设置有滑轨，利用该滑轨令屏蔽壳体与机箱呈抽屉式安装，并在屏蔽壳体上设置有抽屉把手，每个屏蔽壳体内安装有高动态范围接收模块、高速光电隔离控制模块、高速低压出发驱动模块以及高速高压触发驱动模块；在机箱内安装有转接板以及高功率AC-DC转换器，且在机箱壳体上设置有光输入接口、电输入接口、低压输出接口以及高压输出接口。
进一步的，高动态范围接收模块用于接收光输入接口输入的信号，并将该信号转换并放大得到电压信号；高速光电隔离控制模块用于隔离接口电输入接口输入的信号以及电压信号；当输入为电脉冲时，直接经过高速光电隔离控制模块分别触发高速低压触发驱动模块和高速高压触发驱动模块输出，高速低压触发驱动模块用于产生高速TTL信号；高速高压触发驱动模块用于产生高速高压信号。
进一步的，高动态范围接收模块包括高动态范围探测器(PD)、光电转换电阻R1以及比较器A1，如图2所示，接收光输入接口输入的信号后利用观点转换电阻将该接受的信号转换为电信号，并通过高动态范围探测器进行捕捉信号，将捕捉的信号输入到比较器的正管脚，并利用比较器放大其正管脚与负管脚之间的电压差。
进一步的，高速光电隔离控制模块包括光耦、三极管Q1和场效应管Q2，高压触发信号输入三极管Q1的基极，三极管Q1的集电极与光耦输入端连接，光耦的输出端与场效应管Q2的栅极连接，场效应管Q2的源极作为高速光电隔离控制模块的输出。
进一步的，高速高压触发驱动模块包括场效应管Q4和三极管Q3，高速光电隔离控制模块的输出与场效应管Q4的漏极连接；高压触发信号输入三极管Q3的基极，三极管Q3的发射极与场效应管Q4的栅极连接，场效应管Q4的源极输出高速高压触发驱动信号。
进一步的，高速低压触发驱动模块包括与非门、单稳态触发器，接收模块的输出端以及电脉冲压作为与非门的输入，当与非的结果为1时，输入单稳触发器A3，单稳触发器A3输出高速低压同步触发信号；当与非的结果为0时，输入单稳触发器A4，单稳触发器A4输出高速高压同步触发信号。
进一步的，壳体上还设置有指示灯，指示灯包括当有高压脉冲或低压脉冲输出时，对应的高压指示灯或低压指示灯会亮起。
进一步的，转接板用于将各个驱动模块的信号通过BNC输出；高功率AC-DC变换器用于将外部供电的电源进行降压稳流之后为探测器内部的器件供电。
进一步的，高压信号输出接口串联有一个电衰减器。
进一步的，屏蔽壳体上设置有第一熔断器和第二熔断器，第一熔断器设置在220V交流输入口，第二熔断器设置在每个屏蔽壳体的直流输入口。
本发明结构设计巧妙、使用方便抗干扰能力强、多通道输出、设计了备用通道、动态范围大、响应速度快(上升时间小于等于13ns)、驱动能力强(在50Ω负载条件下输出幅度5V～200V可调)、输出脉冲宽度可调、具有信号输出指示功能。
附图说明
图1为本发明多通道高压同步隔离强驱动能力高速光电探测器组件整体结构图；
图2为本发明中高动态范围接收模块原理框图；
图3为本发明高速高压触发驱动模块和高速光电隔离控制模块结构示意图；
图4为本发明高速低压触发驱动模块结构示意图；
图5为本发明多通道高压同步隔离强驱动能力高速光电探测器组件正面结构示意图；
图6为本发明多通道高压同步隔离强驱动能力高速光电探测器组件背面结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出一种多通道高压同步隔离强驱动能力高速光电探测器组件，如图1，所述组件包括机箱、多个屏蔽壳体，每个屏蔽壳体设置有滑轨，利用该滑轨令屏蔽壳体与机箱呈抽屉式安装，并在机箱上设置有把手，如图1，每个屏蔽壳体内安装有高动态范围接收模块、高速光电隔离控制模块、高速低压出发驱动模块以及高速高压触发驱动模块；在机箱内安装有转接板以及高功率AC-DC转换器，且在机箱壳体上设置有光输入接口、电输入接口、低压输出接口以及高压输出接口。
