DE102007004391B3 - Driver circuit for driving of electro-optical elements, particularly pockel cells, has compensation circuit that is attached at H-bridge in order to stabilize dropping voltage at element, where compensation circuit has auxiliary condenser - Google Patents
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Abstract
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft einen Treiber zum Schalten von Bauelementen, insbesondere Pockelszellen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The The invention relates to a driver for switching components, in particular Pockels cells, according to the preamble of claim 1
Treiberschaltungen, auf die hier Bezug genommen wird, arbeiten als schnelle Spannungsschalter, die in der Lage sind, ein Bauelement in sehr kurzen Zeitdauern ein- und auszuschalten. Die Schaltzyklen können dabei im Bereich von wenigen Nanosekunden liegen. Derartige Treiber werden insbesondere für Laseranwendungen in Verbindung mit Pockelszellen eingesetzt.Driver circuits, which are referred to herein as fast voltage switches, capable of injecting a device in very short periods of time and turn off. The switching cycles can be in the range of a few nanoseconds lie. Such drivers are used in particular for laser applications used with Pockels cells.
Eine typische Anwendung ist z. B. das Abtragen von Material eines Substrats mittels Laser. Zu diesem Zweck müssen ultrakurze Laserpulse mit hoher Energie erzeugt werden. Der Laserstrahl wird hierzu über eine Pockelszelle in einen optischen Verstärker (Resonator) eingekoppelt, durchläuft diesen so oft, bis die benötigte Energie erreicht ist, und wird danach wieder ausgekoppelt. Dabei ist es erforderlich, die Pockelszelle kurzfristig – d. h. mit einer Dauer von wenigen Nanosekunden – einzuschalten, damit der Laserpuls in den Resonator eingekoppelt wird, und die Pockelszelle nach einer vorgegebenen Umlaufzeit kurzfristig auszuschalten, um den Laserpuls wieder auszukoppeln.A typical application is z. B. the removal of material of a substrate by laser. For this purpose must ultrashort laser pulses are generated with high energy. The laser beam is about this coupled a Pockels cell into an optical amplifier (resonator), goes through this until the needed Energy is reached, and is then decoupled again. there it is necessary, the Pockelszelle short term - d. H. with a duration of a few nanoseconds - turn on, so that the Laser pulse is coupled into the resonator, and the Pockels cell switch off shortly after a specified round trip time to to decouple the laser pulse again.
Im
ausgeschalteten Zustand sind beide Schalter S1, S2 geöffnet, wie
in der Figur dargestellt ist. Beide Knotenspannungen V1, V2 befinden
sich dann auf dem Versorgungspotential V. Die an der Pockelszelle
Im Zeitpunkt t0 wird der erste Schalter S1 geschlossen (s. zugehöriges Zeitdiagramm S1). Dadurch fällt die am Knoten V1 anliegende Spannung gegen das Bezugspotential (hier Masse) und die Pockelszellen-Spannung Upc steigt gegen den Wert V an. Das Schließen des ersten Schalters S1 hat auch einen Einfluss auf die Knotenspannung V2, die zunächst leicht nach unten gezogen wird (s. zugehöriges Zeitdiagramm V2) und danach mit dem Widerstandswert R2 wieder gegen die Versorgungsspannung V steigt. Folglich ist die Pockelszellen-Spannung Upc während der Einschaltphase T1 nicht konstant und erreicht auch nicht ganz den gewünschten Sollwert V. Im Zeitpunkt t1 wird dann der Schalter S2 geschlossen. Dadurch fällt das Knotenpotential V2 auf das Bezugspotential (Masse) und die Pockelszellen-Spannung Upc wird abgebaut. Die Einschaltphase T1 ist zum Zeitpunkt t2 beendet.At time t0, the first switch S1 is closed (see associated timing diagram S1). As a result, the voltage applied to the node V1 falls against the reference potential (in this case ground) and the Pockels cell voltage U pc rises against the value V. The closing of the first switch S1 also has an influence on the node voltage V2, which is initially pulled slightly downwards (see associated time diagram V2) and then rises again with the resistance value R2 against the supply voltage V. Consequently, the Pockels cell voltage U pc is not constant during the switch-on phase T1 and also does not quite reach the desired setpoint V. At time t1, the switch S2 is then closed. As a result, the node potential V2 falls to the reference potential (ground) and the Pockels cell voltage U pc is degraded. The switch-on phase T1 is completed at the time t2.
