iC-NZN，iC-HG，鐳射驅動

設計和測試快速鐳射驅動器電路

自從 Theodore H Maiman 在50年前發明雷射器以來，鐳射被廣泛應用到各種技術領域，例如通信，工業生產，以及感測器和測量設備。通信行業關注的是高達GHz範圍的高速傳輸頻率，工業生產主要關注的目標通常是高速的超短範圍內納秒級脈衝光功率。在感測器和測量應用的挑戰是設計快速鐳射驅動器電路，這是一個非常苛求的任務。

下麵的文章描述鐳射驅動器電路設計，PCB佈局和光學測量注意事項，以及設計一個脈衝寬度短到2.5ns的理想解決方案。

集成鐳射驅動器解決方案

快速鐳射驅動器電路設計注意事項

佈局要求

測量鐳射脈衝

4.1）從示波器到光學儀器

4.2）從電腦到光學USB儀器

設計檢查

概要

1）集成鐳射驅動器解決方案

傳統的鐳射二極體驅動器電路通常使用分立元件，用於低成本和低性能應用。集成鐳射驅動器的優勢解決方案是:

1. 提高輸出功率的穩定性（1%或優於1%）

2. 減少板子空間（減少80%以上）

3. 錯誤監控

4. 較好的動態性能

5. 提高了可靠性/MTBF

用於快速開關，集成驅動器是必須的，因為減小PCB分佈電感和分佈電容是允許更快速信號變化的主要方法。

2）快速鐳射驅動器電路設計注意事項

用於測量和感測器領域的雷射器光源通常是半導體二極體雷射器，光學輸出功率從幾個微瓦到幾百個毫瓦。積體電路可方便地和安全地控制半導體鐳射二極體，光譜覆蓋整個可見光到紅外光範圍。最新研發的全類型集成鐳射驅動器解決方案支持開關頻率高達155 MHz以及鐳射驅動電流高達300 mA。圖1所示的原理圖是iC-NZN的應用電路。它的工作電壓從3.3V 到5.5V，可以去驅動N,M和P型鐳射二極體帶或者不帶監控二極體。

圖1.全類型鐳射二極體驅動器電路

支持兩種工作模式，自動功率控制（APC）和自動電流控制（ACC）。光學輸出功率各自不同。驅動電流由電阻PMD/RMD設置，如上面圖1所示。如果採用一個合適的PCB佈局，脈衝寬度可以達到小於3.5ns以及脈衝上升沿和下降沿時長（t_r/t_f）為1.5ns（最大）。在這種情況下應該採用LVDS輸入信號替代TTL電平來減少EMI。iC-NZN的特點是提供了一個低邊輸出（專門為N型鐳射二極體優化），iC-NZP的特點是提供了一個高邊輸出（專門為P型鐳射二極體優化）。為了保護鐳射二極體，特別是在APC模式，通過管腳VDDA的最大驅動電流可以由電阻RSI來限制。

對於更高功率的鐳射脈衝，例如電流開關iC-HG，提供一個集成的解決方案。它的特點是可提供6個帶尖峰釋放的電流開關，每個開關切換電流為500mA，而且這些開關可以並聯起來達到3A DC 電流。脈衝寬度可以低至2.5ns，峰值電流可達9A。最大開關頻率200MHz，上升和下降沿時長1ns（最大）。最大占空比取決功率耗散和iC-HG的散熱情況。

圖2：CW驅動電流可達3A，脈衝驅動可達9A的鐳射驅動電路

輸入EN1和EN2使用LVDS模式帶100歐姆線路終端電阻。雷射器電源電壓（最大12V）由兩個低ESR鉭電容緩衝以及使用兩個瓷片電容進行RF濾波。iC-HG監控LVDS輸入信號，如果幅度低於50%，會在管腳NER產生一個錯誤信號，電源電壓和晶片溫度也被監控。當欠壓和超載時NER信號也會產生。每個通道的電流可以通過控制CIx的電壓來設置。它也可以被用來做模擬調製。最大調製頻率典型值2MHz，CIx的輸入電容是調製頻率的限制因素。

