低抖動(dòng)Q開關(guān)光電轉(zhuǎn)換及觸發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：“Z-Pinch”裝置時(shí)其激光觸發(fā)氣體閉合開關(guān)有嚴(yán)格時(shí)序要求。為實(shí)現(xiàn)四倍頻Nd：YAG激光器出光時(shí)刻的精確控制，開展了激光器Q開關(guān)光電轉(zhuǎn)換及觸發(fā)系統(tǒng)的研究。采用AVAGO公司的高速光電轉(zhuǎn)換器件AVAG02316TZ，將接收到的先信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)，并以PECL(posi-tive emitted-couple-logic)電平形式實(shí)現(xiàn)該電信號(hào)的板級(jí)傳輸與處理，最終，該信號(hào)作為IXYS公司的IXDD415的控制端，以實(shí)現(xiàn)低抖動(dòng)，快前沿的電脈沖輸出用以驅(qū)動(dòng)Q開關(guān)。電路中采用了電感、電容、RC網(wǎng)絡(luò)濾波方法，有效減小電源噪聲對(duì)抖動(dòng)的影響。該光電轉(zhuǎn)換及觸發(fā)系統(tǒng)在Z裝置單路樣機(jī)中得到應(yīng)用，測(cè)試結(jié)果表明均方根抖動(dòng)為70 ps，時(shí)延極差1ns。
關(guān)鍵詞：Z-Pinch；光電轉(zhuǎn)換；抖動(dòng)；噪聲

“Z-Pinch”作為實(shí)驗(yàn)室核爆模擬的技術(shù)途徑在核技術(shù)研究領(lǐng)域的重要性日益突出。其負(fù)載要在極短時(shí)間內(nèi)獲得107 cm／s以上的速度以使其在對(duì)稱中心Z軸上塌縮時(shí)形成高溫高密度等離子體、產(chǎn)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(shí)現(xiàn)在Z箍縮負(fù)載上大于8 MA的電流輸出，一個(gè)由24路模塊組成的Z裝置被提出。因此功率合成技術(shù)成為了Z箍縮裝置的核心技術(shù)之一，而功率合成的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)24個(gè)激光觸發(fā)主開關(guān)的同步性。作為主開關(guān)同步觸發(fā)系統(tǒng)的重要組成部分，本文開展了低抖動(dòng)激光器Q開關(guān)光電轉(zhuǎn)換及觸發(fā)系統(tǒng)的研究。

1 系統(tǒng)分析
Z裝置觸發(fā)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、延時(shí)同步機(jī)、Q開關(guān)光電轉(zhuǎn)換及觸發(fā)單元、氤燈光電轉(zhuǎn)換及觸發(fā)單元和四倍頻Nd：YAG激光器組成，目的是為多級(jí)多通道氣體開關(guān)提供精確時(shí)序的觸發(fā)激光脈沖。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

Q開關(guān)光電轉(zhuǎn)換及觸發(fā)單元的輸出信號(hào)直接控制著激光器的激光輸出，它的抖動(dòng)將影響到氣體開關(guān)的同步性，其抖動(dòng)極差要求小于2 ns。理論分析表明造成這種抖動(dòng)的原因主要有：
1)相鄰信號(hào)走線之間的串?dāng)_。當(dāng)一根導(dǎo)線的自感增大后，會(huì)將其相鄰信號(hào)線周圍的感應(yīng)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化為感應(yīng)電流，而感應(yīng)電流會(huì)使電壓增大會(huì)減小，從而造成抖動(dòng)。
2)敏感信號(hào)通路上的EMI輻射。電源，AC電源線和RF信號(hào)源都屬于EMI源，與串?dāng)_類似，當(dāng)附件存在EMI輻射時(shí)，時(shí)序信號(hào)通路上感應(yīng)到的噪聲會(huì)調(diào)制時(shí)序信號(hào)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(guān)門電路所需的電壓值。
4)多個(gè)門電路同時(shí)轉(zhuǎn)換為同一種邏輯狀態(tài)。這種情況可能導(dǎo)致電源層和地層上感應(yīng)到尖峰電流，從而可能使閥值電壓發(fā)生變化。
5)影響半導(dǎo)體晶體材料遷移率的溫度因素。可能造成載流子的隨機(jī)變化。半導(dǎo)體加工工藝的變化，例如摻雜密度不均，也可能造成抖動(dòng)。

2 電路設(shè)計(jì)
該觸發(fā)系統(tǒng)由光電接收與轉(zhuǎn)換單元和快脈沖產(chǎn)生電路組成。根據(jù)抖動(dòng)產(chǎn)生理論，低抖動(dòng)電路應(yīng)遵循以下原則：1)盡量減少數(shù)字電路芯片的使用；2)對(duì)電源進(jìn)行濾波，減小噪聲；3)一些信號(hào)線應(yīng)進(jìn)行包地處理；4)盡量采用差分信號(hào)傳輸。
2．1 光電轉(zhuǎn)換單元
相比于常見的820 nm鏈路光纖系統(tǒng)，1 300 nm波長位于光纖的較低色散和衰減區(qū)，因此除了能傳輸更遠(yuǎn)距離外，在傳輸過程中光能量更穩(wěn)定，有利于減小由于光信號(hào)造成的抖動(dòng)。光電轉(zhuǎn)換器件采用的是AVAGO公司的2316TZ光纖接收器。該器件的特點(diǎn)是內(nèi)部沒有集成數(shù)字邏輯電路，而是由砷化鎵銦光電二極管和跨導(dǎo)前置放大器組成，其輸出為模擬信號(hào)，因而具有最大155 MHz響應(yīng)帶寬，適用于高速通信或有精確時(shí)序要求的應(yīng)用。此外，AVAG02316Tz可以與50／125 μm和62．5／125 μm規(guī)格直徑光纖兼容，帶來光纖尺寸選擇的靈活性。與此對(duì)應(yīng)的是，延時(shí)同步機(jī)中的光信號(hào)發(fā)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(hào)，當(dāng)VCC接+5 V電壓，VEE接地時(shí)，光電二極管感應(yīng)到光纖光信號(hào)輸入時(shí)，引腳VO輸出電壓為1．8V。