设计和测试快速激光驱动器电路

自从 Theodore H Maiman 在50年前发明激光器以来，激光被广泛应用到各种技术领域，例如通信，工业生产，以及传感器和测量设备。通信行业关注的是高达GHz范围的高速传输频率，工业生产主要关注的目标通常是高速的超短范围内纳秒级脉冲光功率。在传感器和测量应用的挑战是设计快速激光驱动器电路，这是一个非常苛求的任务。

下面的文章描述激光驱动器电路设计，PCB布局和光学测量注意事项，以及设计一个脉冲宽度短到2.5ns的理想解决方案。

目录

集成激光驱动器解决方案

快速激光驱动器电路设计注意事项

布局要求

测量激光脉冲

4.1）从示波器到光学仪器

4.2）从计算机到光学USB仪器

设计检查

概要

1）集成激光驱动器解决方案

传统的激光二极管驱动器电路通常使用分立元件，用于低成本和低性能应用。集成激光驱动器的优势解决方案是:

1.       提高输出功率的稳定性（1%或优于1%）

2.       减少板子空间（减少80%以上）

3.       错误监控

4.       较好的动态性能

5.       提高了可靠性/MTBF

 用于快速开关，集成驱动器是必须的，因为减小PCB分布电感和分布电容是允许更快速信号变化的主要方法。

2）快速激光驱动器电路设计注意事项

  用于测量和传感器领域的激光器光源通常是半导体二极管激光器，光学输出功率从几个微瓦到几百个毫瓦。集成电路可方便地和安全地控制半导体激光二极管，光谱覆盖整个可见光到红外光范围。最新研发的全类型集成激光驱动器解决方案支持开关频率高达155 MHz以及激光驱动电流高达300 mA。图1所示的原理图是iC-NZN的应用电路。它的工作电压从3.3V 到5.5V，可以去驱动N,M和P型激光二极管带或者不带监控二极管。

图1.全类型激光二极管驱动器电路

  支持两种工作模式，自动功率控制（APC）和自动电流控制（ACC）。光学输出功率各自不同。驱动电流由电阻PMD/RMD设置，如上面图1所示。如果采用一个合适的PCB布局，脉冲宽度可以达到小于3.5ns以及脉冲上升沿和下降沿时长（t_r/t_f）为1.5ns（最大）。在这种情况下应该采用LVDS输入信号替代TTL电平来减少EMI。iC-NZN的特点是提供了一个低边输出（专门为N型激光二极管优化），iC-NZP的特点是提供了一个高边输出（专门为P型激光二极管优化）。为了保护激光二极管，特别是在APC模式，通过管脚VDDA的最大驱动电流可以由电阻RSI来限制。

  对于更高功率的激光脉冲，例如电流开关iC-HG，提供一个集成的解决方案。它的特点是可提供6个带尖峰释放的电流开关，每个开关切换电流为500mA，而且这些开关可以并联起来达到3A DC 电流。脉冲宽度可以低至2.5ns，峰值电流可达9A。最大开关频率200MHz，上升和下降沿时长1ns（最大）。最大占空比取决功率耗散和iC-HG的散热情况。

图2：CW驱动电流可达3A，脉冲驱动可达9A的激光驱动电路

  输入EN1和EN2使用LVDS模式带100欧姆线路终端电阻。激光器电源电压（最大12V）由两个低ESR钽电容缓冲以及使用两个瓷片电容进行RF滤波。iC-HG监控LVDS输入信号，如果幅度低于50%，会在管脚NER产生一个错误信号，电源电压和芯片温度也被监控。当欠压和过载时NER信号也会产生。每个通道的电流可以通过控制CIx的电压来设置。它也可以被用来做模拟调制。最大调制频率典型值2MHz，CIx的输入电容是调制频率的限制因素。

3）布局要求

对于非常短的激光脉冲，激光驱动模块的布局是挑剔的。由于快速开关的瞬态过程，当设计PCB时传输线路低电感是要记住的关键。图3a所示的是一个iC-HG高速驱动模块的例子，图3b是布局的细节。推荐布局指导方针如下：

• 保持从驱动器到激光二极管的线路和回路尽可能的短（每个mm都要考虑）；

• 放置储能/旁路电容在驱动器IC电源和地线附近；

• 选择低ESR电容（使用两个电容并联来减小ESR）；

• 分开AGNDx和GND大面积铺地(仅在公共地处连接)；

• 确保DFN封装的散热PAD的散热

图3a：高速激光驱动模块

图3b：高速激光驱动模块布局

4）测量激光脉冲

4.1）从示波器到光学仪器

为了激光二极管脉冲的光学测量，需要一台高速示波器和一个附加的高速光电接收器。此光电接收器应该在相关频谱范围具有高灵敏度以及尽可能宽的带宽，从DC到GHz范围，以便激光脉冲的幅度和快速脉冲的边沿同样可以被测量。

