CN109861076B

CN109861076B - 一种用于半导体激光器的皮秒级脉冲发生电路

Info

Publication number: CN109861076B
Application number: CN201910051936.XA
Authority: CN
Inventors: 陈少强; 冉旭; 刁盛锡; 田赟鹏; 李鹏涛; 徐冬冬; 王亚斯
Original assignee: East China Normal University
Current assignee: East China Normal University
Priority date: 2019-01-21
Filing date: 2019-01-21
Publication date: 2020-08-04
Anticipated expiration: 2039-01-21
Also published as: CN109861076A

Abstract

本发明公开了一种用于半导体激光器的皮秒级脉冲发生电路，包括触发信号模块及CMOS脉冲产生模块，所述触发信号模块连接CMOS脉冲产生模块，CMOS脉冲产生模块产生脉冲输出。本发明利用与门输入与输出之间竞争的关系，从而产生一个短脉冲。脉冲的幅度和脉宽能够通过调节变容管和MOSFET的偏压大小来控制。可以产生脉宽在80ps‑270ns范围，幅度最高达到1.8V的电脉冲信号。可以方便的应用于半导体激光器的驱动。

Description

一种用于半导体激光器的皮秒级脉冲发生电路

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种用于半导体激光器的皮秒级脉冲发生电路。

背景技术

在现代科技中，半导体激光器已经发展的日趋成熟，而在这其中半导体激光器主要以脉冲式激光器为主，它体积小、寿命长，并可采用简单的注入电流的方式来泵浦其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可与之单片集成。并且还可以用不同频率直接进行电流调制以获得不同频率调制的激光脉冲输出。它在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面已经获得了广泛的应用。因此研究出连续可调频率的脉冲发生电路具有很重要的意义。

目前，两种最主要的电脉冲产生方式为：MOS管器件，微波固态器件如雪崩晶体管等。MOS管器件作为开关器件，产生的电脉冲信号更多是作串联使用产生纳秒级高压脉冲，不适用于驱动一般的半导体激光器。微波固态器件一般产生的脉冲功率较大，但脉宽一般在纳秒量级且电路较为复杂，不足以驱动出皮秒级甚至亚皮秒的激光脉冲。因此，想要得到一个脉宽很窄，幅值可观的电脉冲信号，就必须探索其他的脉冲产生方式。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种用于半导体激光器的皮秒级脉冲发生电路。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种用于半导体激光器的皮秒级脉冲发生电路，该电路包括：触发信号模块及CMOS脉冲产生模块，所述触发信号模块连接CMOS脉冲产生模块，CMOS脉冲产生模块产生脉冲输出；其中：所述触发信号模块包括晶振U1、电位器R1、电阻R2、电容C5、电容C6及电容C7，供电电压VCC为3.3V，频率为1.8MHZ,上升沿为1ns。所述晶振U1的VCC端通过并联的三个电容C5、电容C6及电容C7接电源VCC，GND端接地，OUT端通过连接电位器R1控制晶振输出信号的幅值，调节后的输出信号接入到下级CMOS脉冲产生模块，电阻R2与触发信号模块的输出端并联后接地起限流保护作用；

所述CMOS脉冲产生模块包括CMOS脉冲产生芯片Pulse_G、电位器R3、电位器R4、电容C7、电容C8及电容C9，其中CMOS脉冲产生芯片Pulse_G拥有数个管脚分别对应：脚0为Vss端接地；脚1为IN端接前级触发模块输出的触发信号；脚2为TB控制端接电位器R3有效端，电位器R3左右两端一端接电源VDD、一端接地；脚3为OUT端为脉冲信号输出端，脚4为PAD_VDD端接电源VDD；脚5为CORE_VDD端通过并联电容C8、电容C9和电容C10接电源VDD；脚6为TA控制端接电位器R4有效端，电位器R4左右两端一端接电源VDD、一端接地；其中电位器R3和R4通过控制电阻大小来控制TA和TB的输入电压。

所述CMOS脉冲产生芯片Pulse_G包括片内三个反相器B1、反相器B2、反相器B3、MOSFET管M1、MOSFET管M2、MOSFET管M3、变容管C1、变容管C2、变容管C3、变容管C4及与门T1，其中，每个反相器由一个PMOS和一个NMOS组成，PMOS和NMOS的G极连接作为反相器的输入端，PMOS的S极一个NMOS的D极连接作为输出端；三个反相器依次按照反相器B1的输出端与反相器B2的输入端连接，反相器B2的输出端与反相器B3的输入端连接的方式级联，其中反相器B1的输入端连接触发信号，反相器B3的输出端连接与门T1的输入端A；三个反相器B1、反相器B2、反相器B3的PMOS管的D极并联连接电源VDD，反相器B1、反相器B2、反相器B3的NMOS管的S极依次与MOSFET管M1、MOSFET管M2、MOSFET管M3的D极连接后并联接入到TA；变容管C1、变容管C2、变容管C3、变容管C4的一端依次并联在反相器B1、反相器B2、反相器B3、与门T1的输出端，另一端并联到TB；与门T1的输入端B连接触发信号。

