楊金寶， 周 燕， 范松濤， 曾華林， 王新偉

(中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所光電系統(tǒng)實驗室，北京 100083)

0 引言

選通三維成像可以廣泛地用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、夜視安防等技術(shù)領(lǐng)域［1-2］。選通三維成像與傳統(tǒng)選通成像方式相比，對像增強器門控信號的脈寬和頻率提出更高的要求。如基于步進延時的三維成像方式的脈寬和延時精度須達納秒級甚至皮秒級［3］。用于制導(dǎo)等技術(shù)的三維成像方式須對大景深大目標(biāo)進行實時成像，從而要求可變的脈寬以獲取不同景深的目標(biāo)切片和較高的重復(fù)頻率以快速實時成像［4-5］。因此高重頻、脈寬可變的大幅值、窄脈沖、快速上升、下降沿的可控的高速門控技術(shù)一直是三維選通成像技術(shù)的核心和難點。

實現(xiàn)高速門控技術(shù)主要有基于陰極選通、基于MCP選通和基于熒光屏選通3種方式，其中陰極選通方式由于選通幅值低，靈敏度高，是最常用的選通控制方式［6］。目前作為陰極選通像增強器的高速門控開關(guān)有基于雪崩三極管［6-7］和功率 MOSFET［8-9］，雪崩三極管開關(guān)速度快，脈沖上升下降沿小，但脈寬不易控制;功率MOSFET開關(guān)速度快，抗干擾能力強，但寄生參數(shù)較大，且在控制電路中加入電平移位電路實現(xiàn)負壓選通，控制電路的穩(wěn)定性降低。另外也有報道使用推挽MOSFET開關(guān)的方法設(shè)計高速門控開關(guān)電路，但需要使用隔離驅(qū)動，反相器的制作需通過纏繞自制線圈，引入大量的寄生參數(shù)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，時序控制精度不高，噪聲信號干擾大［10］。

本文在傳統(tǒng)基于功率MOSFET高速陰極選通門控開關(guān)的基礎(chǔ)上，提出一種基于PMOS和功率三極管的互補級聯(lián)高速門控開關(guān)技術(shù)，該方案可為三維選通實時成像系統(tǒng)提供高速門控信號。

1 高速門控開關(guān)的設(shè)計

陰極選通電壓為-200 V，關(guān)斷電壓40 V，由于選通時間很短，陰極開關(guān)時序信號的占空比接近于1，為實現(xiàn)大幅值的正負壓快速選通，本文提出采用功率PMOS和功率三極管互補級聯(lián)的方式，產(chǎn)生所需的陰極高壓門控開關(guān)信號。所研制的三維選通門控開關(guān)主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 三維門控開關(guān)技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technological parameters of 3D gate-control switch

互補級聯(lián)高速門控開關(guān)電路主要包括脈沖整形部分，前級開關(guān)部分和后級開關(guān)部分，電路原理如圖1所示。

圖1 互補級聯(lián)選通開關(guān)原理圖Fig.1 Complementary cascade gating switch

初始低壓TTL信號由于邊沿震蕩大，經(jīng)整形模塊整形后進入PMOS驅(qū)動模塊，得到峰值電流達數(shù)安的強驅(qū)動信號，該信號進入互補級聯(lián)模塊，先對PMOS進行開關(guān)，獲得低電平為-200 V的高速正脈沖，進而觸發(fā)功率三極管，最終獲得低電平為-200 V，高電平為40 V的選通負脈沖信號。

脈沖整形部分，選通三維成像時序精度高，要求有較好的平頂脈沖觸發(fā)信號，以免三維成像中觸發(fā)電平誤判，從而引起子幀信息的丟失。

選通三維門控開關(guān)的觸發(fā)信號是TTL信號，該信號一般由高速數(shù)字處理電路(如CPLD或FPGA)產(chǎn)生［11］。但數(shù)字電路產(chǎn)生的信號波形邊沿震蕩較大，且數(shù)字電路產(chǎn)生的信號高電平一般為3.3 V，與后續(xù)驅(qū)動模塊電平有時不兼容。