Ab
dem Zeitpunkt t2 werden die beiden Schalter S1 und S2 wieder geöffnet. In
der folgenden Nachladephase T2 werden die beiden Knoten V1, V2 über die
zugehörigen
Widerstände
R1, R2 gegen das Versorgungspotential V gezogen. In der Nachladephase
T2 ist es wichtig, dass beide Knotenpotentiale V1, V2 möglichst
symmetrisch nach oben geführt werden.
Andernfalls ergeben sich an der Pockelszelle
Aus
der
Aus
der
Pockelszellen
im optischen Verstärker
z. B. reagieren bereits auf kleinste Spannungsänderungen und ändern ihr
optisches Verhalten entsprechend. Die Schwankung der Pockelszellen-Spannung
Upc bzw. deren Abweichung vom gewünschten
Sollwert V bzw. 0V kann somit die Funktion der Pockelszelle
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Treiberschaltung zu schaffen, mittels der ein möglichst exaktes und stetiges Einschalt- bzw. Ausschaltsignal bei Schaltzeiten im Nanosekundenbereich und darunter erzeugt werden kann.It Thus, the object of the present invention is a driver circuit to create, by means of a possible exact and continuous switch-on or switch-off signal at switching times can be generated in the nanosecond range and below.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patenanspruch 1 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.Is solved this task according to the invention by the features specified in claim 1. Further embodiments The invention are the subject of subclaims.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, die am Bauelement abfallende Spannung während der Einschaltphase mit Hilfe eines Hilfskondensators zu stabilisieren und konstant zu halten. Dem Hilfskondensator ist ein Hilfsschalter zugeordnet, mittels dessen der Hilfskondensator in bestimmten Schaltphasen zu- bzw. abgeschaltet werden kann. Dadurch können Schwankungen der Bauelement-Spannung vermieden und die Genauigkeit der Anwendung wesentlich verbessert werden. Außerdem arbeitet die Schaltung sehr verlustarm. Der Hilfsschalter kann bezüglich des Hilfskondensators entweder versorgungsseitig oder masseseitig angeordnet sein.One essential aspect of the invention is that of the component falling voltage during stabilize the switch-on using an auxiliary capacitor and keep it constant. The auxiliary capacitor is an auxiliary switch assigned, by means of which the auxiliary capacitor in certain switching phases can be switched on or off. This can cause fluctuations in the component voltage avoided and the accuracy of the application significantly improved become. Furthermore the circuit works very low loss. The auxiliary switch can with respect to the Auxiliary capacitor arranged either supply side or ground side be.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Hilfskondensator mit dem Anschlussknoten des Bauelements im zweiten Hauptpfad verschaltet.According to one preferred embodiment of Invention is the auxiliary capacitor to the terminal node of the device interconnected in the second main path.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist der Hilfskondensator mit demjenigen Versorgungspotential verbunden, von dem auch die H-Brücke versorgt wird. In diesem Fall ist die Kapazität des Hilfskondensators vorzugsweise gleich groß wie die Kapazität des getriebenen Bauelements (z. B. einer Pockelszelle). Beim Einschalten des ersten Schalters kommt es dadurch zu einem Ausgleichseffekt – die Knotenspannung am Knoten V2 wird einerseits über die Kapazität des Bauelements nach unten und andererseits über den Hilfskondensator nach oben gezogen – der bewirkt, dass die am Bauelement abfallende Spannung konstant bleibt und den gewünschten Sollwert V aufweist.According to one first embodiment the invention is the auxiliary capacitor with that supply potential connected, of which also the H-bridge is supplied. In this case, the capacity of the auxiliary capacitor is preferable the same size as the capacity of the driven device (eg a Pockels cell). When switching of the first switch, this results in a balancing effect - the node voltage at node V2 on the one hand over the capacity of the device down and on the other hand via the auxiliary capacitor upwards pulled - the causes the voltage drop across the device to remain constant and the desired one Setpoint V has.