激光二极管驱动电源的设计

材料有关的密勒指数，通常硅材料为3～4。

从上式可以看出，雪崩状态下集电极电流随电压变化比较急剧。

雪崩晶体管的主要参数是雪崩上升时间和雪崩脉冲幅值。击穿电压较低的雪崩管具有更快的雪崩上升时间和较高的脉冲重复周期，但是脉冲幅度较低，需要正确选择雪崩管。

（1） BUceo较高且能在图示仪上看到负阻或二次击穿；

（2） BUceo较高且雪崩区尽量宽一些的管子；

（3） β值要尽量大；

（4） 特性频率fT尽量高或者开关时间尽量小；

（5） 饱和压降尽量小。

单级雪崩电路一般无法满足输出功率的要求，需要多级并联，此时需要解决同步触发问题，否则会加大脉冲宽度。

综合比较常用雪崩三极管的参数，最终选择了ZETEX的雪崩管[8]ZTX415，参数如表1所示。

表1 ZTX415主要参数

3 驱动电源的设计

激光二极管驱动电源的构成如图3所示。触发脉冲电路在一定频率方波作用下触发雪崩三极管产生窄脉冲，经过功率放大驱动激光二极管，同时输出触发脉冲作为系统的同步信号；温度控制部分对激光二极管进行恒温控制，以避免温度过高而损坏；低压、高压直流电源提供工作电压。电路分为三级：同步触发信号、预雪崩级、雪崩级。

图3 激光器二极管驱动电源框图

同步触发信号采用555多谐振荡器产生，如图4所示。二极管D1和D2使C1的充放电回路不同，改变R1和R2可以调整占空比。电路中R1=2 kΩ，R2=10 kΩ，C1=0.033 μF，则充电时间T1≈230 μs，放电时间T2≈46 μs。

图4 触发信号产生电路

预雪崩级选用雪崩电压较低的开关晶体管，获得峰峰值电流为几百毫安上升时间为几纳秒的窄脉冲，提高触发脉冲的电流，使雪崩级的晶体管快速导通以获得陡峭的脉冲上升沿。电路如图5所示，触发信号下降沿时Q1导通，其集电极电流通过快恢复二极管D3后经过RC微分电路输入到预雪崩管的基极，触发信号上升沿时Q1截止，微分电容经过R7，R8和R9放电，这样触发信号经过RC微分电路加速后上升沿更加陡峭。调整C3的值在一定范围内改变触发脉冲的形状。快恢复二极管D3防止雪崩级对Q1的影响。从实际测试的波形可以看出，预雪崩级产生了宽度20 ns，幅值8.5 V的窄脉冲。

雪崩级是由核心器件ZTX415构成的，如图6所示，所加的HV高压电源为120 V。其工作原理是：高压电源通过R10，D2和R11给C4充电到120 V，触发脉冲输入到雪崩管Q2的基极，雪崩管导通后出现负阻特性，即电流快速增大而两端电压快速下降，电容C4通过雪崩管和激光管LD放电。随着雪崩过程的进行，流过雪崩管和LD的电流逐渐增大，电容两端的电压逐渐减小。雪崩电流达到最高点后，随着电容电压的下降雪崩管和LD的电流逐渐减小。雪崩过程结束后高压电源通过电阻R10对电容C4充电，等待下一个雪崩触发脉冲的到来。

图5 预雪崩电路

图6 雪崩电路

选定了雪崩三极管后，电路中应选择的参数是充电电容C4和充电电阻R10。C4太大输出脉冲宽度加宽且电路恢复期加长；C4太小输出脉冲幅值减小且分布电容影响增大，选用33 pF的云母电容。R10不能选得太小，以防雪崩三极管因功耗过大而烧坏，选为12 Ω。R10也不能太大，应保证雪崩电路在静止期内恢复完毕，即：

[（3～5）⋅（R10+R11）⋅C4≤TS]

式中TS为触发脉冲重复周期。

4 设计结果测试

由于脉冲达到了纳秒级，对测试设备提出了较高的要求。测试用示波器是安捷伦的MSO6104A，带宽为1 GHz，测试用表笔带宽为200 MHz，测试误差为2～3 ns。设计结果测试如图7所示。

可以看出，雪崩管输出的脉冲宽度约为20 ns，去除测试误差实际脉冲宽度约为17～18 ns，幅值为40 V。以LD的等效电阻为5 Ω计算，输出的峰值电流约为8 A，满足了设计要求。

图7 脉冲测试波形

5 结 语

本文设计了一种激光二极管的驱动电源。分析了雪崩三极管的工作原理和特性，设计了脉冲产生、预雪崩、雪崩电路，目前已成功应用于工程中。

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