本系統(tǒng)設(shè)計采用TTL電平轉(zhuǎn)換芯片74LVC4225將其轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)TTL信號電平并進行整形，減小信號震蕩以防止出現(xiàn)電平誤判。

前級開關(guān)采用PMOS作為開關(guān)器件，PMOS開關(guān)性能優(yōu)越，閾值電壓高，抗干擾能力強，開關(guān)速度快，波形平整度好。為增加其導(dǎo)通速度，使用PMOS柵極驅(qū)動芯片，使之迅速導(dǎo)通，本設(shè)計中采用MC33151。在關(guān)斷階段，柵極電容需通過柵極串聯(lián)電阻放電，放電速度受柵極串聯(lián)電阻和前級負載限制，為加快柵極電容放電，使PMOS迅速關(guān)斷，采用關(guān)斷加速電路，使柵極電荷在關(guān)斷時迅速放電。因此在級聯(lián)電路的前級使用PMOS能夠為后級開關(guān)提供干凈的開關(guān)觸發(fā)信號。

后級開關(guān)與-200 V的高壓兼容，本設(shè)計中使用功率三極管ZTX857作為開關(guān)器件。功率三極管的頻率特性好，開關(guān)速度快，基極驅(qū)動電流小，在級聯(lián)電路中，不需使用驅(qū)動模塊，開關(guān)電路簡單，減少了級聯(lián)電路的延時。功率三極管開關(guān)性能與MOSFET作后級驅(qū)動相比，減少了驅(qū)動延時，寄生參數(shù)少，信號畸變小，具有良好的脈寬保持特性和高重頻性。

在實際電路的設(shè)計中，為增加功率三極管的關(guān)斷速度，對功率三極管加上加速電容或鉗位肖特基二極管，從而減小三極管關(guān)閉時的基區(qū)電荷存儲時間。

功率三極管的導(dǎo)通閾值電壓僅0.8 V，在實際電路中，為避免功率三極管關(guān)閉不完全的情況，將PMOS開關(guān)管的負壓提高幾伏，如器件PMOS的低端電壓改為-203 V或使用一小型隔離電源芯片升壓等。

由于選通開關(guān)信號高頻成分十分豐富，導(dǎo)致尖峰脈沖較多，在電路中有時會引起電平的誤判，因此在實際電路中加入RC尖峰吸收電路，對脈沖進行尖峰整形。設(shè)計完成的實際門控開關(guān)電路如圖2所示。

圖2 實際門控開關(guān)電路圖Fig.2 Gate-control switch circuit in reality

2 門控開關(guān)電路性能分析與仿真

根據(jù)圖3所示的門控開關(guān)電路結(jié)構(gòu)圖，其級聯(lián)門控開關(guān)電路的高頻信號模型如圖3所示。

圖3 互補級聯(lián)開關(guān)模型Fig.3 Model of complementary cascade switch

PMOS和功率三極管的導(dǎo)通和關(guān)斷可以看作是電容充放電過程，PMOS柵極驅(qū)動可等效為一反相放大器U1，其輸出電阻為R1，前級共源型PMOS開關(guān)采用高頻開關(guān)模型，由柵極電阻Rg、柵源電容Cgs、柵漏電容Cgd、源漏電容Cds、溝道電流Id、源漏導(dǎo)通電阻Ron和寄生電感L組成，其中Cgs、Cgd主要由柵極絕緣層引起，器件封裝時在漏源引入Cds。源漏導(dǎo)通電阻和源漏溝道電流分別為

式中:μn為電子遷移率;Z為溝道寬度;L為溝道長度;Vth為MOS導(dǎo)通閾值電壓。

功率三極管采用高頻混合π模型，即由發(fā)射結(jié)結(jié)電容 Cbe、結(jié)電阻Rbe，集電結(jié)結(jié)電容 Cbc、結(jié)電阻 Rbe和受控電流源Ic組成，它代表了基區(qū)貯存電荷的動態(tài)增長變化對發(fā)射結(jié)外加電壓增長變化的依賴關(guān)系，即Vbe的改變導(dǎo)致基區(qū)電荷的改變，從而使Ic增加。

當(dāng)輸入為一正脈沖時，經(jīng)PMOS驅(qū)動器后變?yōu)橐回撁}沖，進而對PMOS進行開關(guān)。當(dāng)柵極電壓為低時，柵電容Cgs開始放電，PMOS打開，導(dǎo)通延時時間為

