CN106707262B - 激光脉冲发射电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光脉冲发射电路，具有门芯片、低压差稳压器、驱动集成芯片和场效应管；所述门芯片的两个输入端并联后与触发信号的输出端相连接，门芯片的输出端与驱动集成芯片的IN端相连，门芯片的电源端通过低压差稳压器后接电源，门芯片的接地端接地；所述驱动集成芯片的电源端接电源，驱动集成芯片的ENBL端接VDD1，AGND端和PGND端均接地，驱动集成芯片的两个输出端并联后通过电阻接至场效应管的栅极；所述场效应管的源极接地，场效应管的栅极依次通过电阻、晶体管和晶体管后与漏极连接。本发明使得激光管在发射激光时，可以满功率发射激光功率。

Description

激光脉冲发射电路

技术领域

本发明涉及激光脉冲测距仪技术领域，特别涉及一种激光脉冲发射电路。

背景技术

激光脉冲发射电路，在激光脉冲测距仪中是普遍使用的电路。它对发射的激光脉冲时有要求的。在相位式激光测距仪中，其发射的激光功率应该≤5mW，这是安全方面的标准要求。而在脉冲测距的应用中，其发射激光的功率应该≤0.4mW，其脉冲的上升沿、下降沿要求≤10ns，激光脉冲的宽度要求≤100ns。

根据提出的技术要求，采用波长为n＝905nm，功率为75W的脉冲发射管电路，应用在激光脉冲测距仪中，其电路结构如图1，其激光管工作状态：

在测量中，真正起作用的是脉冲信号上升沿或是下降沿及脉冲宽度。其上升沿、下降沿决定测量精度，脉冲宽度决定发射能量大小。所以应该尽量缩短脉冲信号的宽度，为一定值，使发射脉冲尽量接近规定的要求。(激光管规定的脉冲宽度为：≤100nS)

在图1中，影响脉冲宽度的主要原因是：电阻R₄对电容充电，激光管的正向导通电阻R_D随着导通电压的减小而增加，其激光管的导通电阻R_D不再是小阻抗，并联在激光管两端的电阻R₃＝100Ω不是很小等造成。

电容器的放电时间τ₁就是激光管发射激光时的上升沿时间，电容器的反向恢复时间τ₂就是激光管停止发射激光所需要的时间(决定激光脉冲的宽度)。其τ₂为：

τ₂＝(R_Q4+R_D1||R₅||R₄)×C₄

导通状态时，R_Q4≤1Ω，R_D1||R₅||R₄≈R₅＝100Ω，C₄＝22nF，

则：τ₂≈2200nS。

由于Q1，Q2,Q3组成的驱动器，其最大驱动电流约为800mA，在脉冲驱动过程中，驱动电流达不到场效应管需要的栅极电流，所以漏极电流达不到激光管发射激光时的最大电流，所以激光功率比较小。因为τ₂≈2200nS所以激光脉冲宽度比较大。具体驱动激光管发光的驱动脉冲波形如图2，

实际测试发射激光脉冲信号波形图如图3

注：1.脉冲前沿约为：6ns

2.脉冲总宽度约为：3000ns

3.激光有效脉冲宽度约为：≥400ns

由于激光功率的峰值是75W，在实际应用中，由于电路的特性，激光管的实际发射激光功率只有约13W，而由于光学结构的影响，实际物镜的出光功率仅为激光功率的十分之一左右，≤1.3W峰值。在脉冲发射的周期中，平均功率为：0.4mW左右。在安全方面基本符合要求，但是，对于脉冲上升沿、下降沿、脉冲宽度方面却存在很大问题，同时，脉冲重复频率不能提高，只有250HZ或以下。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种使得激光管在发射激光时，可以满功率发射激光功率，激光上升沿、下降沿、脉冲宽度都符合技术要求，而且脉冲宽度可调，触发脉冲的重复频率可以很容易达到100KHZ以上，脉冲平均功率符合安全标准的激光脉冲发射电路。

实现本发明目的的技术方案是：一种激光脉冲发射电路，具有门芯片IC1、低压差稳压器IC2、驱动集成芯片IC3和场效应管IC4；所述门芯片IC1的两个输入端并联后与触发信号的输出端相连接，门芯片IC1的输出端与驱动集成芯片IC3的IN端相连，门芯片IC1的电源端通过低压差稳压器后接电源VDD1，门芯片IC1的接地端接地；所述驱动集成芯片IC3的电源端VDD接电源VDD1，驱动集成芯片IC3的ENBL端接VDD1，AGND端和PGND端均接地，驱动集成芯片IC3的两个输出端并联后通过电阻R1接至场效应管IC4的栅极G；所述场效应管IC4的源极S接地，场效应管IC4的栅极G依次通过电阻R3、晶体管Q1和晶体管Q2后与漏极D连接。

