“Z-Pinch”作為(wei) 實驗室核爆模擬的技術途徑在核技術研究領域的重要性日益突出。其負載要在極短時間內(nei) 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(ti) 、產(chan) 生大量X光，其脈衝(chong) 功率裝置必須具備較高的能量和功率輸出能力。

　　為(wei) 了實現在Z箍縮負載上大於(yu) 8 MA的電流輸出，一個(ge) 由24路模塊組成的Z裝置被提出。因此功率合成技術成為(wei) 了Z箍縮裝置的核心技術之一，而功率合成的關(guan) 鍵在於(yu) 實現24個(ge) 激光觸發主開關(guan) 的同步性。作為(wei) 主開關(guan) 同步觸發係統的重要組成部分，本文開展了低抖動激光器Q開關(guan) 光電轉換及觸發係統的研究。

　　1 係統分析

　　Z裝置觸發係統由計算機、延時同步機、Q開關(guan) 光電轉換及觸發單元、氤燈光電轉換及觸發單元和四倍頻Nd：YAG激光器組成，目的是為(wei) 多級多通道氣體(ti) 開關(guan) 提供精確時序的觸發激光脈衝(chong) 。係統框圖如圖1所示。

圖1 觸發係統框圖

　　Q開關(guan) 光電轉換及觸發單元的輸出信號直接控製著激光器的激光輸出，它的抖動將影響到氣體(ti) 開關(guan) 的同步性，其抖動極差要求小於(yu) 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擾。當一根導線的自感增大後，會(hui) 將其相鄰信號線周圍的感應磁場轉化為(wei) 感應電流，而感應電流會(hui) 使電壓增大會(hui) 減小，從(cong) 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信號源都屬於(yu) EMI源，與(yu) 串擾類似，當附件存在EMI輻射時，時序信號通路上感應到的噪聲會(hui) 調製時序信號的電壓值。

　　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(cong) 而改變開關(guan) 門電路所需的電壓值。

　　4）多個(ge) 門電路同時轉換為(wei) 同一種邏輯狀態。這種情況可能導致電源層和地層上感應到尖峰電流，從(cong) 而可能使閥值電壓發生變化。

　　5）影響半導體(ti) 晶體(ti) 材料遷移率的溫度因素。可能造成載流子的隨機變化。半導體(ti) 加工工藝的變化，例如摻雜密度不均，也可能造成抖動。

　　2 電路設計

　　該觸發係統由光電接收與(yu) 轉換單元和快脈衝(chong) 產(chan) 生電路組成。根據抖動產(chan) 生理論，低抖動電路應遵循以下原則：1）盡量減少數字電路芯片的使用；2）對電源進行濾波，減小噪聲；3）一些信號線應進行包地處理；4）盡量采用差分信號傳(chuan) 輸。

　　2.1 光電轉換單元

　　相比於(yu) 常見的820 nm鏈路光纖係統，1 300 nm波長位於(yu) 光纖的較低色散和衰減區，因此除了能傳(chuan) 輸更遠距離外，在傳(chuan) 輸過程中光能量更穩定，有利於(yu) 減小由於(yu) 光信號造成的抖動。光電轉換器件采用的是AVAGO公司的2316TZ光纖接收器。該器件的特點是內(nei) 部沒有集成數字邏輯電路，而是由砷化镓銦光電二極管和跨導前置放大器組成，其輸出為(wei) 模擬信號，因而具有最大155 MHz響應帶寬，適用於(yu) 高速通信或有精確時序要求的應用。此外，AVAG02316Tz可以與(yu) 50／125 μm和62.5／125 μm規格直徑光纖兼容，帶來光纖尺寸選擇的靈活性。與(yu) 此對應的是，延時同步機中的光信號發送電路采用的是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

　　該器件隻能接收1 300 nm波長光信號，當VCC接+5 V電壓，VEE接地時，光電二極管感應到光纖光信號輸入時，引腳VO輸出電壓為(wei) 1.8V。

　　2.2 快脈衝(chong) 產(chan) 生電路

　　Q開關(guan) 驅動信號要求前沿小於(yu) 2.5 ns，脈寬10 ns至數μs，由發送端光信號決(jue) 定。IXYS公司的IXDD415是一種用以驅動高速MOSFET門電路的驅動芯片，其主要特點包括：寬輸出電壓8～30 V，典型前、後沿小於(yu) 3 ns，典型延時30 ns，最小脈寬6ns，2路輸出且單路最大驅動電流達15 A，芯片內(nei) 部集成過流保護電路，與(yu) 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(wei) 高速驅動芯片，IXDD415的應用須注意：回路電感，旁路電容，地線。為(wei) 了避免輸出脈衝(chong) 出現嚴(yan) 重LC振蕩，輸出引腳與(yu) 負載或電纜連接端距離不超過9.5mm，且布線應盡可能寬，以減小回路電感。該驅動芯片輸出脈衝(chong) 信號的前沿越快，則抖動越小，同時為(wei) 了獲得足夠的驅動能力，應使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，低電阻和大的脈衝(chong) 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(hui) 影響到輸出脈衝(chong) 的後沿，應大麵積鋪地且與(yu) 模擬地的連接盡可能短。

　　2.3 電路設計

　　AVAG02316Tz的輸出信號不能直接作為(wei) 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抗幹擾能力的標準PECL電平，又通過安森美的MC100ELT23將該PECL電平變換成標準的CMOS電平，這樣可以直接作為(wei) IXDD415的輸入信號。

　　為(wei) 了減小電源噪聲對抖動帶來的不利影響，對於(yu) 光纖器件及電平轉換芯片電源，不僅(jin) 采用了電容濾波的方法，而且電源和地線分別串聯1.2 μH電感濾波，對於(yu) 光纖器件，進一步設計了1個(ge) RC濾波電路對該器件的電源進行處理。對於(yu) IXDD415，為(wei) 了獲得低輸出阻抗，一個(ge) 常用方法是旁路電容的容值高出負載電容兩(liang) 個(ge) 數量級，根據負載，旁路電容選擇為(wei) 4.7μF，0.47 μF，0.1 μF容值的貼片低感脈衝(chong) 電容。電路設計如圖4所示。#p#分頁標題#e#

圖4 Q開關(guan) 光電轉換及觸發電路

　　3 試驗

　　對於(yu) 具有低阻輸出的快信號脈衝(chong) ，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

　　基準信號指來自延時同步機的同步輸出信號，在對單元進行了5 min預熱後，連續進行了30次試驗，每次試驗間隔20s，試驗數據如表3所示。

表3 試驗數據

　　延時主要由光纖長度和Q開關(guan) 光電轉換及驅動單元固有延時兩(liang) 部分組成，根據該試驗結果，相鄰兩(liang) 次試驗間最大延時差為(wei) 0.5 ns，30次試驗延時極差為(wei) 0.6ns，抖動為(wei) 0.07ns，達到設計要求。

　　4 結論

　　Z裝置同步觸發係統的抖動主要來源於(yu) Q開關(guan) 光電轉換與(yu) 觸發係統。減小Q開關(guan) 光電轉換與(yu) 觸發係統的抖動是Z裝置24個(ge) 激光觸發氣體(ti) 閉合開關(guan) 同步動作的重要技術基礎。因此，本文對Q開關(guan) 光電轉換及觸發單元的抖動進行了理論分析，給出一般設計原則，並據此設計電路，試驗結果表明信號前沿及抖動滿足設計要求，該單元已應用到Z裝置單路樣機中。在下一步工作中，將進行24路全係統聯試及複雜電磁環境下抗幹擾能力測試。