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist der Hilfskondensator mit einer Hilfs-Versorgungsspannung verbunden, die größer ist als die Versorgungsspannung der H-Brücke. Dadurch kann der Hilfskondensator kleiner gewählt werden, um den gleichen Kompensationseffekt zu erreichen, wie vorstehend beschrieben wurde. Dies hat den Vorteil, dass bei einem Schaltvorgang des Schalters S2 weniger Ladung umgeladen werden muss und das Umschalten somit schneller ablaufen kann.According to one second embodiment The invention is the auxiliary capacitor with an auxiliary supply voltage connected, which is larger as the supply voltage of the H-bridge. This allows the auxiliary capacitor chosen smaller to achieve the same compensation effect as above has been described. This has the advantage that during a switching process the switch S2 less charge must be reloaded and switching thus can run faster.
Durch eine Variation der Hilfs-Versorgungsspannung können außerdem Schwankungen der am Bauelement abfallenden Spannung verringert oder eine Drift dieser Spannung verhindert werden. Die höhere Hilfs-Versorgungsspannung kann beispielsweise mittels eines bekannten Spannungsverstärkers, wie z. B. eines Marks-Generators erzeugt werden.By A variation of the auxiliary supply voltage may also cause variations in the device decreasing voltage decreases or drifts this voltage be prevented. The higher one Auxiliary supply voltage can, for example, by means of a known Voltage amplifier, such as As a Marks generator can be generated.
Neben dem Hilfskondensator und dem Hilfsschalter ist vorzugsweise auch ein Hilfswiderstand vorgesehen. Ein Anschluss des Hilfswiderstandes ist vorzugsweise mit dem Hilfskondensator und dem Hilfsschalter verbunden. Der Hilfswiderstand kann je nach Ausführungsform entweder versorgungsseitig oder masseseitig bezüglich des Hilfskondensators angeordnet sein.Next the auxiliary capacitor and the auxiliary switch is preferably also an auxiliary resistance provided. A connection of the auxiliary resistance is preferably with the auxiliary capacitor and the auxiliary switch connected. The auxiliary resistor, depending on the embodiment, either the supply side or relative to the mass side be arranged of the auxiliary capacitor.
Der Hilfsschalter wird vorzugsweise synchron und gleichsinnig mit dem ersten Schalter geschaltet. Das heißt, der Hilfsschalter wird gleichzeitig mit dem ersten Schalter in den gleichen Zustand (offen bzw. geschlossen) geschaltet.Of the Auxiliary switch is preferably synchronously and in the same direction with the switched first switch. That is, the auxiliary switch is simultaneously with the first switch in the same state (open or closed).
Gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung ist zumindest einem der Nachladewiderstände ein Schalter zugeordnet, mittels dessen der Nachladewiderstand zu- bzw. abgeschaltet werden kann. Dadurch kann die Verlustleistung des Treibers wesentlich verringert werden.According to one third embodiment The invention is at least one of the reload resistors Assigned switch, by means of which the reload resistance or can be switched off. This can significantly reduce the power dissipation of the driver be reduced.
Der zugehörige Schalter des Nachladewiderstands wird vorzugsweise synchron, aber gegensinnig zum ersten Schalter geschaltet. Das heißt, wenn der erste Schalter geschlossen wird, wird der andere Schalter geöffnet und umgekehrt.Of the associated Switch of the recharging resistor is preferably synchronous, but switched in the opposite direction to the first switch. That is, if the first switch is closed, the other switch is opened and vice versa.
