王 強(qiáng),李 智

（四川大學(xué)電子信息學(xué)院，四川成都，610064）

0 引言

激光引信是隨著激光技術(shù)的快速發(fā)展而出現(xiàn)一種新型近炸引信，由于激光引信具有引信脈沖窄、定距精度高、引戰(zhàn)配合效率高、引爆時間準(zhǔn)、命中率高、抗綜合干擾能力強(qiáng)等特點，已備受各個國家重視并得到研制。在實際的激光引信裝置中，系統(tǒng)帶寬、定距精度、作用距離、抗干擾能力等指標(biāo)的優(yōu)越性能都取決于半導(dǎo)體激光器發(fā)射的光脈沖質(zhì)量。質(zhì)量高的激光脈沖具有上升沿時間短、峰值功率高、脈寬窄、重復(fù)率高等特點。激光脈沖質(zhì)量的主要影響因素是驅(qū)動電源的性能。目前，通用的脈沖半導(dǎo)體驅(qū)動電源采用高壓供電，功耗大，脈沖上升沿平緩，脈寬時間長等因素，制約著激光引信的實際應(yīng)用。

針對上述特點，本文設(shè)計出適用于激光引信的窄脈沖半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源裝置，該驅(qū)動電源低壓供電，功耗小，脈沖電流上升沿時間可達(dá)到納秒級，脈寬窄，峰值功率高。

1 半導(dǎo)體激光電源

適用于激光引信的新型窄脈沖半導(dǎo)體激光驅(qū)動電源，結(jié)構(gòu)上包括驅(qū)動電路，開關(guān)電路和反饋電路。其中驅(qū)動電路為后級開關(guān)電路提供一個上升沿陡峭，脈寬窄，峰值電流大的控制信號。開關(guān)電路采用高速金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管作為開關(guān)，為激光器提供一個重復(fù)率高、上前沿快、脈寬窄、脈沖峰值電流大的脈沖信號，而且輸出的激光脈沖波形平滑。反饋電路主要由采樣電路和差分放大電路組成，為輸出脈沖電流的穩(wěn)定提供保障。

1.1 驅(qū)動電路

驅(qū)動電路對原始的控制輸入信號進(jìn)行整形、提高驅(qū)動能力、提升驅(qū)動電壓，為后級開關(guān)電路提供一個上升沿快，脈寬窄，峰值電流大的控制信號，該控制信號性能指標(biāo)與最終輸出脈沖電流指標(biāo)息息相關(guān)。驅(qū)動電路由OCL電路和MOS管驅(qū)動電路組成。OCL電路選擇β值小、基極輸入電流大、響應(yīng)時間短的功率晶體三極管NECB772和NECB882。MOS管專業(yè)驅(qū)動芯片選擇著名半導(dǎo)體公司IXYS公司的芯片IXDD415，該芯片最大驅(qū)動電流=15A，輸入電壓范圍大，在8-30V均可，信號上升下降時間小于3ns，最小的脈寬6ns。

1.2 開關(guān)電路

開關(guān)電路包括加速導(dǎo)通和快速關(guān)斷電路、MOSFET保護(hù)電路以及MOSFET為核心的驅(qū)動電路組成，是整個電路設(shè)計的核心。在加速導(dǎo)通和快速關(guān)斷電路中，如圖1所示，電路前級輸入高電平信號時，驅(qū)動電流經(jīng)過C1、二極管D1和Rg給MOS管等效輸入電容Ciss充電，MOSFET開始導(dǎo)通，其中C1是加速電容，D1是快速導(dǎo)通二極管，期間三極管Q1截止；前級輸入低電平時，Q1導(dǎo)通，柵極放電電流并不回流到前級驅(qū)動模塊，而是通過Q1的發(fā)射極、集電極和R2形成放電回路。由于放電過程中Vgs=0.7V時Q1就截止，柵極電荷不完全釋放，故加R3放走剩余電荷，消除電荷積累。此電路中Rg除了控制柵極電流大小，還能消除振蕩。在MOSFET的高頻等效電路中，漏極存在寄生電感Ls，Ls串聯(lián)在MOSFET柵極充放電電路中，與Ciss構(gòu)成高Q值得振蕩電路，易引起MOSFET在一個脈寬時間重復(fù)導(dǎo)通和截止。解決辦法就是在柵極串入一個合適的電阻，降低回路Q值，合適的柵極串聯(lián)電阻取值：

式中Rdrv是MOSFET前級驅(qū)動芯片輸入電阻，Rgl是MOSFET本身的寄生電阻，Rg可以讓柵極回路處于臨界阻尼狀態(tài)。此外在MOSFET管的漏極和源極之間并聯(lián)了保護(hù)電路，保護(hù)電路由C3、D2和R6組成的，用于吸收MOSFET關(guān)斷瞬間在漏極上產(chǎn)生的反峰電壓。

