低抖动Q开关光电转换及触发系统设计
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。
2．2 快脉冲产生电路
Q开关驱动信号要求前沿小于2．5 ns，脉宽10 ns至数μs，由发送端光信号决定。IXYS公司的IXDD415是一种用以驱动高速MOSFET门电路的驱动芯片，其主要特点包括：宽输出电压8～30 V，典型前、后沿小于3 ns，典型延时30 ns，最小脉宽6ns，2路输出且单路最大驱动电流达15 A，芯片内部集成过流保护电路，与TTL或CMOS电平兼容。其芯片引脚及说明分别如图3，表2所示。
作为高速驱动芯片，IXDD415的应用须注意：回路电感，旁路电容，地线。为了避免输出脉冲出现严重LC振荡，输出引脚与负载或电缆连接端距离不超过9．5mm，且布线应尽可能宽，以减小回路电感。该驱动芯片输出脉冲信号的前沿越快，则抖动越小，同时为了获得足够的驱动能力，应使IXDD415有足够低的输出阻抗，因此在IXDD415的电源输入引脚引入低电感，低电阻和大的脉冲电流输出能力的旁路电容。IXDD4 15地线的良好处理除了影响到芯片输出的抖动外，还会影响到输出脉冲的后沿，应大面积铺地且与模拟地的连接尽可能短。
2．3 电路设计
AVAG02316Tz的输出信号不能直接作为IXDD415的输入，采用安森美公司的MC10H116芯片将模拟电平变换成较强抗干扰能力的标准PECL电平，又通过安森美的MC100ELT23将该PECL电平变换成标准的CMOS电平，这样可以直接作为IXDD415的输入信号。
为了减小电源噪声对抖动带来的不利影响，对于光纤器件及电平转换芯片电源，不仅采用了电容滤波的方法，而且电源和地线分别串联1．2 μH电感滤波，对于光纤器件，进一步设计了1个RC滤波电路对该器件的电源进行处理。对于IXDD415，为了获得低输出阻抗，一个常用方法是旁路电容的容值高出负载电容两个数量级，根据负载，旁路电容选择为4．7μF，0．47 μF，0．1 μF容值的贴片低感脉冲电容。电路设计如图4所示。
3 试验
对于具有低阻输出的快信号脉冲，测试时采用了10倍衰减器和50 Ω匹配头，测试波形如图5所示。
基准信号指来自延时同步机的同步输出信号，在对单元进行了5 min预热后，连续进行了30次试验，每次试验间隔20s，试验数据如表3所示。
延时主要由光纤长度和Q开关光电转换及驱动单元固有延时两部分组成，根据该试验结果，相邻两次试验间最大延时差为0．5 ns，30次试验延时极差为0．6ns，抖动为0．07ns，达到设计要求。
4 结论
Z装置同步触发系统的抖动主要来源于Q开关光电转换与触发系统。减小Q开关光电转换与触发系统的抖动是Z装置24个激光触发气体闭合开关同步动作的重要技术基础。因此，本文对Q开关光电转换及触发单元的抖动进行了理论分析，给出一般设计原则，并据此设计电路，试验结果表明信号前沿及抖动满足设计要求，该单元已应用到Z装置单路样机中。在下一步工作中，将进行24路全系统联试及复杂电磁环境下抗干扰能力测试。