“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(shí)現(xiàn)在Z箍縮負(fù)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(shí)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(jī)、延時同步機(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。
圖1 觸發(fā)系統(tǒng)框圖
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?dāng)_。當(dāng)一根導(dǎo)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?dāng)_類似,當(dāng)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(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??赡茉斐奢d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。
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(jìn)行濾波,減小噪聲;3)一些信號線應(yīng)進(jìn)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(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(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,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(jī)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。
圖2 AVAG02316Tz器件
表1 AVAG02316Tz引腳說明
該器件只能接收1 300 nm波長光信號,當(dāng)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。
2.2 快脈沖產(chǎn)生電路
Q開關(guān)驅(qū)動信號要求前沿小于2.5 ns,脈寬10 ns至數(shù)μs,由發(fā)送端光信號決定。IXYS公司的IXDD415是一種用以驅(qū)動高速M(fèi)OSFET門電路的驅(qū)動芯片,其主要特點(diǎn)包括:寬輸出電壓8~30 V,典型前、后沿小于3 ns,典型延時30 ns,最小脈寬6ns,2路輸出且單路最大驅(qū)動電流達(dá)15 A,芯片內(nèi)部集成過流保護(hù)電路,與TTL或CMOS電平兼容。其芯片引腳及說明分別如圖3,表2所示。
圖3 IXDD4 15器件
表2 IXDD4 15引腳說明
作為高速驅(qū)動芯片,IXDD415的應(yīng)用須注意:回路電感,旁路電容,地線。為了避免輸出脈沖出現(xiàn)嚴(yán)重LC振蕩,輸出引腳與負(fù)載或電纜連接端距離不超過9.5mm,且布線應(yīng)盡可能寬,以減小回路電感。該驅(qū)動芯片輸出脈沖信號的前沿越快,則抖動越小,同時為了獲得足夠的驅(qū)動能力,應(yīng)使IXDD415有足夠低的輸出阻抗,因此在IXDD415的電源輸入引腳引入低電感,低電阻和大的脈沖電流輸出能力的旁路電容。IXDD4 15地線的良好處理除了影響到芯片輸出的抖動外,還會影響到輸出脈沖的后沿,應(yīng)大面積鋪地且與模擬地的連接盡可能短。
2.3 電路設(shè)計
AVAG02316Tz的輸出信號不能直接作為IXDD415的輸入,采用安森美公司的MC10H116芯片將模擬電平變換成較強(qiáng)抗干擾能力的標(biāo)準(zhǔn)PECL電平,又通過安森美的MC100ELT23將該P(yáng)ECL電平變換成標(biāo)準(zhǔn)的CMOS電平,這樣可以直接作為IXDD415的輸入信號。
為了減小電源噪聲對抖動帶來的不利影響,對于光纖器件及電平轉(zhuǎn)換芯片電源,不僅采用了電容濾波的方法,而且電源和地線分別串聯(lián)1.2 μH電感濾波,對于光纖器件,進(jìn)一步設(shè)計了1個RC濾波電路對該器件的電源進(jìn)行處理。對于IXDD415,為了獲得低輸出阻抗,一個常用方法是旁路電容的容值高出負(fù)載電容兩個數(shù)量級,根據(jù)負(fù)載,旁路電容選擇為4.7μF,0.47 μF,0.1 μF容值的貼片低感脈沖電容。電路設(shè)計如圖4所示。#p#分頁標(biāo)題#e#
圖4 Q開關(guān)光電轉(zhuǎn)換及觸發(fā)電路
3 試驗(yàn)
對于具有低阻輸出的快信號脈沖,測試時采用了10倍衰減器和50 Ω匹配頭,測試波形如圖5所示。
圖5 測試波形
基準(zhǔn)信號指來自延時同步機(jī)的同步輸出信號,在對單元進(jìn)行了5 min預(yù)熱后,連續(xù)進(jìn)行了30次試驗(yàn),每次試驗(yàn)間隔20s,試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。
表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)
延時主要由光纖長度和Q開關(guān)光電轉(zhuǎn)換及驅(qū)動單元固有延時兩部分組成,根據(jù)該試驗(yàn)結(jié)果,相鄰兩次試驗(yàn)間最大延時差為0.5 ns,30次試驗(yàn)延時極差為0.6ns,抖動為0.07ns,達(dá)到設(shè)計要求。
4 結(jié)論
Z裝置同步觸發(fā)系統(tǒng)的抖動主要來源于Q開關(guān)光電轉(zhuǎn)換與觸發(fā)系統(tǒng)。減小Q開關(guān)光電轉(zhuǎn)換與觸發(fā)系統(tǒng)的抖動是Z裝置24個激光觸發(fā)氣體閉合開關(guān)同步動作的重要技術(shù)基礎(chǔ)。因此,本文對Q開關(guān)光電轉(zhuǎn)換及觸發(fā)單元的抖動進(jìn)行了理論分析,給出一般設(shè)計原則,并據(jù)此設(shè)計電路,試驗(yàn)結(jié)果表明信號前沿及抖動滿足設(shè)計要求,該單元已應(yīng)用到Z裝置單路樣機(jī)中。在下一步工作中,將進(jìn)行24路全系統(tǒng)聯(lián)試及復(fù)雜電磁環(huán)境下抗干擾能力測試。
轉(zhuǎn)載請注明出處。