一种窄脉宽高重复频率脉冲电流源的电路结构的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种窄脉宽高重复频率脉冲电流源的电路结构，其特征在于，包括可调基准电压输入模块(1)、电流源模块(2)、可调窄脉冲产生和整形模块(3)、高速选择模块(4)以及电流镜模块(5)；其中，所述的可调基准电压输入模块(1)、电流源模块(2)、电流镜模块(5)依次电连接，所述的可调脉冲产生和整形模块(3)、高速选择模块(4)、电流镜模块(5)依次电连接。本发明能够调节脉冲宽度、电流大小以及脉冲频率，并且具有脉宽窄，重复频率高，电流大，过冲小，前沿陡峭的优点。
【专利说明】一种窄脉宽高重复频率脉冲电流源的电路结构
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体激光器驱动源【技术领域】，更具体的说，涉及一种窄脉宽高重复频率大电流低过冲的脉冲电流源电路结构。
【背景技术】
[0002]随着半导体激光器制造工艺和设计水平的发展，重复频率高、前沿快、脉宽窄、峰值功率高的半导体激光器在工业、军事、科研等领域获得了广泛应用，特别是在激光测距、激光雷达、激光通信等领域。高功率半导体激光器要获得一个大能量、窄脉宽的光脉冲，就需要一个能提供良好驱动的脉冲电流源，其不仅要求输出的电流脉冲有高的重复频率、快的上升沿、窄的脉冲宽度、一定的幅值，而且输出的电流脉冲的波形一定要平滑、稳定。
[0003]在国内，虽然有采用雪崩晶体管、闸流管或功率MOS管的窄脉冲电流源，其输出脉宽可达纳秒级，但其输出脉冲信号的前沿、脉宽、频率、峰值电流等都受限于晶体管本身的参数特性，不能随意调节。也有采用基于深度电流负反馈的脉冲电流源实现脉冲电流的输出，但是仅限于微秒级的脉宽和响应时间，无法满足窄脉宽、高重复频率的特性
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述脉冲电流源电路脉宽不够窄，重复频率不够高，脉冲高度不够大，前沿不够陡峭，过冲过大的缺陷，提供了一种脉冲电流源电路结构，能够调节脉冲宽度、电流大小以及脉冲频率，并且具有脉宽窄，重复频率高，电流大，过冲小，前沿陡峭的特点。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:(不用管)
[0006]实施本发明的脉冲电流源电路，具有以下有益效果:
[0007]1、使用数模转换芯片提供基准电压，通过深度负反馈电路实现了输出电流大小的数字化控制和调节；
[0008]2、使用脉冲生成和整形电路，结合电流镜结构，实现了对电流脉冲宽度以及脉冲重复频率的数字化控制和调节；
[0009]3、利用专门的基于运放的深度负反馈电路产生恒流源，利用电流镜电路来复制电流，基本隔绝了输出负载对反馈恒流电路的影响，从而使电流源模块输出电流更稳定，进一步使得电流脉冲更稳定，前沿更陡峭，过冲更小；
[0010]4、通过对变形的电流镜电路的控制，使脉冲的开关特性作用在MOS管的控制端，而不是直接作用在电流回路上，从而使脉冲电流的频率更大，脉宽更窄，前沿更陡峭，电流变化范围更大。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是本发明窄脉宽高重复频率大电流低过冲的脉冲电流源电路的系统结构示意图；
[0012]图2是本发明窄脉宽高重复频率大电流低过冲的脉冲电流源电路的可调基准电压输入模块的结构示意图；
[0013]图3是本发明窄脉宽高重复频率大电流低过冲的脉冲电流源电路的电流源模块的原理不意图；
[0014]图4是本发明窄脉宽高重复频率大电流低过冲的脉冲电流源电路的可调脉冲产生和整形模块的结构示意图；
[0015]图5是本发明窄脉宽高重复频率大电流低过冲的脉冲电流源电路的高速选择模块和电流镜模块的原理示意图。
