纳秒级脉冲型群红外量子级联激光器驱动电源硬件系统设计

纳秒级脉冲型群红外量子级联激光器的驱动电源系统的组成框图如图1所示，主要包括控制模块、高速脉冲产生模块、群激光器时分复用信号产生模块、恒流源模块、保护电路模块等。
 
控制模块采用美国德州仪器公司的32位定点数字信号处理器TMS320LF2812，其主要功能如下:(1)产生高速脉宽宽度调制(PulseWidthModulation，PWM)信号;(2)驱动数模转换器。 (DigitaltoAnalogConventer，DAC)产生高精度模拟信号;(3)控制群激光器时分复用信号产生模块。高速脉冲产生模块可输出幅度、周期、占空比均受控的高速脉冲信号，用于驱动恒流源模块。群激光器时分复用信号产生模块依据“时分复用”方法设计，以使各个支路的QCL能分时工作，免于互相干扰。恒流源模块根据其核心器件———MOSFET的VGS与ID的指数关系来调节输出电流，同时结合高速模拟PID反馈控制方法［7］，有效提高了恒流源的输出线性度。保护电路模块由过流保护电路、瞬态高压抑制电路、静电防护电路构成，能够有效地保护QCL，延长其使用寿命［8］。 高速脉冲产生模块
高速脉冲产生模块由高精度DAC、高速模拟开关和高速运算放大器组成，如图2所示。PWM通道切换信号将两个输入电平(DAC输出的直流电平和地电平)高速切换输出，从而在输出端得到幅度、周期、占空比均可控的高速脉冲。最后，上述高速脉冲经过高速运算放大器缓冲后，驱动恒流源模块。其中，用于控制高速模拟开关的通道切换信号(PWM信号)是由TMS320LF2812产生的，且脉冲宽度最窄可达到6．7ns。 群激光器时分复用信号产生模块设计
群激光器时分复用信号产生模块依据“时分复用”方法而设计，以时间为信号分割参量，使各支路驱动信号在时间轴上互不重叠，从而使群激光器协同工作，免于互相干扰［9］。
如图3所示，本模块采用隔离变压的方法，提供自举驱动电压，对高边MOSFET实现“浮地”驱动。在实际系统中，采用YIHONGTAI公司的DC/DC模块NR5D15，结合InternationalRectifier公司的MOSFET驱动芯片IR2117来实现对MOS-FET的“浮地”驱动。同时，IR2117输出信号的高、低电平分别为+15V和－5V，用以提高MOSFET的关断能力，避免各支路输出的交叉影响［10］。 恒流源模块
恒流源模块采用输出电流采样负反馈的压控恒流源(VCCS)，模拟PI算法有效地提高了恒流源模块的线性度和稳定性［6］，其原理如图4所示。
注入QCL的电流经过取样电阻R5转换为电压，再经过U2以及R3，R4，C2组成的反馈网络后送入U1的反相输入端，U1放大二者差值驱动Q1，进而实现对驱动电流的调节［11-13］。同时，U2，R3，R4以及C2组成模拟PI环节，增大PI环节积分时间τ=C2R4，使系统的响应时间变长，输出电流稳定性变好;反之，PI环节响应时间变短，输出电流稳定性变差。同时，适当增大比例系数P=R3/R4，负反馈的深度增加，提高了系统的响应速度。R6可以减小Q1输入寄生电容CISS和环路寄生电感L所造成的驱动电流钝化的影响，从而减小驱动波形的上升沿时间。肖特基二极管D1为Q1输出电容COSS提供释放回路，以减小驱动波形的下降沿时间。实验中应根据具体的驱动指标要求，合理调节PI环节的积分时间和比例系数，全面权衡系统的稳定性和响应速度，最终确定满足系统指标要求的最佳方案。
 
保护电路模块设计
通常静电会威胁到QCL的安全，激光器驱动电源在设计上采用屏蔽静电金属罩，避免静电对QCL造成损坏。此外，激光器驱动电源在上电和断电时会产生瞬间高压，其电量足以击穿QCL，因此QCL两端并联一个瞬态抑制二极管(TVS)，防止QCL被击穿。过流保护电路可以实时监测驱动电流，当驱动电流超过设定的最大电流值时，将切断注入QCL的电流，从而进行有效地保护。