低抖动Q开关光电转换及触发系统设计

摘要：“Z-Pinch”装置时其激光触发气体闭合开关有严格时序要求。为实现四倍频Nd：YAG激光器出光时刻的精确控制，开展了激光器Q开关光电转换及触发系统的研究。采用AVAGO公司的高速光电转换器件AVAG02316TZ，将接收到的先信号转换成模拟电压信号，并以PECL(posi-tive emitted-couple-logic)电平形式实现该电信号的板级传输与处理，最终，该信号作为IXYS公司的IXDD415的控制端，以实现低抖动，快前沿的电脉冲输出用以驱动Q开关。电路中采用了电感、电容、RC网络滤波方法，有效减小电源噪声对抖动的影响。该光电转换及触发系统在Z装置单路样机中得到应用，测试结果表明均方根抖动为70 ps，时延极差1ns。
关键词：Z-Pinch；光电转换；抖动；噪声

“Z-Pinch”作为实验室核爆模拟的技术途径在核技术研究领域的重要性日益突出。其负载要在极短时间内获得107 cm／s以上的速度以使其在对称中心Z轴上塌缩时形成高温高密度等离子体、产生大量X光，其脉冲功率装置必须具备较高的能量和功率输出能力。
为了实现在Z箍缩负载上大于8 MA的电流输出，一个由24路模块组成的Z装置被提出。因此功率合成技术成为了Z箍缩装置的核心技术之一，而功率合成的关键在于实现24个激光触发主开关的同步性。作为主开关同步触发系统的重要组成部分，本文开展了低抖动激光器Q开关光电转换及触发系统的研究。

1 系统分析
Z装置触发系统由计算机、延时同步机、Q开关光电转换及触发单元、氤灯光电转换及触发单元和四倍频Nd：YAG激光器组成，目的是为多级多通道气体开关提供精确时序的触发激光脉冲。系统框图如图1所示。

Q开关光电转换及触发单元的输出信号直接控制着激光器的激光输出，它的抖动将影响到气体开关的同步性，其抖动极差要求小于2 ns。理论分析表明造成这种抖动的原因主要有：
1)相邻信号走线之间的串扰。当一根导线的自感增大后，会将其相邻信号线周围的感应磁场转化为感应电流，而感应电流会使电压增大会减小，从而造成抖动。
2)敏感信号通路上的EMI辐射。电源，AC电源线和RF信号源都属于EMI源，与串扰类似，当附件存在EMI辐射时，时序信号通路上感应到的噪声会调制时序信号的电压值。
3)多层基底中电源层的噪声。这种噪声可能改变逻辑门的阀值电压，或者改变阀值电压的参考地电平，从而改变开关门电路所需的电压值。
4)多个门电路同时转换为同一种逻辑状态。这种情况可能导致电源层和地层上感应到尖峰电流，从而可能使阀值电压发生变化。
5)影响半导体晶体材料迁移率的温度因素。可能造成载流子的随机变化。半导体加工工艺的变化，例如掺杂密度不均，也可能造成抖动。

2 电路设计
该触发系统由光电接收与转换单元和快脉冲产生电路组成。根据抖动产生理论，低抖动电路应遵循以下原则：1)尽量减少数字电路芯片的使用；2)对电源进行滤波，减小噪声；3)一些信号线应进行包地处理；4)尽量采用差分信号传输。
2．1 光电转换单元
相比于常见的820 nm链路光纤系统，1 300 nm波长位于光纤的较低色散和衰减区，因此除了能传输更远距离外，在传输过程中光能量更稳定，有利于减小由于光信号造成的抖动。光电转换器件采用的是AVAGO公司的2316TZ光纤接收器。该器件的特点是内部没有集成数字逻辑电路，而是由砷化镓铟光电二极管和跨导前置放大器组成，其输出为模拟信号，因而具有最大155 MHz响应带宽，适用于高速通信或有精确时序要求的应用。此外，AVAG02316Tz可以与50／125 μm和62．5／125 μm规格直径光纤兼容，带来光纤尺寸选择的灵活性。与此对应的是，延时同步机中的光信号发送电路采用的是AVAGO1312。AVAG02316Tz器件引脚及说明分别如图2，表1所示。

该器件只能接收1 300 nm波长光信号，当VCC接+5 V电压，VEE接地时，光电二极管感应到光纤光信号输入时，引脚VO输出电压为1．8V。