本发明的有益效果：

本发明充分利用了当下最为先进的集成电路技术，基于数字逻辑电路中输入输出门之间的竞争-冒险关系产生一个尖峰脉冲，利用CMOS反相器的延迟时间和CMOS供电电压分别控制输出脉宽及幅值作为半导体激光器的触发信号，极具有应用前景。

附图说明

图1为本发明结构图；

图2为本发明CMOS脉冲产生芯片Pulse_G电路图；

图3为本发明CMOS脉冲发生电路的逻辑原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例，对本发明进一步详细说明。

本发明采用触发信号电路和基于40nm工艺的CMOS脉冲发生电路产生超短皮秒级脉冲信号，适合于半导体激光器的驱动应用。

实施例

参阅图1，为本发明结构图，本发明包括两个模块，图中，左边是数据触发信号模块，右边是脉冲发生模块。有源晶振U1产生方波触发信号作为CMOS脉冲发生模块的数据输入，最后由CMOS脉冲发生模块产生幅值和脉冲宽度连续可调的脉冲信号，信号的幅值和脉宽可通过TA和TB调节。

以下分别对本实施例的各个组成部分进行详细说明。

触发信号模块

本实施例中，触发信号模块为一个方波信号发生电路，其中包括有源晶振U1和电位器R1，有源晶振U1的输出端接入电位器R1，电位器R1调节方波信号的幅值，有源晶振U1产生固定频率的方波信号，通过电位器R1产生幅值1.7V，重复频率1.8MHz的方波信号，方波上升沿约1ns。R2为限流电阻接地。

CMOS脉冲产生模块

参阅图1，右边部分为CMOS脉冲产生模块，该模块包括：本发明所设计的CMOS脉冲发生电路芯片Pulse_G、电位器R3和R4、电容C7、C8、C9。其中芯片Pulse_G的脚0为VSS端接地，芯片Pulse_G的脚1为IN端接前级触发信号模块产生的方波数据信号，芯片Pulse_G的脚2为TB输入接电位器R4有效端，R4左右两端一端接电源VDD，一端接地；芯片Pulse_G的脚3为OUT端接脉冲信号的输出；芯片Pulse_G的脚4接VDD；芯片Pulse_G的脚5为CORE_VDD端通过并联电容C8、C9、C10接电源VDD，芯片Pulse_G的脚6为TA输入、接电位器R3有效端，R3左右两端一段接电源VDD，一端接地。其中电位器R3和R4通过控制电阻大小来控制TA和TB的输入电压。

参阅图2，CMOS脉冲产生芯片Pulse_G电路图中，由三个反相器B1、B2、B3组成延时电路，将输入的方波脉冲信号，经过一定的延时后，再经过与门T1来产生同于延时等宽的脉冲波形。所产生波形的脉冲宽度与形状可以通过调节变容管 C1-C4 和 MOS管M1-M3 的偏压来进行控制。其原理逻辑图如图3所示，从简化的原理图可以看出图3中包含了两个逻辑模块，一个非门和一个与门。两者连接方式如图3所示。电路利用输入输出门之间的竞争关系，来产生一个短脉冲。输入波形被分为了两路信号，分别遵循着不同的传输路径。第一路信号直接连接到与门的输入端，第二路信号连接至非门的输入端。由非门引入的传输延时，导致与门的两个输入信号仅有很小一部分交叉，因而产生一个短脉冲。其中，MOS管M1、M2、M3在TA电压下可等效成可变电阻通过控制电路的工作电流大小来控制脉冲波形的幅值和脉宽大小。变容管C1-C4大小通过控制TB电压等效为可调电容从而控制反相器B1、B2、B3的延迟时间进而控制脉冲的宽度和幅值。