上述技术方案所述场效应管IC4的漏极D并联后依次通过电容C3和发光二极管D1后接地。

上述技术方案所述晶体管Q1的基极接电阻R3，发射极接地，集电极接晶体管Q2的基极；所述晶体管Q2的发射极接场效应管IC4的漏极D，集电极通过电阻R4接至其自身的基极。

上述技术方案所述驱动集成芯片IC3的电源端VDD与电源VDD1之间连接有接地的下拉电容C1和C2。

采用上述技术方案后，本发明具有以下积极的效果：

(1)本发明使得激光管在发射激光时，可以满功率发射激光功率，激光上升沿、下降沿、脉冲宽度都符合技术要求，而且脉冲宽度可调，触发脉冲的重复频率可以很容易达到100KHZ以上，脉冲平均功率符合安全标准。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1为传统的激光脉冲发射电路的电路图；

图2为传统的激光脉冲发射电路的驱动脉冲宽度信号图；

图3为传统的激光脉冲发射电路的实际测试发射激光脉冲信号波形图；

图4为本发明的电路图；

图5为本发明的驱动脉冲宽度信号图；

图6为本发明的实际测试发射激光脉冲信号波形图；

具体实施方式

(实施例1)

见图4至图5，本发明具有门芯片IC1、低压差稳压器IC2、驱动集成芯片IC3和场效应管IC4；所述门芯片IC1的两个输入端(1、2管脚)并联后与插座的输出端(3管脚)相连接，门芯片IC1的输出端(4管脚)与驱动集成芯片IC3的IN端(2管脚)相连，门芯片IC1的电源端(5管脚)通过低压差稳压器后接电源VDD1，门芯片IC1的接地端(3管脚)接地；所述驱动集成芯片IC3的电源端VDD(1管脚)接电源VDD1，驱动集成芯片IC3的ENBL端(3管脚)接电源VDD1、AGND端(4管脚)和PGND端(5管脚)均接地，驱动集成芯片IC3的两个输出端(6、7管脚)并联后通过电阻R1接至场效应管IC4的栅极G(4管脚)；所述场效应管IC4的源极S(1、2、3管脚)接地，场效应管IC4的栅极G(4管脚)依次通过电阻R3、晶体管Q1和晶体管Q2后与漏极D(5、7、8管脚)连接。

所述场效应管IC4的漏极D(5、7、8管脚)并联后依次通过电容C3和发光二极管D1后接地，且电容C3和发光二极管D1的公共连接处连接有接地的二极管D2和接地的电阻R5。

所述晶体管Q1的基极接电阻R3，发射极接地，集电极接晶体管Q2的基极；所述晶体管Q2的发射极接场效应管IC4的漏极D(5、7、8管脚)，集电极通过电阻R4接至其自身的基极。

所述驱动集成芯片IC3的电源端VDD(1管脚)与电源VDD1之间连接有接地的下拉电容C1和C2。

驱动电路有三级管电路改成驱动集成电路UCC27322，其特性如下表：

驱动电路UCC27322电路基本参数：

从上述指标中可以看出：

输入高电平电压应该大于2.7V

输入低电平电压应该小于1.1V

输出峰值电流应该≥9A

有效电流应该≥3A(负载为容性，负载电容为10nF)。

可以直接由MPU等IC驱动。

场效应管有FDMC86160组成，其电路基本参数如下：

从场效应管FDMC86160特性曲线可以看出：

A.当V_GS≥10V时，I_D≥50A此时，BV_SD＝0.8～1.0V

B.栅极驱动电流为：

其中：d_t按照如下计算：在脉冲上升沿t_r＝10ns内,驱动电压达到95％时所对应的时间为d_t，

则：所以：

d_t＝ln0.05×τ≈3τ＝3×10ns＝30ns

即当时间为:t_d＝30ns时驱动电压为：V_GS＝10V时，驱动栅极电流为：430mA,漏极电流可以达到：I_D＝50A。

有电路参数可以看出，当驱动电流为430mA时，流经电阻R₁产生的压降为：V_R1＝430mA×2Ω＝0.86V。

因此，前级的驱动电压应该为：

U_out＝0.86V+10V＝10.86V

由于前级电源电压为15V，前级的电功率为：

P_IN≥15V×430mA＝6450mW

电路原理描述如下：

假设：发射高压为60V，当发射脉冲为高电平时，晶体管Q1导通，晶体管Q2截止，电容器C₃＝33nF不充电；晶体管FDMC86160导通，电容C₃上的电通过MC86160放电，此时激光管发光。当发射触发脉冲为低电平时，晶体管Q1截止，使得Q2导通，此时对电容器C₃33nF充电，晶体管Q2导通时，其导通电阻约为：

所以电容器的充电电阻约为：R_on≤1Ω。

此时，充电时间常数为：

τ＝RC≤1Ω×33nF＝33ns(忽略其他影响)。

实际上，当电容器上充电时，激光管不发光，电容器充电时间常数计算为：(在此半个周期内，激光管不发光)

