CN117294294A - 一种基于氮化镓mos管的电光q开关驱动电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光器领域，具体为一种基于氮化镓MOS管的电光Q开关驱动电路，包括供电模块、信号输入模块与信号输出模块，供电模块设有电源输入接口J1、稳压器U1、转换器U2与稳压器U3，信号输入模块包括输入接口J2、反相器U4与反相器U5，信号输出模块包括氮化镓MOS管Q3、有源晶振信号源TCXO1与Q开关接口J3，本发明是基于氮化镓MOS管的电光Q开关驱动电路，本发明采用成本较低、技术较为成熟的氮化镓MOS管代替传统驱动电路的高频器件，氮化镓MOS管能满足高效率、高频、脉冲宽带可调、峰值功率高等性能要求的同时，降低生产成本，提高射频功率放大器的效率。
Description
技术领域
本发明涉及激光器领域，特别涉及一种基于氮化镓MOS管的电光Q开关驱动电路。
背景技术
在脉冲激光器中利用晶体的电光效应可以制成电光Q开光器件，电光调Q具有开关时间短，效率高，控制精确，输出脉冲宽度窄，峰值功率高等优点，已经成为目前应用最为广泛的一种调Q技术，同时对能驱动Q开关的驱动电路也有较高的要求。
如激光器用光电Q开关驱动电路（公开号：CN208753722U，公开日：2019-04-16），包括耦接于电源以对激光器进行供电的电源电路，所述电源电路包括相互并联的第一供电电路、第二供电电路以及第三供电电路；还包括耦接于所述第一供电电路以发射射频信号以启动光电Q开关的发射电路，耦接于所述第二供电电路以为所述发射电路提供高频信号的信号发送电路，耦接于所述第三供电电路并接收TTL脉冲信号以开闭所述发射电路的开关电路。
该驱动电路通过并联设置的第一供电电路、第二供电电路以及第三供电路对一个电源所提供的电压进行分压，以使发射电路、信号发送电路以及开关电路都能得到与自身所需电压量相适配且能够进行工作的电压，有利于减少电量的损耗。
但该驱动电路需要信号发射电路，开关电路与发射电路之间信号传递，导致Q开关的效率较低，同时该驱动电路采用的高频器件成本较高，以致Q开关的成本较高。
发明内容
针对背景技术中存在的技术缺陷，本发明提出一种基于氮化镓MOS管的电光Q开关驱动电路，解决了上述技术问题以及满足了实际需求，具体的技术方案如下所示：
一种基于氮化镓MOS管的电光Q开关驱动电路，包括供电模块、信号输入模块与信号输出模块，所述供电模块电性连接信号输入模块与信号输出模块，所述信号输入模块的输出端电性连接信号输出模块的输入端；
所述供电模块设有电源输入接口J1、稳压器U1、转换器U2与稳压器U3，所述电源输入接口J1的引脚1通过开关管Q1电性连接稳压器U1输入端，所述稳压器U1输出端电性连接转换器U2输入端与稳压器U3输入端；
所述信号输入模块包括输入接口J2、反相器U4与反相器U5，所述输入接口J2的引脚1通过开关管Q2电性连接开关管Q1，所述输入接口J2的引脚3电性连接反相器U4的输入端，所述反相器U4的输出端电性连接反相器U5的输入端，所述反相器U4与反相器U5之间设有峰值控制电路；
所述信号输出模块包括氮化镓MOS管Q3、有源晶振信号源TCXO1与Q开关接口J3，所述反相器U5的输出端电性连接氮化镓MOS管Q3输入端，所述反相器U5与氮化镓MOS管Q3之间设有可调电阻RW2，所述有源晶振信号源TCXO1输出端通过LC并联谐振电路电性连接氮化镓MOS管Q3输入端，所述氮化镓MOS管Q3输出端通过T型阻抗匹配电路电性连接Q开关接口J3，所述开关管Q1电性连接T型阻抗匹配电路输入端。
作为本发明的进一步技术方案，所述供电模块通过电源输入接口J1电性连接电源，所述信号输入模块通过输入接口J2电性连接外界信号，所述信号输出模块通过Q开关接口J3电性连接Q开关。