【具体实施方式】
[0016]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
[0017]需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。且在附图中，以简化或是方便标示。再者，附图中未绘示或描述的实现方式，为所属【技术领域】中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。
[0018]请参阅图1所示，本发明提供一种窄脉宽高重复频率大电流低过冲的脉冲电流源的电路结构，包括:
[0019]可调基准电压输入模块1，电流源模块2，可调脉冲产生和整形模块3，高速选择模块4，电流镜模块5。其中，所述的可调基准电压输入模块1、电流源模块2、电流镜模块5依次电连接，所述的可调脉冲产生和整形模块3、高速选择模块4、电流镜模块5依次电连接。
[0020]下面对本发明的一种窄脉宽高重复频率大电流低过冲的脉冲电流源的各个装置做进一步说明。
[0021]可调基准电压输入模块I是脉冲电流源的输入接口电路，其功能是将外部输入的指定电流大小的数字量转化为电压模拟量，以驱动后级的电流源模块2。
[0022]电流源模块2在基准电压输入模块I所产生的基准电压量控制下，通过深度负反馈原理，产生稳定的、电流大小确定的恒定电流，其电流幅值与基准电压输入模块I的输出值--对应。
[0023]可调脉冲产生和整形模块3也是脉冲电流源的输入接口电路，其功能是将外部输入的指定电流脉冲宽度和脉冲频率的数字量转化为具体的脉冲波形，并且保证边沿陡峭，以驱动后级的高速选择模块4。
[0024]高速选择模块4在可调脉冲产生和整形模块3所产生的指定脉宽和频率的脉冲信号的控制下，分别接通两路不同的信号。当脉冲信号为低电平时，该模块选通电流镜模块5的电源信号，当脉冲信号为高电平时，该模块选通电流镜模块5的晶体管PMOSl的栅极信号，以驱动电流镜模块5的晶体管PM0S2的栅极。
[0025]电流镜模块5为脉冲电流源的输出接口电路，其功能是输出所需的脉冲电流。当高速选择模块4输出的是电源信号时，晶体管PM0S2的栅极电压等于源极电压，此时电流镜结构不成立，输出无电流，当高速选择模块4输出的是晶体管PMOSl的栅极信号时，晶体管PMOSl和PM0S2共栅极，此时构成电流镜结构，复制电流源模块2的电流。
[0026]下面对本发明的一种窄脉宽高重复频率大电流低过冲的脉冲电流源的各个装置的结构做详细描述。
[0027]参考图2，可调基准电压输入模块I包括:数模转换器11和运算放大器12 ;其中数模转换器11，完成电流脉冲高度对应数字量到对应模拟量电流的转换，与运算放大器12相连；运算放大器12，完成数模转换器11输出的电流模拟量到电压模拟量的转换，与电流源模块2的运算放大器Ul的正向输入端相连，此处对模数转换器11没有特殊要求，并行或者串行都可以，根据实际电流大小调节的步进选择模数转换器11的位数。
[0028]参考图3，电流源模块2包括:运算放大器Ul，电阻Rl、R2、R3、Rs，电容C1、C2，晶体管NM0S1，组成了基于运算放大器的深度负反馈电流源电路；其中电阻Rl和电容Cl并联，该并联电路的输入端接运算放大器Ul的输出端，输出端连接到晶体管NMOSl的栅极，电阻R2和电容C2串联，该串联电路的电阻端接运算放大器Ul的反向输入端，电容端接地，电阻R3连接运算放大器Ul的反向输入端和晶体管NMOSl的源极，电阻Rs—端接晶体管NMOSl的源极，一端接地，晶体管NMOSl的漏极接电流镜模块5的输入端，所述运算放大器Ul的正向输入端接可调基准电压输入模块I。其中，所述电阻Rl和电容Cl并联可以为晶体管NMOSl的输入端引入一个零点，从而消除了 NMOSl栅源电容引入的极点作用。由瞬态方法分析，Cl两端电压不可突变，因此运放Ul输出电压的变化会迅速反应到NMOSl的栅极，即Cl使为栅源电容充电的电流相位提前了 η/2，因此Cl起到了加速电容的作用，其补偿称为加速补偿或超前补偿。