所述CMOS脉冲产生模块供电电压VDD为1.1V-2V。

本实施例中，电位器R1取值100Ω，电阻R2取值50Ω，电容C5、C6、C7分别取值10uF、1uF、1nF。

电位器R3和R4取值为100kΩ，电容C8、C9、C10分别取值10uF、1uF、1nF。

供电电压VCC为3.3V，频率为1.8MHz。

本实施例的工作过程如下：

步骤一、触发信号模块通过有源晶振产生一个的方波数据信号经过电位器R1调节工作电压为1.7V，工作频率为1.8MHz的方波数据信号；

步骤二、CMOS脉冲产生模块在触发数据信号到来后，一路直接输入到T1与门的输入端，另一路经过B1、B2、B3经过一定的延迟之后到达与门T1的输入端，根据数字电路中竞争和冒险，从而在与门产生一个尖峰脉冲信号；

步骤三、分别调节电位器R3和R4分别改变M1、M2、M3的等效可变电阻大小和变容管C1、C2、C3、C4的大小来改变反相器的延迟时间和工作电流大小从而可以调节脉冲信号的脉宽和幅值；

步骤四、调节脉冲产生模块供电电压VDD从1.1V到2V，调节脉冲的宽度和幅值。

实际测试表明，本实施例产生的皮秒级脉冲信号，脉宽可调范围为80ps-270ns，脉冲幅值可调范围为600mV-1.8V。脉冲波形稳定，抖动很小，且可调精度高。因此非常适合半导体激光器的脉冲驱动应用。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。根据以上描述，本领域技术人员应当对本发明有了清楚的认识。

此外，上述对各个元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

（1）本实施例中，使用的芯片工艺尺寸为40nm制程，也可以选用其他的工艺尺寸来实现芯片电路的集成化；

（2）变容管的大小也可以根据具体要求来设定，从而可以实现其他参数脉冲信号。

综上所述，本发明主要通过使用晶振产生方波数据信号，在经过三个反相器进行延迟之后在与门产生一个与延迟时间等宽的正脉冲信号后输出到半导体激光器，脉冲信号脉宽和幅值可以通过调节等效电阻、变容管和供电电压的大小来控制，通过实验表明该发明的脉冲发生器满足于半导体激光器的脉冲驱动需求。

上述实施例仅是本发明的一个优选方案，并非用以限制本发明的实质技术内容范围。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，凡在权利要求书所限定的本发明的精神和原则内，对本发明做出修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种用于半导体激光器的皮秒级脉冲发生电路，其特征在于，该电路包括：触发信号模块及CMOS脉冲产生模块，所述触发信号模块连接CMOS脉冲产生模块，CMOS脉冲产生模块产生脉冲输出；其中：所述触发信号模块包括晶振U1、电位器R1、电阻R2、电容C5、电容C6及电容C7，所述晶振U1的VCC端通过并联的三个电容C5、电容C6及电容C7接电源VCC，GND端接地，OUT端通过连接电位器R1控制晶振输出信号的幅值，调节后的输出信号接入到下级CMOS脉冲产生模块，电阻R2与触发信号模块的输出端并联后接地；

所述CMOS脉冲产生模块包括CMOS脉冲产生芯片Pulse_G、电位器R3、电位器R4、电容C7、电容C8及电容C9，其中CMOS脉冲产生芯片Pulse_G拥有数个管脚分别对应：脚0为Vss端接地；脚1为IN端接前级触发模块输出的触发信号；脚2为TB控制端接电位器R3有效端，电位器R3左右两端一端接电源VDD、一端接地；脚3为OUT端为脉冲信号输出端，脚4为PAD_VDD端接电源VDD；脚5为CORE_VDD端通过并联电容C8、电容C9和电容C10接电源VDD；脚6为TA控制端、接电位器R4有效端，电位器R4左右两端一端接电源VDD、一端接地；其中：

所述CMOS脉冲产生芯片Pulse_G包括反相器B1、反相器B2、反相器B3、MOSFET管M1、MOSFET管M2、MOSFET管M3、变容管C1、变容管C2、变容管C3、变容管C4及与门T1，其中，每个反相器由一个PMOS和一个NMOS组成，PMOS和NMOS的G极连接作为反相器的输入端，PMOS的S极一个NMOS的D极连接作为输出端；反相器依次按照反相器B1的输出端与反相器B2的输入端连接，反相器B2的输出端与反相器B3的输入端连接方式级联，其中反相器B1的输入端连接触发信号，反相器B3的输出端连接与门T1的输入端A；反相器B1、反相器B2、反相器B3的PMOS管的D极并联连接电源VDD，反相器B1、反相器B2、反相器B3的NMOS管的S极依次与MOSFET管M1、MOSFET管M2、MOSFET管M3的D极连接后并联接入到TA；变容管C1、变容管C2、变容管C3、变容管C4的一端依次并联在反相器B1、反相器B2、反相器B3、与门T1的输出端、另一端并联到TB；与门T1的输入端B连接触发信号。