图4a所示的是一个典型的光学测量装置，使用iC212高速光电接收器作为示波器的一个适配器。在这个例子里，使用一个大约12.5ns的40mW的激光脉冲发生器，脉冲幅度和上升沿时长可以使用示波器测量。示波器需要一个合适的高模拟带宽，工作频率也要到GHz范围。图4b所示的是光学脉冲响应。

为了知道准确的激光脉冲形状，仅有一个电气测量激光电流是不够的。由于激光二极管的特性，测量结果会大不同。因此必须测量激光二极管的光学输出。这通常是通过使用一个扩展常规实验室设备用于电子测量。可能的方法有扩展常规示波器或者试验用PC来测量光学的激光光束。

图4a：激光二极管模块测量装置                图4b：光电接收器iC212的激光脉冲

使用iC212光电接收器                            测量结果

 iC212是专门为此类测量而设计的光电接收器，它是第一个此类装置，结合一个带宽范围从直流到1.4 GHz的宽光谱灵敏度，波长从320至1000nm（见图5）。它可以测量连续波和脉冲光功率，瞬态低至280ps。

图5：光电接收器频谱灵敏度

  iC212在波长760nm处的增益因数是1.625V/mW。这允许光学功率测量低至子毫瓦范围。激光脉冲的上升沿和下降沿时长可以直接从示波器读出。然后光学功率可以由测量得到的幅度除以相关波长的灵敏度得出。

图6：测量功率

图6所示的示波器测量波长为635nm。灵敏度由图5得出，在635nm处，S=1.34V/mW。光学功率有下面的式子计算，其中，U是从示波器读出的幅度。

Popt(iC212) = U / S = 0.803 V / 1.34 V/mW = 0.60 mW

除了激光二极管和激光模块的光学测量，IC212也可用来测量玻璃纤维传输线，光学传输时间，照度或者激光系统的光学触发或者错误检测测试。

4.2）从计算机到USB光学仪器

  另一个选择是iC227数字示波器，通过USB连接到实验计算机。它是一个非常快速和精确的双通道8GHz顺序采样示波器，基于微控制器和高速ECL差分电路。微控制器经过隔离的全速USB接口通信，全速速率12 Mbits/s。顺序工作范围是由在触发和采样电路之间插入增量时延完成。ADC转换随着一个触发事件开始以10皮秒增量采样。图7所示的是iC227配置成 4 GHz双通道示波器的功能原理。连接到iC212的被测部件来构成一个完整的光学计算机仪器。

iC227主要特性如下：

• 8 GHz带宽

• 触发输入带宽2 GHz

• 时基范围25ps到100us

• 垂直12位分辨率

• 时基精度1.5%FS+/-10ps

• 垂直精度随着CH1/CH2输入 3%FS

• 最小触发频率10KHz

• 垂直刻度10到1000 mV

• 最大输入采样电压2Vpp，触发输入4Vpp

图7：USB示波器功能原理

 由采样原理可知，IC227仅采用重复信号工作。然后，需要一个数字脉冲发生器来完成测试装置。图8所示的是iC149脉冲发生器。它产生脉冲宽度从1到64ns，步长增量0.25ns。固定频率1MHz以及提供LVDS和TTL输出。管脚连接兼容iC-HG和iC-NZN/NZP评估板。

图8：脉冲发生器管脚连接适用iC-HG/NZN/NZP评估板

脉冲宽度可由两位二进制码旋转开关设置。举个例子说明，一个完整的测试装置如图9所示。

  它由一个光学测试台组成，包括iC-NZN评估板和脉冲发生器iC149。接收器方iC212光电接收被用来和iC227一起工作，iC227带宽设置为8GHz，iC212光电接收器直接连接到通道1。”Input via Trigger“复选框必须保持未选。

图9：光学测量采用计算机USB光学仪器

iC212光电接收器输出直接连接到”SAMPLER IN1“ ”Input via Trigger“复选框必须保持未选。

5）设计检查

对于高速激光驱动器设计，推荐注重考虑以下项目：

• PCB板布局见以上第3项

• 示波器带宽要充分考虑快速跃迁和过冲

• iC-HG在LDKx的过冲输出不应该超过最大值12V

• iC-NZN在LDK的过冲输出不应该超过15V，正常值为12V

6）概要

新一代基于iC-HG的激光驱动器电路能够产生高功率激光脉冲，脉宽低于3.5ns。为了在相关应用中能精确达到这个目标，需要优化PCB设计来减小分布电感。需要专用工具来测量光学输出的上升沿和下降沿时长。光电接收器iC212，脉冲发生器iC149和数字USB示波器iC227是这些测量设备新的选择。