[0029]其中，假设可调基准电压输入模块I输入到运算放大器Ul正向输入端的电压值为U+，运算放大器Ul反向输入端的电压值为U-，则根据运算放大器“虚短”的原理，有公式(I)
[0030]U+ = U- (I)
[0031]根据运算放大器“虚断”的原理，可知电阻R2和电阻R3、电容C2中基本没有电流流过，令取样电阻Rs两端的电压为Us，流过的电流为Is，则有公式(2) (3)
[0032]Us = U- (2)
[0033]Is = Us/Rs (3)
[0034]则根据公式⑴、⑵和(3)，我们可知有公式(4)
[0035]Is = Us/Rs = U_/Rs = U+/Rs (4)
[0036]此Is即为电流源模块2输出的电流。当输出的电流大于Is时，我们可知Rs两端的电压Us将会增加，则运算放大器Ul的负向输入端电压U-也会增加，根据运放的工作原理，则运放的输出电压Uo将会降低，则晶体管NMOSl的导通电阻增加，从而导致输出的电流Is降低，反之亦然，从而达到深度负反馈的目的，从而使输出的电流稳定在Is。
[0037]参考图4，可调脉冲产生和整形模块3包括:脉冲产生电路31和脉冲整形电路32 ；其中脉冲产生电路31能够生成可变脉冲宽度和可变脉冲频率的脉冲，与脉冲整形电路32的输入端相连，这里脉冲产生电路实现的方式有很多，可以用FPGA实现，也可以用ARM等微控制器的PWM模块实现，方法不局限。脉冲整形电路32，能够对脉冲产生电路31生成的脉冲进行整形，使边沿更陡峭，其输出端与高速选择模块4的输入端相连，其一般利用高速的逻辑门电路实现，比如带施密特触发器的非门等，方法也不局限于此。
[0038]参考图5，高速选择模块4是一个高速的二选一选通器，通过脉冲整形电路32输出的脉冲控制二选一开关的通断，其两个信号输入端分别与电流镜模块的供电电源信号以及电流镜模块的第一晶体管的栅极信号相连，其控制端与脉冲整形电路的输出端相连，其输出端接电流镜模块的第二晶体管的栅极。当脉冲为低电平时，其选通的是电流镜模块5的供电电源信号，当脉冲为高电平时，其选通的是电流镜模块5的晶体管PMOSl的栅极信号，其输出端接电流镜模块5的晶体管PM0S2的栅极。这里的二选一选通器可以是高速的模拟开关，可以是晶体管搭建的开关电路，方法不局限。电流镜模块5采用变形的电流镜结构，包括:晶体管PMOSl和晶体管PM0S2,两者可以在闻速选择|旲块4的控制下决定是否形成电流镜电路，晶体管PMOSl的栅极和漏极相连，接电流源模块2的输出端，晶体管PMOSl的栅极还与高速选择模块4的第一输入端相连，晶体管PMOSl的源级连接至电流镜模块5的电源信号VP ;晶体管PM0S2的栅极跟高速选择模块4的输出端相连，晶体管PM0S2的漏极接输出端，输出脉冲电流。晶体管PM0S2的源极和高速选择模块的第二输入端相连，接至电流镜模块5的电源信号VP ;当所述高速选择模块4选择接通第一输入端和输出端时，所述晶体管PMOSl和PM0S2的栅极连通，形成电流镜电路，而当所述高速选择模块4选择接通第二输入端和输出端时，所述电流镜模块5的电源信号VP连接至晶体管PM0S2的栅极，晶体管PM0S2的栅极和源极连通；这里的电流镜电路并不局限于1:1的复制电流，可以成倍数的复制电流，这里仅以等比例复制为例。
[0039]其中，如果假定通过PMOSl的电流为Isdl，通过PM0S2的电流为Isd2，则根据电流镜的工作原理，有公式(5)
[0040]Isdl = Isd2 (5)
[0041]又由于电流镜模块5中的晶体管PMOSl与电流源模块2中的采样电阻Rs是串联的关系，因此有公式(6)
[0042]Is = Isdl = Isd2 (6)