作为本发明的进一步技术方案，所述稳压器U1输出端供电给LED1，所述LED1与稳压器U1输出端之间串联电阻R7。
作为本发明的进一步技术方案，所述开关管Q2的漏极电性连接开关管Q1的栅极，所述输入接口J2的引脚1通过控制开关管Q2的栅极来控制接开关管Q1，所述J1的引脚2与输入接口J2的引脚2分别电性连接地线。
作为本发明的进一步技术方案，所述反相器U4由与非门组成，所述稳压器U1的输出端供电给反相器U4，所述反相器U5由反相比例运算电路组成，所述稳压器U1与转换器U2的输出端分别供电给反相器U5。
作为本发明的进一步技术方案，所述峰值控制电路由二极管D1、电阻R8、电容C16、电容C17与可调电阻RW1组成，所述二极管D1正极电性连接反相器U4输出端，所述电容C17与可调电阻RW1并联后与电阻R8串联并形成支路，所述支路并联反相器U4输入端以及电容C16后与二极管D1串联。
作为本发明的进一步技术方案，所述稳压器U3输出端供电给有源晶振信号源TCXO1，所述LC并联谐振电路由电容C22、电阻R14、电感L2与电容C21组成，所述有源晶振信号源TCXO1的输出端串联电容C22与电阻R14后并联电感L2与电容C21，所述氮化镓MOS管Q3输入端与LC并联谐振电路之间设有电容C20。
作为本发明的进一步技术方案，所述T型阻抗匹配电路由电容C24、电容C25与电感L3组成，所述氮化镓MOS管Q3输出端串联电容C24后电性连接电感L3，所述电感L3电性连接Q开关接口J3，所述电感L3并联电容C25。
本发明具有的有益效果在于：
本发明是基于氮化镓MOS管的电光Q开关驱动电路，本发明采用成本较低、技术较为成熟的氮化镓MOS管代替传统驱动电路的高频器件，并为此设计相应的Q开关驱动电路，氮化镓MOS管能满足高效率、高频、脉冲宽带可调、峰值功率高等性能要求的同时，降低生产成本，提高射频功率放大器的效率。
本发明利用反相器、有源晶振信号源与氮化镓MOS管之间的特性制作成驱动电路，利用输入信号的高低电平来控制氮化镓MOS管的功率输出，减少了中间的传输环节，节省电源供应，提高工作效率。
附图说明
图1为一种基于氮化镓MOS管的电光Q开关驱动电路整体电路图。
图2为一种基于氮化镓MOS管的电光Q开关驱动电路的供电模块的电路图。
图3为一种基于氮化镓MOS管的电光Q开关驱动电路信号输入模块的电路图。
图4为一种基于氮化镓MOS管的电光Q开关驱动电路信号输出模块的电路图。
其中：供电模块1、信号输入模块2、峰值控制电路21、信号输出模块3、LC并联谐振电路31、T型阻抗匹配电路32。
具体实施方式
下面结合附图1~4与相关实施例对本发明的实施方式进行说明，本发明的实施方式不局限于如下的实施例中，并且本发明涉及本技术领域的相关必要部件，应当视为本技术领域内的公知技术，是本技术领域所属的技术人员所能知道并掌握的。
激光器从运行上分为连续激光器和脉冲激光器，脉冲激光器是指单个激光脉冲宽度小于0.25秒、每间隔一定时间才工作一次的激光器，它具有较大输出功率，适合于激光打标、切割、测距等。调Q和锁模是得到脉冲激光的两种最常用的技术。
调Q技术也叫做Q开关技术，是一种获得高峰值功率、窄脉宽激光脉冲的技术。调Q技术的工作原理如下：
在光泵浦初期设法将谐振腔的Q值降低，从而抑制激光振荡的产生，使工作物质上能量粒子数得到积累。随着光泵的继续激励，上能级粒子数逐渐积累到最大值，此时突然将谐振腔的Q值调高，那么积累在上能级的大量粒子便雪崩式地跃迁到激光下能级，在极短的时间内将储存的能量释放出来，从而获得峰值功率极高的激光脉冲输出。
目前市场上常用的调Q开关的驱动器都是使用国外进口的芯片制作而成，其成本高，且不能满足电路性能及个性化需求。
本发明中所述的电性连接为电线连接。