Dem Hilfswiderstand ist vorzugsweise ebenfalls ein Schalter zugeordnet, der synchron, aber gegensinnig zum ersten Schalter geschaltet wird.the Auxiliary resistance is preferably also associated with a switch, which is switched synchronously, but in opposite directions to the first switch.
Gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung kann parallel zum getriebenen Bauelement eine Diode geschaltet werden, die in der Regenerationsphase verhindert, dass die beiden Knotenspannungen des Bauelements ungleichmäßig ansteigen und somit ein Spannungsabfall über dem Bauelement entsteht. Der Verlauf der beiden Knotenspannungen V1, V2 in der Nachladephase kann auch künstlich, z. B. durch eine unsymmetrische Ausbildung der Widerstände der beiden Hauptpfade, manipuliert werden. Im Extremfall kann dabei vollständig auf den Nachladewiderstand in einem Hauptpfad, insbesondere im ersten Hauptpfad, verzichtet werden. Diese Unsymmetrie wird durch die Diode wieder ausgeglichen, da sie verhindert, dass eines der Potentiale schneller ansteigt als das andere.According to one fourth embodiment The invention can parallel to the driven device, a diode be switched, which prevents in the regeneration phase the two node voltages of the device increase unevenly and thus a voltage drop over the component is created. The course of the two node tensions V1, V2 in the recharging phase can also be artificial, z. B. by an unbalanced Training of the resistors the two main paths, to be manipulated. In the extreme case can do it completely on the recharging resistor in a main path, in particular in the first Main path, be waived. This imbalance is caused by the diode balanced again, as it prevents one of the potentials rises faster than the other.
Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung kann die erste Diode auch durch einen Schalter ersetzt werden.According to one special embodiment of the Invention, the first diode can also be replaced by a switch become.
Zwischen dem zweiten Anschlussknoten des Bauelements (im zweiten Hauptpfad) und der Versorgungsspannung V kann außerdem eine zweite Diode angeschlossen sein. Die zweite Diode verhindert, dass die Knotenspannung V2 im Falle einer Überkompensation durch den Hilfskondensator über die Versorgungsspannung V ansteigt.Between the second terminal node of the device (in the second main path) and the supply voltage V can also be connected to a second diode be. The second diode prevents the node voltage V2 in the Case of overcompensation through the auxiliary capacitor via the supply voltage V increases.
Gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung ist ein erster Regelkreis vorgesehen, der die am getriebenen Bauelement abfallende Spannung misst und während einer Regelphase, insbesondere zumindest in der Nachladephase, die Bauelement-Spannung auf einen vorgegebenen Wert regelt. Der erste Regelkreis kann beispielsweise einen Differenzverstärker umfassen, der die am getriebenen Bauelement abfallende Spannung aufnimmt. Bei Auftreten eines Spannungsabfalls moduliert der erste Regelkreis den Schalter des ersten Nachladewiderstands und sorgt somit dafür, dass die am Bauelement abfallende Spannung in der Nachladephase gleich Null bleibt.According to one fifth embodiment the invention, a first control circuit is provided, the driven on the Component voltage drops and during a control phase, in particular at least in the recharging phase, the component voltage on one fixed value. For example, the first control loop a differential amplifier include the voltage dropping across the driven component receives. When a voltage drop occurs, the first control loop modulates the switch of the first reload resistor and thus ensures that the voltage drop across the component in the recharge phase is the same Zero remains.
Optional kann auch ein zweiter Regelkreis vorgesehen sein, der die Spannungsdifferenz zwischen der Versorgungsspannung und dem zweiten Anschlussknoten des getriebenen Bauelements misst und dafür sorgt, dass die Spannung am knoten V2 die Versorgungsspannung nicht übersteigt (Schutz vor Überkompensation). Wegen der kleinen Pulsdauern von wenigen Nanosekunden wird die Spannungsdifferenz vorzugsweise gesampelt und daraus die Nachladespannung für die folgenden Pulse berechnet.optional It is also possible to provide a second control circuit which determines the voltage difference between the supply voltage and the second connection node measures the driven component and ensures that the voltage on node V2 does not exceed the supply voltage (protection against overcompensation). Because of the small pulse durations of a few nanoseconds, the voltage difference preferably sampled and from this the recharging voltage for the following Pulse calculated.