MOSFET為核心的驅(qū)動電路中，當(dāng)MOSFET管Q2關(guān)閉的時候，外部電壓V1通過限流電阻R5給儲能電容C2充電；當(dāng)MOSFET管Q2導(dǎo)通的時候，C2上的電壓通過LD激光器和采樣電阻R4放電，完成一次激光脈沖的產(chǎn)生。其中場管Q2選用DE275-101N30，通過改變電路中R5、V1、C2的值，可以改變電流脈沖的上升沿Tr，峰值電流Ip；且任意改變?nèi)我粎?shù)，脈沖的峰值電流和上升前沿都會改變。

圖1 脈沖激光器驅(qū)動電路Fig.1 Drive circuit of pulse laser diode

1.3 反饋電路

反饋電路是由采樣電路和差分放大電路組成。采樣電路中的電阻是1W、10m歐姆精密電阻。差分放大電路中的運放是高速運放，這里選用的是AD811，其擺率SR值高達(dá)2500V/μs。工作原理如下：運放1通過采集采樣電阻兩端的電壓進(jìn)行差分放大，電壓輸出送入運放2的輸入端，與原始控制信號進(jìn)行差分放大輸出，輸出的信號經(jīng)過整形再驅(qū)動MOSFET，這樣形成一個閉合的負(fù)反饋回路。反饋電路保證脈沖電流輸出穩(wěn)定，保證激光器的正常工作。

2 實驗與分析

根據(jù)要求設(shè)計出電源，實驗測試使用德國Osram公司生產(chǎn)的半導(dǎo)體激光器，該激光器是專門應(yīng)用于激光引信的激光器，其型號為SPL PL90_3。

FPGA產(chǎn)生頻率為5KHz、脈寬是20ns的控制信號，電路中電容C2是1μF，用光電探測器檢測激光器產(chǎn)生的光脈沖。圖2是充電電壓為5V時候產(chǎn)生的光脈沖，從圖中可以看到光脈沖的上升沿2.7ns，光脈沖的寬度為5.8ns。實際在電路中測得經(jīng)過采樣電阻上的電流是5.2A，示波器上可以看出儲能電容上的電壓變化為25mV，流過激光器的電流脈沖寬度：，與光電探測器測量值基本相符。用光功率計測量光脈沖的平均功率是0.48mW，所以光脈沖的峰值功率為。圖3是充電電壓為24V時激光器產(chǎn)生的光脈沖波形，光脈沖的上升沿為3.4ns，脈沖寬度7.2ns，此時測得的光脈沖的平均功率是1.12mW，得到光脈沖的峰值功率是31.11W。實驗結(jié)果可知，隨著充電電壓的增加，脈沖電流的幅值線性增加，光脈沖峰值功率也線性增加，光脈沖寬度5.8ns逐步增加到7.9ns，光脈沖的上升沿基本不變，保持在3ns左右。

圖2 充電電壓為5V時的光脈沖波形Fig.2 Optical pulse shape when charging voltage is 5V

圖3 充電電壓為10V時的光脈沖波形Fig.3 Optical pulse shape when charging voltage is 12V

改變控制信號脈沖寬度和重復(fù)率，頻率改為20KHz，充電電壓為24V，儲能電容1μF，圖4為控制信號脈寬為10ns的光脈沖波形，圖5是控制信號脈寬為30ns時的光脈沖波形，從圖中可以看出：光脈沖寬度隨著控制信號脈沖寬度改變而改變，控制信號脈寬為10ns時光脈沖脈寬只有5.1ns，控制信號脈寬為30ns時光脈沖脈寬則上升到8.6ns。

圖4 控制信號脈沖10ns時的光脈沖Fig.4 Optical pulse shape when control signal is 10ns

3 結(jié)論

激光引信廣泛應(yīng)用于航空炸彈、火箭、飛航導(dǎo)彈以及反坦克導(dǎo)彈上，是激光技術(shù)在引信上的一個發(fā)展趨勢。本文中設(shè)計的脈沖半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源產(chǎn)生的光脈沖重復(fù)率高達(dá)20KHz，在常規(guī)供電24V時，峰值功率可達(dá)30W，上升沿3.4ns，脈沖寬度7.2ns，完全滿足激光近炸引信對激光器驅(qū)動模塊要求體積小、高重復(fù)率、脈沖窄、功率高、能耗低等特點，為提高常規(guī)彈藥作戰(zhàn)效能提供參考。該激光驅(qū)動電源也可應(yīng)用到激光通信、激光探測、激光測距中，具有廣泛的應(yīng)用前景。

圖5 控制信號脈沖30ns時的光脈沖Fig.5 Optical pulse shape when control signal is 30ns

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