低抖動Q開關光電轉換及觸發系統設計

摘要：“Z-Pinch”裝置時其激光觸發氣體閉合開關有嚴格時序要求。為實現四倍頻Nd：YAG激光器出光時刻的精確控制，開展了激光器Q開關光電轉換及觸發系統的研究。采用AVAGO公司的高速光電轉換器件AVAG02316TZ，將接收到的先信號轉換成模擬電壓信號，并以PECL(posi-tive emitted-couple-logic)電平形式實現該電信號的板級傳輸與處理，最終，該信號作為IXYS公司的IXDD415的控制端，以實現低抖動，快前沿的電脈沖輸出用以驅動Q開關。電路中采用了電感、電容、RC網絡濾波方法，有效減小電源噪聲對抖動的影響。該光電轉換及觸發系統在Z裝置單路樣機中得到應用，測試結果表明均方根抖動為70 ps，時延極差1ns。
關鍵詞：Z-Pinch；光電轉換；抖動；噪聲

“Z-Pinch”作為實驗室核爆模擬的技術途徑在核技術研究領域的重要性日益突出。其負載要在極短時間內獲得107 cm／s以上的速度以使其在對稱中心Z軸上塌縮時形成高溫高密度等離子體、產生大量X光，其脈沖功率裝置必須具備較高的能量和功率輸出能力。
為了實現在Z箍縮負載上大于8 MA的電流輸出，一個由24路模塊組成的Z裝置被提出。因此功率合成技術成為了Z箍縮裝置的核心技術之一，而功率合成的關鍵在于實現24個激光觸發主開關的同步性。作為主開關同步觸發系統的重要組成部分，本文開展了低抖動激光器Q開關光電轉換及觸發系統的研究。

1 系統分析
Z裝置觸發系統由計算機、延時同步機、Q開關光電轉換及觸發單元、氤燈光電轉換及觸發單元和四倍頻Nd：YAG激光器組成，目的是為多級多通道氣體開關提供精確時序的觸發激光脈沖。系統框圖如圖1所示。

Q開關光電轉換及觸發單元的輸出信號直接控制著激光器的激光輸出，它的抖動將影響到氣體開關的同步性，其抖動極差要求小于2 ns。理論分析表明造成這種抖動的原因主要有：
1)相鄰信號走線之間的串擾。當一根導線的自感增大后，會將其相鄰信號線周圍的感應磁場轉化為感應電流，而感應電流會使電壓增大會減小，從而造成抖動。
2)敏感信號通路上的EMI輻射。電源，AC電源線和RF信號源都屬于EMI源，與串擾類似，當附件存在EMI輻射時，時序信號通路上感應到的噪聲會調制時序信號的電壓值。
3)多層基底中電源層的噪聲。這種噪聲可能改變邏輯門的閥值電壓，或者改變閥值電壓的參考地電平，從而改變開關門電路所需的電壓值。
4)多個門電路同時轉換為同一種邏輯狀態。這種情況可能導致電源層和地層上感應到尖峰電流，從而可能使閥值電壓發生變化。
5)影響半導體晶體材料遷移率的溫度因素。可能造成載流子的隨機變化。半導體加工工藝的變化，例如摻雜密度不均，也可能造成抖動。

2 電路設計
該觸發系統由光電接收與轉換單元和快脈沖產生電路組成。根據抖動產生理論，低抖動電路應遵循以下原則：1)盡量減少數字電路芯片的使用；2)對電源進行濾波，減小噪聲；3)一些信號線應進行包地處理；4)盡量采用差分信號傳輸。
2．1 光電轉換單元
相比于常見的820 nm鏈路光纖系統，1 300 nm波長位于光纖的較低色散和衰減區，因此除了能傳輸更遠距離外，在傳輸過程中光能量更穩定，有利于減小由于光信號造成的抖動。光電轉換器件采用的是AVAGO公司的2316TZ光纖接收器。該器件的特點是內部沒有集成數字邏輯電路，而是由砷化鎵銦光電二極管和跨導前置放大器組成，其輸出為模擬信號，因而具有最大155 MHz響應帶寬，適用于高速通信或有精確時序要求的應用。此外，AVAG02316Tz可以與50／125 μm和62．5／125 μm規格直徑光纖兼容，帶來光纖尺寸選擇的靈活性。與此對應的是，延時同步機中的光信號發送電路采用的是AVAGO1312。AVAG02316Tz器件引腳及說明分別如圖2，表1所示。

該器件只能接收1 300 nm波長光信號，當VCC接+5 V電壓，VEE接地時，光電二極管感應到光纖光信號輸入時，引腳VO輸出電壓為1．8V。