本发明提供一种基于氮化镓MOS管的电光Q开关驱动电路，如图1所示，包括供电模块1、信号输入模块2与信号输出模块3，供电模块1电性连接信号输入模块2与信号输出模块3，信号输入模块2的输出端电性连接信号输出模块3的输入端，信号输出模块3设有氮化镓MOS管Q3。
本发明是基于氮化镓MOS管的电光Q开关驱动电路，本发明采用成本较低、技术较为成熟的氮化镓MOS管代替传统驱动电路的高频器件，并为此设计相应的Q开关驱动电路，氮化镓MOS管能满足高效率、高频、脉冲宽带可调、峰值功率高等性能要求的同时，降低生产成本，提高射频功率放大器的效率。
本发明利用输入信号的高低电平来控制氮化镓MOS管的功率输出，减少了中间的传输环节，节省电源供应，提高工作效率。
如图2所示，供电模块1设有电源输入接口J1、稳压器U1、转换器U2与稳压器U3，电源输入接口J1的引脚1通过开关管Q1电性连接稳压器U1输入端，稳压器U1输出端电性连接转换器U2输入端与稳压器U3输入端，供电模块1通过电源输入接口J1电性连接电源。
电源通过电源输入接口J1接入12V电压，而后通过稳压器U1降压为5V电压输出，损坏LED1保护5V电压经由转换器U2变换为—5V电压输出，同时5V电压经通过稳压器U2降压为3.3V电压输出。
稳压器U1输出端供电给LED1，LED1与稳压器U1输出端之间串联电阻R7，LED1作为提示灯，而电阻R7能LED1的安全，防止电流过大。
如图3所示，信号输入模块2包括输入接口J2、反相器U4与反相器U5，信号输入模块2通过输入接口J2电性连接外界信号，输入接口J2的引脚1为电源使能端，输入接口J2的引脚1通过开关管Q2电性连接开关管Q1，开关管Q2的漏极电性连接开关管Q1的栅极，输入接口J2的引脚1通过控制开关管Q2的栅极来控制接开关管Q1，J1的引脚2与输入接口J2的引脚2分别电性连接地线。
在该模块中，控制信号通过控制开关管Q2的栅极，控制开关管Q2的开关，开关管Q2的漏极电性连接开关管Q1的栅极，开关管Q2控制开关管Q1的开关，当控制信号通过输入接口J2的引脚1输入高电平，导通开关管Q2，进而导通开关管Q1，开启电源，供电模块1开始给信号输入模块2与信号输出模块3供电。
输入接口J2的3脚为调Q频率输入端，输入接口J2的引脚3电性连接反相器U4的输入端，反相器U4由与非门组成，与非门具有组成简单、逻辑操作清晰、传输延迟小等优点，稳压器U1的输出电压5V供电给反相器U4，反相器U4的输出端电性连接反相器U5的输入端，反相器U4与反相器U5之间设有峰值控制电路21。
峰值控制电路21由二极管D1、电阻R8、电容C16、电容C17与可调电阻RW1组成，二极管D1正极电性连接反相器U4输出端，电容C17与可调电阻RW1并联后与电阻R8串联并形成支路，支路并联反相器U4输入端以及电容C16后与二极管D1串联。
本发明的峰值控制电路21由峰值检波电路改进而来，其原理利用电容的充放电。
交流信号在正半周期的一段时间内，二极管D1相当于短路，信号的正半周期直接加在电容C16上对它进行充电，电容C16上的电压很快就会达到交流信号的峰值。达到峰值后，由于交流信号电压开始减小，电阻R8与可调电阻RW1上的电压维持不住，电容开始向电阻R8与可调电阻RW1开始放电，这个过程放电是很慢的。
在交流信号的负半周期，由于二极管D截止，电容C16的电压不能突变，所以电容上还维持着一部分电压，此时，电容C16也向电阻R8与可调电阻RW1放电。电阻所在的支路采用电阻R8与可调电阻RW1串联，达到控制脉冲的峰值功率的目的。
调Q频率从输入接口J2的引脚3经反相器U4反向后输出，并通过峰值控制电路21控制脉冲的峰值功率。反相器U4的输出端电性连接反相器U5的输入端。