3）佈局要求

對於非常短的鐳射脈衝，鐳射驅動模組的佈局是挑剔的。由於快速開關的瞬態過程，當設計PCB時傳輸線路低電感是要記住的關鍵。圖3a所示的是一個iC-HG高速驅動模組的例子，圖3b是佈局的細節。推薦佈局指導方針如下：

保持從驅動器到鐳射二極體的線路和回路盡可能的短（每個mm都要考慮）；
放置儲能/旁路電容在驅動器IC電源和地線附近；
選擇低ESR電容（使用兩個電容並聯來減小ESR）；
分開AGNDx和GND大面積鋪地(僅在公共地處連接)；
確保DFN封裝的散熱PAD的散熱

圖3a：高速鐳射驅動模組

圖3b：高速鐳射驅動模組佈局

4）測量鐳射脈衝

4.1）從示波器到光學儀器

為了鐳射二極體脈衝的光學測量，需要一臺高速示波器和一個附加的高速光電接收器。此光電接收器應該在相關頻譜範圍具有高靈敏度以及盡可能寬的帶寬，從DC到GHz範圍，以便鐳射脈衝的幅度和快速脈衝的邊沿同樣可以被測量。

圖4a所示的是一個典型的光學測量裝置，使用iC212高速光電接收器作為示波器的一個適配器。在這個例子裏，使用一個大約12.5ns的40mW的鐳射脈衝發生器，脈衝幅度和上升沿時長可以使用示波器測量。示波器需要一個合適的高模擬帶寬，工作頻率也要到GHz範圍。圖4b所示的是光學脈衝回應。

為了知道準確的鐳射脈衝形狀，僅有一個電氣測量鐳射電流是不夠的。由於鐳射二極體的特性，測量結果會大不同。因此必須測量鐳射二極體的光學輸出。這通常是通過使用一個擴展常規實驗室設備用於電子測量。可能的方法有擴展常規示波器或者試驗用PC來測量光學的鐳射光束。

圖4a：鐳射二極體模組測量裝置圖4b：光電接收器iC212的鐳射脈衝

使用iC212光電接收器測量結果

iC212是專門為此類測量而設計的光電接收器，它是第一個此類裝置，結合一個帶寬範圍從直流到1.4 GHz的寬光譜靈敏度，波長從320至1000nm（見圖5）。它可以測量連續波和脈衝光功率，瞬態低至280ps。

圖5：光電接收器頻譜靈敏度

iC212在波長760nm處的增益因數是1.625V/mW。這允許光學功率測量低至子毫瓦範圍。鐳射脈衝的上升沿和下降沿時長可以直接從示波器讀出。然後光學功率可以由測量得到的幅度除以相關波長的靈敏度得出。

圖6：測量功率

圖6所示的示波器測量波長為635nm。靈敏度由圖5得出，在635nm處，S=1.34V/mW。光學功率有下麵的式子計算，其中，U是從示波器讀出的幅度。

Popt(iC212) = U / S = 0.803 V / 1.34 V/mW = 0.60 mW

除了鐳射二極體和鐳射模組的光學測量，IC212也可用來測量玻璃纖維傳輸線，光學傳輸時間，照度或者鐳射系統的光學觸發或者錯誤檢測測試。

4.2）從電腦到USB光學儀器

另一個選擇是iC227數字示波器，通過USB連接到實驗電腦。它是一個非常快速和精確的雙通道8GHz順序採樣示波器，基於微控制器和高速ECL差分電路。微控制器經過隔離的全速USB介面通信，全速速率12 Mbits/s。順序工作範圍是由在觸發和採樣電路之間插入增量時延完成。ADC轉換隨著一個觸發事件開始以10皮秒增量採樣。圖7所示的是iC227配置成 4 GHz雙通道示波器的功能原理。連接到iC212的被測部件來構成一個完整的光學電腦儀器。

iC227主要特性如下：