本发明多通道高压同步隔离强驱动能力高速光电探测器组件具有抗干扰能力强，单通道光电探测器组件安装在专用屏蔽壳体内，该壳体作为抽屉插入高强度专用屏蔽机箱形成整体；组件可以由光信号触发也可以由电脉冲触发。具体工作原理为：光信号经光电探测器转换为光电流，高动态范围接收模块将光电流转换并放大为电压信号，电压信号经过高速光电隔离控制模块，防止高压信号与低压信号相互干扰；隔离后信号分别触发高速低压触发驱动模块和高速高压触发驱动模块，最终经转接板通过BNC输出；当输入为电脉冲时，直接经过高速光电隔离控制模块分别触发高速低压触发驱动模块和高速高压触发驱动模块输出；组件的供电为交流220V，内部二次电源由高功率AC-DC变换器提供；当有高压脉冲或低压脉冲输出时，对应的高压指示灯或低压指示灯会亮起。低压输出信号是作为高压输出信号的同步监测信号。
在实际安装组件时，机箱内部设置有多个屏蔽壳体滑轨对应的滑槽，方便多个屏蔽壳体安装在机箱内部，机箱侧面设置有便于抓取机箱的把手，。
作为一种可选实施方案，本实施例高动态范围接收模块包括高动态范围探测器、光电转换电阻以及比较器，接收光输入接口输入的信号后利用观点转换电阻将该接受的信号转换为电信号，并通过高动态范围探测器进行捕捉信号，将捕捉的信号输入到比较器的正管脚，并利用比较器放大其正管脚与负管脚之间的电压差，本实施例以图2中高动态范围接收模块原理框图为例，A1为比较器，型号为MAX913，其中1脚为输出端，2脚为电源地，3脚为信号输入端，4脚为比较电平设置端，6脚为电源端(+5V)。
作为一种可选实施方式，本实施例高速光电隔离控制模块包括光耦、三极管Q1和场效应管Q2，高压触发信号输入三极管Q1的基极，三极管Q1的集电极与光耦输入端连接，光耦的输出端与场效应管Q2的栅极连接，场效应管Q2的源极作为高速光电隔离控制模块的输出。
作为一种可选实施方式，本发明高速高压触发驱动模块包括场效应管Q4和三极管Q3，高速光电隔离控制模块的输出与场效应管Q4的漏极连接；高压触发信号输入三极管Q3的基极，三极管Q3的发射极与场效应管Q4的栅极连接，场效应管Q4的源极输出高速高压触发驱动信号。
本实施例以图4中高速高压触发驱动模块和高速光电隔离控制模块原理框图为例，三极管Q1和三极管Q3的型号为MPS8099；场效应管Q2和场效应管Q4为高压高速MOS管，型号为ZVN4525；
作为一种可选实施例，本实施例高速低压触发驱动模块包括与非门、单稳态触发器，接收模块的输出端以及电脉冲压作为与非门的输入，当与非的结果为1时，输入单稳触发器A3，单稳触发器A3输出高速低压同步触发信号；当与非的结果为0时，输入单稳触发器A4，单稳触发器A4输出高速高压同步触发信号，本实施例以图3高速低压触发驱动模块原理框图为例，其中与非门A2型号为DM74LS02，单稳触发器A3和单稳触发器A4型号为74HC221。
图6为多通道高压同步隔离强驱动能力高速光电探测器组件背面结构示意图，屏蔽壳体上设置有第一熔断器和第二熔断器，第一熔断器设置在220V交流输入口，第二熔断器设置在每个屏蔽壳体的直流输入口，熔断器主要是接在电源和模块电路之间器保护作用，第一熔断器前端连接交流220V，后端连接高功率AC-DC变换器；第二熔断器(共8个)前端连接每个屏蔽壳体上的正电源(+5V)，后端连接每个抽屉的电源输入口。
本发明经过试验获取了多通道高压同步隔离强驱动能力高速光电探测器组件高压输出波形在示波器上的显示情况，由于示波器50欧姆负载下最多能显示不到10V，在高压信号输出端串接了一个30dB电衰减器，电压衰减倍数为31.6倍，因此组件输出幅度为68.4V，这个参数可以根据需要进行调整(5V～200V)，在示波器上显示的电压幅度值Vamp为2.1658V，被测脉冲实际上升时间tr为12.4ns。
本发明经过试验获取了多通道高压同步隔离强驱动能力高速光电探测器组件低压信号输出波形在示波器上的显示情况，低压输出信号输出幅度为5V，为高压输出信号同步信号，从示波器中的的波形可以看出，两个信号输出脉宽为32μs左右，这个参数可以根据需要进行调整(1μs～1ms)，该参数为RC时间，通过可变电位器调整电阻值从而起到改变脉冲宽度的目的。
作为本发明的一个应用场景，在某些电磁辐射强等复杂使用环境中，需要进行信号传输。如果选择使用电信号传输，有用信号容易受到环境的影响，导致无法解析出有用信息；由于光信号受电磁辐射影响较小，因此如果选择使用光信号进行传输，同时本专利所述多通道高压同步隔离强驱动能力高速光电探测器组件设计了双重专用屏蔽机壳设计，具有较强的抗干扰能力。因此本专利所述组件为电磁辐射强等复杂环境信号高质量传输应用提供了解决方案。