PMOS導(dǎo)通后出現(xiàn)漏極電流Id，Rds迅速減小，存儲在Cds和Cgd上的電荷開始通過溝道放電，Vds下降，輸出脈沖上升時間

式中:CBin是功率三極管的等效輸入電容;Rds為PMOS導(dǎo)通電阻。與導(dǎo)通類似，PMOS的關(guān)斷過程是對柵電容進行充電，使Vgs低于閾值電壓。PMOS關(guān)斷時，柵極電容需經(jīng)過柵極電阻放電，致使關(guān)斷時間加大。由于已設(shè)計關(guān)斷加速電路

關(guān)斷后，Cds充電，Vds開始上升，設(shè)R2為漏極負載，則輸出脈沖下降時間為

功率三極管的開關(guān)分析與場效應(yīng)管相似，只是三極管是電流驅(qū)動，是出現(xiàn)一定基極電流后開始導(dǎo)通。當(dāng)三極管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r，存儲在基區(qū)的電荷需通過基極電阻釋放，這段時間稱為反向恢復(fù)時間，通過加速電容和肖特基鉗位可大大減少反向恢復(fù)時間，其他分析方法與MOS相同，本文不再贅述。最后門控開關(guān)輸出脈沖寬度為

式中:WTTL為TTL觸發(fā)信號脈寬;BJT為功率三極管;tr|PMOS為前級開關(guān)PMOS的上升時間;tf|PMOS為前級開關(guān)PMOS的下降時間;tr|BJT為后級開關(guān)功率晶體管的上升時間;tf|BJT為后級開關(guān)功率晶體管的下降時間。由式(8)知，前級PMOS開關(guān)脈沖的上升時間tr|PMOS需要被減去，主要是后級采用功率三極管作開關(guān)，導(dǎo)通電壓僅0.8 V，因此在計算最終脈寬時，這項不應(yīng)包括在內(nèi)。由式(8)還可以看出本文設(shè)計的高速門控開關(guān)可以獲得比TTL觸發(fā)脈沖更窄的脈寬，這是傳統(tǒng)門控開關(guān)所無法得到的。設(shè)置器件模型，使用PSPICE軟件仿真，考慮到實際電路，設(shè)各寄生電感L設(shè)置為40 nH。參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 仿真參數(shù)表Table 2 Parameters of simulation

由式(7)知，選通脈沖下降時間tf=9.55 ns，由式(5)有，上升時間 tr=21.1 ns。由式(1)～式(8)有，Wp=105.75 ns，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 門控開關(guān)仿真圖Fig.4 Simulation of gate-control switch

從仿真結(jié)果可看出，選通脈沖上升沿時間為18 ns，下降沿時間為 8 ns，脈寬 97.5 ns，與分析符合較好，脈寬比觸發(fā)TTL信號小的原因主要是因為寄生電感L使得前級PMOS開關(guān)的下降時間增大造成的。

3 門控開關(guān)的實現(xiàn)與實驗

實際電路中，PMOS采用FQA9P25，功率三極管為ZTX857，二者電學(xué)參數(shù)如表3所示。

表3 PMOS與功率三極管電學(xué)參數(shù)Table 3 Electrical parameter of PMOS and power transistor

開關(guān)電路在PCB板上設(shè)計并實現(xiàn)，實物如圖5a所示。實驗中，示波器為力科WaveRunner 204MXi-A，PMOS漏極電阻 R2=25 Ω，功率三極管集電極電阻R3=300 Ω。通過FPGA輸入脈寬50 ns，頻率1 kHz的時序脈沖信號，經(jīng)整形模塊后的前后對比如圖5d、圖5e所示。由式(7)知，選通脈沖下降時間tf=7.0 ns，由式(5)有，上升時間tr=21.8 ns。由式(1)～式(8)有，Wp=48.72 ns。實驗得到脈寬為 50 ns，上升時間24.6 ns、下降時間 13.4 ns，高電平為 40 V，低電平為-200 V的高速高壓陰極選通脈沖，如圖5b所示。理論與實驗的差別主要是由于在實際電路板中，信號走線引起的寄生參數(shù)使得開關(guān)時域特性變差，脈沖上升、下降沿時間增大。但由于采用功率三極管作為后級開關(guān)，導(dǎo)通電壓小，僅0.8 V，使得脈寬特性變好，剛好部分抵消寄生參數(shù)引起的不利影響，使得該門控開關(guān)具有良好的脈寬特性，而傳統(tǒng)的門控開關(guān)，不管是基于雪崩三極管型還是普通MOSFET型，由于寄生參數(shù)的影響，脈寬特性均要變差。另外門控信號脈寬可調(diào)，圖5c為脈寬是200 ns的門控信號。實驗中最高重復(fù)頻率100 kHz，如圖5f所示。

