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

摘要：“Z-Pinch”裝置時其激光觸發(fā)氣體閉合開關(guān)有嚴格時序要求。為實現(xiàn)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(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，將接收到的先信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，并以PECL(posi-tive emitted-couple-logic)電平形式實現(xiàn)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(xiàn)低抖動，快前沿的電脈沖輸出用以驅(qū)動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抖動的影響。該光電轉(zhuǎn)換及觸發(fā)系統(tǒng)在Z裝置單路樣機中得到應(yīng)用，測試結(jié)果表明均方根抖動為70 ps，時延極差1ns。
關(guān)鍵詞：Z-Pinch；光電轉(zhuǎn)換；抖動；噪聲

“Z-Pinch”作為實驗室核爆模擬的技術(shù)途徑在核技術(shù)研究領(lǐng)域的重要性日益突出。其負載要在極短時間內(nèi)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(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。
為了實現(xiàn)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(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)鍵在于實現(xiàn)24個激光觸發(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)由計算機、延時同步機、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，目的是為多級多通道氣體開關(guān)提供精確時序的觸發(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(guān)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(yīng)磁場轉(zhuǎn)化為感應(yīng)電流，而感應(yīng)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(yīng)到的噪聲會調(diào)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(guān)門電路所需的電壓值。
4)多個門電路同時轉(zhuǎn)換為同一種邏輯狀態(tài)。這種情況可能導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(shè)計
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)抖動產(chǎn)生理論，低抖動電路應(yīng)遵循以下原則：1)盡量減少數(shù)字電路芯片的使用；2)對電源進行濾波，減小噪聲；3)一些信號線應(yīng)進行包地處理；4)盡量采用差分信號傳輸。
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造成的抖動。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(yīng)帶寬，適用于高速通信或有精確時序要求的應(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。與此對應(yīng)的是，延時同步機中的光信號發(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，當VCC接+5 V電壓，VEE接地時，光電二極管感應(yīng)到光纖光信號輸入時，引腳VO輸出電壓為1．8V。