作为一个本发明的另一个应用场景，由于高功率激光器需要高压高速信号进行驱动，在硅单光子探测器应用淬灭电路中，探测器需要高速几十伏过偏压信号；因此本专利所述多通道高压同步隔离强驱动能力高速光电探测器组件能够提供较好的解决方案。此外在高压开关应用中，本专利所述多通道高压同步隔离强驱动能力高速光电探测器组件能提供高压触发信号。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“外”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.多通道高压同步隔离强驱动能力高速光电探测器组件，其特征在于，所述组件包括机箱、多个屏蔽壳体，每个屏蔽壳体设置有滑轨，利用该滑轨令屏蔽壳体与机箱呈抽屉式安装，并在屏蔽壳体上设置有抽屉把手，每个屏蔽壳体内安装有高动态范围接收模块、高速光电隔离控制模块、高速低压出发驱动模块以及高速高压触发驱动模块；在机箱内安装有转接板以及高功率AC-DC转换器，且在机箱壳体上设置有光输入接口、电输入接口、低压输出接口以及高压输出接口。
2.根据权利要求1所述的多通道高压同步隔离强驱动能力高速光电探测器组件，其特征在于，高动态范围接收模块用于接收光输入接口输入的信号，并将该信号转换并放大得到电压信号；高速光电隔离控制模块用于隔离接口电输入接口输入的信号以及电压信号；当输入为电脉冲时，直接经过高速光电隔离控制模块分别触发高速低压触发驱动模块和高速高压触发驱动模块输出，高速低压触发驱动模块用于产生高速TTL信号；高速高压触发驱动模块用于产生高速高压信号。
3.根据权利要求2所述的多通道高压同步隔离强驱动能力高速光电探测器组件，其特征在于，高动态范围接收模块包括高动态范围探测器、光电转换电阻以及比较器，接收光输入接口输入的信号后利用观点转换电阻将该接受的信号转换为电信号，并通过高动态范围探测器进行捕捉信号，将捕捉的信号输入到比较器的正管脚，并利用比较器放大其正管脚与负管脚之间的电压差。
4.根据权利要求2所述的多通道高压同步隔离强驱动能力高速光电探测器组件，其特征在于，高速光电隔离控制模块包括光耦、三极管(Q1)和场效应管(Q2)，高压触发信号输入三极管(Q1)的基极，三极管(Q1)的集电极与光耦输入端连接，光耦的输出端与场效应管(Q2)的栅极连接，场效应管(Q2)的源极作为高速光电隔离控制模块的输出。
5.根据权利要求4所述的多通道高压同步隔离强驱动能力高速光电探测器组件，其特征在于，高速高压触发驱动模块包括场效应管(Q4)和三极管(Q3)，高速光电隔离控制模块的输出与场效应管(Q4)的漏极连接；高压触发信号输入三极管(Q3)的基极，三极管(Q3)的发射极与场效应管(Q4)的栅极连接，场效应管(Q4)的源极输出高速高压触发驱动信号。
6.根据权利要求2所述的多通道高压同步隔离强驱动能力高速光电探测器组件，其特征在于，高速低压触发驱动模块包括与非门、单稳态触发器，接收模块的输出端以及电脉冲压作为与非门的输入，当与非的结果为1时，输入单稳触发器(A3)，单稳触发器(A3)输出高速低压同步触发信号；当与非的结果为0时，输入单稳触发器(A4)，单稳触发器(A4)输出高速高压同步触发信号。
7.根据权利要求2所述的多通道高压同步隔离强驱动能力高速光电探测器组件，其特征在于，壳体上还设置有指示灯，指示灯包括当有高压脉冲或低压脉冲输出时，对应的高压指示灯或低压指示灯会亮起。
8.根据权利要求1所述的多通道高压同步隔离强驱动能力高速光电探测器组件，其特征在于，转接板用于将各个驱动模块的信号通过BNC输出；高功率AC-DC变换器用于将外部供电的电源进行降压稳流之后为探测器内部的器件供电。
9.根据权利要求1所述的多通道高压同步隔离强驱动能力高速光电探测器组件，其特征在于，高压信号输出接口串联有一个电衰减器。
10.根据权利要求1所述的多通道高压同步隔离强驱动能力高速光电探测器组件，其特征在于，屏蔽壳体上设置有第一熔断器和第二熔断器，第一熔断器设置在220V交流输入口，第二熔断器设置在每个屏蔽壳体的直流输入口。
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