Im Falle von Hochspannungs-Treibern, die mit Spannungen von mehreren kV arbeiten, sind die Schalter und ggf. auch die Dioden des Treibers vorzugsweise als Reihenschaltung mehrerer Transistoren bzw. Dioden realisiert. Jedes Bauelement sieht dadurch nur einen Teil der Gesamtspannung und wird nicht überlastet.in the Trap of high-voltage drivers, with voltages of several kV are the switches and possibly also the diodes of the driver preferably as a series connection of a plurality of transistors or diodes realized. Each component thus sees only a part of the total voltage and will not be overloaded.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:The Invention will be exemplified below with reference to the accompanying drawings explained in more detail. It demonstrate:
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Bezüglich der
Erläuterung
von
Durch
Schalten der Schalter S1, S2, die üblicherweise als Transistoren
ausgebildet sind, wird die Pockelszelle
Im
Anfangszustand (vor dem Zeitpunkt t0) sind beide Schalter S1, S2
geöffnet,
wie in der Figur dargestellt ist. An den beiden Knoten V1, V2 liegt
das Potential V an. Zum Zeitpunkt t0 wird der erste Schalter S1
geschlossen, wodurch das Potential V1 gegen das Bezugspotential
fällt.
Die an der Pockelszelle
Wie
eingangs bezüglich
Der Hilfskondensator Ch ist dabei am Knoten V2 angeschlossen und über den Hilfsschalter Sh mit dem Versorgungspotential V verbunden. Der Hilfswiderstand Rh ist an einem Knoten Vh zwischen dem Hilfskondensator Ch und dem Hilfsschalter Sh angeschlossen und gegen das Bezugspotential geschaltet.Of the Auxiliary capacitor Ch is connected to node V2 and via the Auxiliary switch Sh connected to the supply potential V. The auxiliary resistance Rh is at a node Vh between the auxiliary capacitor Ch and the Auxiliary switch Sh connected and switched against the reference potential.
Der
Hilfsschalter Sh wird nun gleichzeitig mit dem Schalter S1 geschlossen
(siehe Signal Sh). Durch das Schließen des ersten Schalters S1
wird das Knotenpotential V2 zwar weiterhin nach unten, gleichzeitig
aber über
den Hilfskondensator Ch nach oben gezogen. Es ergibt sich somit
ein Kompensationseffekt, der bewirkt, dass die Spannung am Knoten V2
stabil bleibt. Dies ist an der Kurve V2 gut zu erkennen. Somit bleibt
auch die Pockelszellen-Spannung Upc stabil
auf dem Wert V. Eine vollständige
Kompensation der Spannung V2 wird hier erreicht, wenn die Kapazität des Hilfskondensators
Ch gleich der Kapazität
der Pockelszelle
Nach einer Zeitdauer t1 wird dann der zweite Schalter S2 geschlossen, wodurch auch das Potential am Knoten V2 gegen Masse fällt (s. Kurve V2). Sobald sichergestellt ist, dass das Potential am Knoten V2 den Endwert erreicht hat und beide Knotenspannungen V1, V2 den gleichen Wert haben, werden die beiden Hauptschalter S1, S2 geöffnet. Die Einschaltphase T1 ist nun beendet und es beginnt die Nachladephase T2.To a period t1 then the second switch S2 is closed, whereby also the potential at node V2 falls to ground (s. Curve V2). Once it is ensured that the potential at node V2 has reached the final value and both node voltages V1, V2 the same Have value, the two main switches S1, S2 are opened. The Switch-on phase T1 is now completed and the recharging phase begins T2.