5 實驗結(jié)果圖Fig.5 Experiment results

實驗表明，文中設(shè)計的門控開關(guān)重復(fù)頻率可調(diào)，最高達100 kHz，脈寬可調(diào)，最小脈寬為50 ns，開啟電壓-200 V，關(guān)斷電壓40 V，滿足三維選通門控開關(guān)的技術(shù)要求，與傳統(tǒng)門控開關(guān)相比，減小了寄生參數(shù)，具有良好的脈寬特性和快速的上升、下降沿。從實際的波形看出，實際信號波形與仿真波形存在差別，這主要是由于實際電路中存在寄生電感、電容，致使信號引起畸變造成的，所以在實際電路的布局布線時，要盡量減少寄生電感，如接線盡量短，走線要寬等等。

4 結(jié)論

通過理論和實驗研究表明:互補級聯(lián)方式選通高速陰極開關(guān)通過PMOS作為前級開關(guān)，產(chǎn)生好的脈沖波形，進而驅(qū)動后級功率三極管開關(guān)，實現(xiàn)-200 V和40 V的高速陰極選通。電路穩(wěn)定性好，時序控制精度高，脈沖頻率可調(diào)，脈寬可調(diào)，最小脈寬達50 ns，上升時間 24.6 ns，下降時間 13.4 ns，最高工作頻率100 kHz，而且可以獲得比TTL觸發(fā)脈沖更窄脈寬，完全滿足選通三維成像的高精度時序要求。另外在設(shè)計電路板時，應(yīng)盡量減小布線時引入的寄生參數(shù)，接線盡量短，以免引起脈沖波形的畸變和震蕩。

［1］董進武.機載激光雷達的背景輻射抑制技術(shù)研究［J］.電光與控制，2009，16(7):84-87.

［2］WANG Xinwei,ZHOU Yan,FAN Songtao,et al.Four-dimensional flash trajectory imaging using time-delay-modulated range-gated viewing［J］.Optical Engineering,2006,45(3):4301-4310.

［3］張毅，柏連發(fā)，陳錢，等.循環(huán)步進延時距離選通水下微光三維成像［J］.南京理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2007，31(6):753-757.

［4］ANDERSSON P.Long-range three-dimensional imaging using range-gated laser radar images［J］.Optical Engineering,2006,45(3):4301-4310.

［5］賀敏，胡以華，趙楠翔，等.機載激光三維成像技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.激光與光電子學(xué)進展，2008，45(3):43-49.

［6］周旋.用于近貼聚焦微通道板象增強器的新穎控制電路［J］.電子科學(xué)學(xué)刊，1984，6(6):473-480.

［7］LUNDY A,PARKER J R,LUNSFORD J S,et al.Avalanche transistor pulser for fast-gated operation of microchannel plate image-intensifiers［J］.IEEE,1978,25(1):591-597.

［8］溫偉峰，王偉，張登洪，等.像增強器微型高壓電源設(shè)計［J］.高能量密度物理，2008(4):177-178.

［9］韓振興，李新碗，陳建平，等.像增強器高速選通脈沖形成電路的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.電光與控制，2008，15(12):72-74.

［10］張秀達.新型三維主動光學(xué)成像理論與系統(tǒng)研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2008:95-98.

［11］YANG Jinbao,ZHOU Yan,FAN Songtao,et al.Picosecond timing synchronization control signal for 3D range-gated imaging［C］//SPIE,2011,8192:1-6.