在半周期2.5ms内，电容器上充满电压为：60V。

在触发信号的另外半个周期内，电容器放电，此时当电容器放电时，激光管发射激光。

电容器放电时间常数为：

其中：R_CO----场效应管导通时的电阻。R_CO＝0.023Ω

R_m-----线路板引线等电阻。R_m≤1Ω(取0.6Ω)

R_D2----激光管导通时的电阻。

随着导通电压变化，其电阻值是变化的。

导通时的电阻为：

随着导通电压的降低，其导通电阻将增加。由于并联电阻R₅＝3Ω，所以估算时以最大值3Ω计算。

R₅-------外接电阻值。试验中R₅可以取值为：3Ω或者4.7Ω。

则：总电阻约为：3.7Ω左右。

电容器反向回复时间为：t₂＝3.7×33nF＝122.1nS

脉冲保持宽度为：

(实际试验时，R₅＝4.7Ω，C₃＝33nF，反向回复时间为：

t₂＝5.4×33nF＝178.2nS

脉冲保持宽度为：

脉冲上升沿时间是激光管开始发激光时间为:t₁，脉冲下降沿就是激光管不发光的时间：t₂，如果假设：激光管发光的阈值是：8V，不发激光的阈值是：7.5V，则脉冲上升沿及下降沿时间约为：

具体驱动激光管发光的驱动脉冲波形如图5。

实际测试信号波形图结果如图6：

实际测试激光管发光的时间为：

上升时间约为：6ns

下降时间约为：6nS

脉冲宽度是：τ₀＝30nS

脉冲总宽度：T_o＝45nS

脉冲幅度：U_k＝27.8V

脉冲频率约为：

根据激光管PL90-3的参数显示，激光工作电压为：

最小值：8V

典型值是：9V

最大值是：11V

峰值功率：P_O＝75W

在脉冲测距仪中，如果激光管的输出功率为90W峰值，则在重复频率为：200HZ时，重复周期为：5ms的间隔内，其平均功率约为：

将超过人眼I类安全标准(0.4mW)，不符合安全标准的要求，所以将脉冲重复频率降低如：100HZ。此时，重复周期为：10mS则平均功率为：0.33mW，将符合人眼I类安全标准(0.4mW)。

由于脉冲信号的宽度降低到：τ₀＝30nS，所以脉冲重复频率可以很高达到约10MHZ以上。而且其脉冲宽度可以通过调整电容C的大小而改变。实际使用时，当选择C＝5000pF时，脉冲宽度实际测量只有约4ns左右，脉冲上升沿、下降沿约为4ns。

在脉冲测距仪的使用中，元件取值为：

发射电容：C＝33nF

并联电阻：R₅＝4.7Ω

脉冲上升沿：t₁≈5.6nS

脉冲下降沿：t₂≈5.6nS

脉冲宽度：t_d≈30nS

脉冲总宽度：T_o≈42nS

脉冲幅度：U_k＝34.6V

因为并联电阻R₅＝4.7Ω的作用，在激光发射时间内要分流部分电流，电阻R₅上的分流电流为：

此时激光管的最大电流为：I_D≈50A-11A＝39A。

实际的脉冲幅度会比电容器C₃＝33nF的充电电压60V为低，只达到约34.6V。从激光管发光曲线查得，当激光管流过电流为39A时，激光管峰值功率约为:80W。因此，激光管可以运用在满功率的工作状态下。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种激光脉冲发射电路，其特征在于：具有门芯片IC1、低压差稳压器IC2、驱动集成芯片IC3和场效应管IC4；所述门芯片IC1的两个输入端并联后与触发信号的输出端相连接，门芯片IC1的输出端与驱动集成芯片IC3的IN端相连，门芯片IC1的电源端通过低压差稳压器后接电源VDD1，门芯片IC1的接地端接地；所述驱动集成芯片IC3的电源端VDD接电源VDD1，驱动集成芯片IC3的ENBL端接VDD1，AGND端和PGND端均接地，驱动集成芯片IC3的两个输出端并联后通过电阻R1接至场效应管IC4的栅极G；所述场效应管IC4的源极S接地，场效应管IC4的栅极G依次通过电阻R3、晶体管Q1和晶体管Q2后与漏极D连接；

所述场效应管IC4的漏极D并联后依次通过电容C3和发光二极管D1后接地；

所述晶体管Q1的基极接电阻R3，发射极接地，集电极接晶体管Q2的基极；所述晶体管Q2的发射极接场效应管IC4的漏极D，集电极通过电阻R4接至其自身的基极。

2.根据权利要求1所述的激光脉冲发射电路，其特征在于：所述驱动集成芯片IC3的电源端VDD与电源VDD1之间连接有接地的下拉电容C1和C2。