反相器U5由反相比例运算电路组成，稳压器U1与转换器U2的输出端分别输出±5V电压给反相器U5里的反相比例运算电路，反相比例运算电路使用的是差分放大器，其输入电阻非常高，这意味着输入信号对电路的影响非常小，从而提高了电路的稳定性和准确性，调Q频率经反相器U5后输出到氮化镓MOS管Q3进行信号调制。
如图4所示，信号输出模块3包括氮化镓MOS管Q3、有源晶振信号源TCXO1与Q开关接口J3，反相器U5的输出端电性连接氮化镓MOS管Q3输入端，反相器U5与氮化镓MOS管Q3之间设有可调电阻RW2，氮化镓MOS管Q3射频功放由RW2调整到合适的静态电流来满足其输出效率。
氮化镓MOS管又叫氮化镓场效应晶体管，是一类以氮化镓以及铝氮化镓为基础材料的场效应晶体管，由于氮化镓材料具有良好的散热性能、高的击穿电场、高的饱和速度，氮化镓场效应晶体管在大功率高频能量转换和高频微波通讯等方面有着远大的应用前景。
本发明采用成本低的氮化镓MOS管器件代替成本高的射频器件，满足本发明高效率、高频、脉冲宽带可调、峰值功率高等性能要求。
有源晶振信号源TCXO1输出端通过LC并联谐振电路31电性连接氮化镓MOS管Q3输入端，稳压器U3输出端供电给有源晶振信号源TCXO1，LC并联谐振电路31由电容C22、电阻R14、电感L2与电容C21组成，有源晶振信号源TCXO1的输出端串联电容C22与电阻R14后并联电感L2与电容C21，氮化镓MOS管Q3输入端与LC并联谐振电路31之间设有电容C20。
有源晶振信号源TCXO1为石英谐振器的一种，石英谐振器利用电信号频率等于石英晶片固有频率时晶片因压电效应而产生谐振现象的原理制成的器件，温度补偿晶体振荡器（TCXO）是在一定的温度范围内通过一定的补偿方式，保持晶体振荡器的输出频率在一定的精度范围内（如10-7级、10-6级）的晶体振荡器，它具有开机特性好、功耗低、频率－温度稳定性高等优点。
谐振电路是基于电感和电容的相互作用原理而设计的，本发明中LC并联谐振电路31用来在众多频率信号中选择出需要的频率信号进行放大，有源晶振信号源TCXO1输出与Q开关相匹配的频率经LC并联谐振电路31谐振后，经电容C20耦合到氮化镓MOS管Q3放大。
氮化镓MOS管Q3输出端通过T型阻抗匹配电路32电性连接Q开关接口J3，开关管Q1电性连接T型阻抗匹配电路32输入端，信号输出模块3通过Q开关接口J3电性连接Q开关。
T型阻抗匹配电路32由电容C24、电容C25与电感L3组成，氮化镓MOS管Q3输出端串联电容C24后电性连接电感L3，电感L3电性连接Q开关接口J3，电感L3并联电容C25。
阻抗匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配，得到最大功率输出的一种工作状态，本发明设计的为T型阻抗匹配电路32，T型阻抗匹配电路32由一个电感和两个电容组成，通过调整三个元件的值，可以使得源阻抗和负载阻抗之间达到阻抗匹配，这种电路简单易用，适用于某些特定的频率范围。
本发明的工作原理：控制信号高电平输入到输入接口J2的引脚1导通开关管Q2，进而导通开关管Q1，开启电源，供电模块1开始供电；调Q频率输入到输入接口J2引脚3经反相器U4反向后输出峰值控制电路21电路控制脉冲的峰值功率，调Q频率的信号流经反相器U5后输出到氮化镓MOS管Q3进行信号调制。
有源晶振信号源TCXO1输出与Q开关相匹配的频率，经LC并联谐振电路31谐振后经C20耦合到氮化镓MOS管Q3放大，射频功放由RW2调整到合适的静态电流来满足输出效率，氮化镓MOS管Q3输出耦合到T型阻抗匹配电路32输出到Q开关，当调Q频率的输入信号Q-IN为高电平时氮化镓MOS管Q3输出射频功率，当输入信号Q-IN为低电平时氮化镓MOS管Q3截止无功率输出，达到节省电源能源，提高工作效率的目的。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于氮化镓MOS管的电光Q开关驱动电路，其特征在于，包括供电模块（1）、信号输入模块（2）与信号输出模块（3），所述供电模块（1）电性连接信号输入模块（2）与信号输出模块（3），所述信号输入模块（2）的输出端电性连接信号输出模块（3）的输入端；