Ab
dem Zeitpunkt t2 werden die beiden Knoten V1, V2 über die
Widerstände
R1 bzw. R2 wieder aufgeladen, bis das Versorgungspotential V erreicht ist
(s. Diagramme V1, V2). Wenn die H-Brücke
Die
Schaltflanken des Signals Upc, besonders
die erste Flanke (t0), werden durch die Kompensationsschaltung
Für eine vollständige Kompensation
des Knotenpotentials V2 ist es nur erforderlich, dass folgende Beziehung:
Das Hilfs-Versorgungspotential Vh kann entweder mittels einer separaten Spannungsquelle bereitgestellt oder z. B. aus der Versorgungsspannung V selbst generiert werden. Im letzteren Fall kann beispielsweise ein bekannter Spannungsvervielfacher, wie z. B. ein Marks-Generator verwendet werden.The Auxiliary supply potential Vh can be either by means of a separate Voltage source provided or z. B. from the supply voltage V self-generated. In the latter case, for example, a known voltage multiplier, such. A Marks generator be used.
Während der
Einschaltphase T1 kann die Hilfs-Versorgungsspannung Vh auch geringfügig variiert
werden, um die Knotenspannung V2 nach Wunsch zu beeinflussen. Dies
kann entweder im Rahmen einer Steuerung oder einer Regelung erfolgen.
Dadurch kann die an der Pockelszelle
Darüber hinaus ist auch im Pfad des Hilfswiderstands Rh ein zusätzlicher Schalter SRh angeordnet, mittels dessen der Knoten Vh vom Bezugspotential getrennt werden kann, wenn der Hilfsschalter Sh geschlossen ist. Der Schalter SRh wird wiederum synchron und gegensinnig zum Schalter Sh geschaltet.In addition, an additional switch S Rh is arranged in the path of the auxiliary resistor Rh, by means of which the node Vh can be disconnected from the reference potential when the auxiliary switch Sh is closed. The switch S Rh is in turn switched synchronously and in opposite directions to the switch Sh.
In
diesem Ausführungsbeispiel
sind die Widerstände
R1 und R2 nicht identisch, sondern es gilt vielmehr R1 < R2. Dadurch wird
künstlich
erreicht, dass die Spannung am Knoten V1 in der Nachladephase T2
schneller ansteigt als am Knoten V2. Die Knotenspannungen V1 bzw.
V2 werden jedoch über die
Diode D1, die parallel zur Pockelszelle
Die Diode D2 ist zwischen den Knoten V2 und das Versorgungspotential V geschaltet und dient dazu, die Brückenspannung V2 auf das Versorgungspotential V zu begrenzen.The Diode D2 is between node V2 and the supply potential V switched and serves to bridge the voltage V2 to the supply potential V limit.
Drift
und Toleranzen der elektrischen Bauteile können das Nachladeverhalten
und somit den Spannungsverlauf an den Knoten V1 und V2 in der Nachladephase
beeinflussen. Um einen möglichst symmetrischen
Anstieg der Spannungen V1, V2 zu erreichen, wird hier die Kapazität des Hilfskondensators
Ch etwas größer gewählt als
diejenige der Pockelszelle
Die Dioden D1 und D2 können entweder einzeln oder gemeinsam in der Schaltung integriert werden.The Diodes D1 and D2 can either integrated individually or jointly in the circuit.
Der
zweite Regler
Die Regelung ist aufwändiger als die vorstehend beschriebenen Schaltungen, es werden aber keine mit parasitären Kapazitäten behafteten Zusatzelemente gebraucht. Die Regler-Anordnung ist somit sehr schnell und energiesparend.The Regulation is more complex than the circuits described above, but none are with parasitic capacities used additional elements needed. The regulator arrangement is thus very fast and energy saving.
Im
Unterschied zu
Die
Schaltungen der
Claims (16)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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2007
- 2007-01-29 DE DE200710004391 patent/DE102007004391B3/en not_active Expired - Fee Related
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