所述供电模块（1）设有电源输入接口J1、稳压器U1、转换器U2与稳压器U3，所述电源输入接口J1的引脚1通过开关管Q1电性连接稳压器U1输入端，所述稳压器U1输出端电性连接转换器U2输入端与稳压器U3输入端；
所述信号输入模块（2）包括输入接口J2、反相器U4与反相器U5，所述输入接口J2的引脚1通过开关管Q2电性连接开关管Q1，所述输入接口J2的引脚3电性连接反相器U4的输入端，所述反相器U4的输出端电性连接反相器U5的输入端，所述反相器U4与反相器U5之间设有峰值控制电路（21）；
所述信号输出模块（3）包括氮化镓MOS管Q3、有源晶振信号源TCXO1与Q开关接口J3，所述反相器U5的输出端电性连接氮化镓MOS管Q3输入端，所述反相器U5与氮化镓MOS管Q3之间设有可调电阻RW2，所述有源晶振信号源TCXO1输出端通过LC并联谐振电路（31）电性连接氮化镓MOS管Q3输入端，所述氮化镓MOS管Q3输出端通过T型阻抗匹配电路（32）电性连接Q开关接口J3，所述开关管Q1电性连接T型阻抗匹配电路（32）输入端。
2.根据权利要求1所述的基于氮化镓MOS管的电光Q开关驱动电路，其特征在于，所述供电模块（1）通过电源输入接口J1电性连接电源，所述信号输入模块（2）通过输入接口J2电性连接外界信号，所述信号输出模块（3）通过Q开关接口J3电性连接Q开关。
3.根据权利要求1所述的基于氮化镓MOS管的电光Q开关驱动电路，其特征在于，所述稳压器U1输出端供电给LED1，所述LED1与稳压器U1输出端之间串联电阻R7。
4.根据权利要求1所述的基于氮化镓MOS管的电光Q开关驱动电路，其特征在于，所述开关管Q2的漏极电性连接开关管Q1的栅极，所述输入接口J2的引脚1通过控制开关管Q2的栅极来控制接开关管Q1，所述J1的引脚2与输入接口J2的引脚2分别电性连接地线。
5.根据权利要求1所述的基于氮化镓MOS管的电光Q开关驱动电路，其特征在于，所述反相器U4由与非门组成，所述稳压器U1的输出端供电给反相器U4，所述反相器U5由反相比例运算电路组成，所述稳压器U1与转换器U2的输出端分别供电给反相器U5。
6.根据权利要求1所述的基于氮化镓MOS管的电光Q开关驱动电路，其特征在于，所述峰值控制电路（21）由二极管D1、电阻R8、电容C16、电容C17与可调电阻RW1组成，所述二极管D1正极电性连接反相器U4输出端，所述电容C17与可调电阻RW1并联后与电阻R8串联并形成支路，所述支路并联反相器U4输入端以及电容C16后与二极管D1串联。
7.根据权利要求1所述的基于氮化镓MOS管的电光Q开关驱动电路，其特征在于，所述稳压器U3输出端供电给有源晶振信号源TCXO1，所述LC并联谐振电路（31）由电容C22、电阻R14、电感L2与电容C21组成，所述有源晶振信号源TCXO1的输出端串联电容C22与电阻R14后并联电感L2与电容C21，所述氮化镓MOS管Q3输入端与LC并联谐振电路（31）之间设有电容C20。
8.根据权利要求1所述的基于氮化镓MOS管的电光Q开关驱动电路，其特征在于，所述T型阻抗匹配电路（32）由电容C24、电容C25与电感L3组成，所述氮化镓MOS管Q3输出端串联电容C24后电性连接电感L3，所述电感L3电性连接Q开关接口J3，所述电感L3并联电容C25。
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