[0043]这样，我们可以知道，当可调脉冲产生和整形模块3产生的脉冲为高电平时，高速选择模块4选通的是电流源模块5的PMOSl栅极信号，则此时PMOSl和PM0S2的栅极相连，构成了电流镜结构，按照公式(6)，则此时输出电流Is，其宽度跟脉冲的宽度相同，当脉冲产生和整形模块3产生的脉冲为低电平时，高速选择模块4选通的是电流源模块5的电源信号，则此时PM0S2的栅极和源级相连，无法构成电流镜结构，PM0S2关断，则此时不输出电流，不输出电流时间与脉冲低电平时间宽度相同，综上所述，则生成所需的脉冲电流源。
[0044]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，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。
【权利要求】
1.一种窄脉宽高重复频率脉冲电流源的电路结构，其特征在于，包括可调基准电压输入模块(I)、电流源模块(2)、可调窄脉冲产生和整形模块(3)、高速选择模块(4)以及电流镜模块(5);其中，所述的可调基准电压输入模块(I)、电流源模块(2)、电流镜模块(5)依次电连接，所述的可调脉冲产生和整形模块(3)、高速选择模块(4)、电流镜模块(5)依次电连接； 所述可调基准电压输入模块用于将外部输入的指定电流大小的数字量转化为基准电压模拟量； 所述电流源模块在基准电压输入模块所产生的基准电压模拟量控制下，通过深度负反馈原理，产生恒定电流，作为电流镜模块的电源信号； 可调脉冲产生和整形模块将所述外部输入的指定电流脉冲宽度和脉冲频率的数字量转化为脉冲信号； 高速选择模块在可调脉冲产生和整形模块所产生的脉冲信号的控制下，选择接通两路不同的输入信号；所述两路输入信号为电流镜模块的电源信号和电流镜模块的第一晶体管的栅极信号； 电流镜模块，其包括第一晶体管和第二晶体管，在所述高速选择模块选通电源信号时，不输出电流，在所述高速选择模块选通所述第一晶体管的栅极信号时，所述第一晶体管和第二晶体管构成电流镜结构，并复制所述电流源模块的电流后输出。
2.根据权利要求1所述的电路结构，其特征在于，所述可调基准电压输入模块(I)包括: 数模转换器(11)，用于将所述指定电流脉冲幅度对应的数字量转换成对应的模拟量电流； 运算放大器(12)，用于将数模转换器(11)输出的模拟量电流转换成模拟量电压后输出。
3.根据权利要求1所述的电路结构，其特征在于，所述电流源模块(2)包括: 深度负反馈电流源电路，包括:运算放大器，第一电阻、第二电阻、第三电阻、取样电阻，第一电容、第二电容和第三晶体管；其中所述第一电阻和第一电容构成并联电路，该并联电路的输入端接运算放大器的输出端，输出端连接到第三晶体管的栅极，第二电阻和第二电容组成串联电路，该串联电路的电阻端接运算放大器的反向输入端，电容端接地，第三电阻连接运算放大器的反向输入端和第三晶体管的源极，取样电阻一端接第三晶体管的源极，一端接地，第三晶体管的漏极接电流镜模块，所述运算放大器Ul的正向输入端接可调基准电压输入模块的输入端。
4.根据权利要求1所述的电路结构，其特征在于，所述可调脉冲产生和整形模块包括: 脉冲产生电路(31)，用于生成可变脉冲宽度和可变脉冲频率的脉冲； 脉冲整形电路(32)，用于对脉冲产生电路生成的脉冲进行整形，使前沿陡峭，其输出端与高速选择模块的输入端相连。
5.根据权利要求1所述的电路结构，其特征在于，所述高速选择模块是一个高速的二选一选通器，其两个输入端分别与电流镜模块的电源信号以及电流镜模块的第一晶体管的栅极信号相连，其控制端与脉冲整形电路的输出端相连，其输出端接电流镜模块的第二晶体管的栅极。
6.根据权利要求1所述的电路结构，其特征在于，所述电流镜模块的第一晶体管的栅极和漏极相连，接电流源模块的输出端，第一晶体管的栅极还与高速选择模块的一个输入端相连，第二晶体管的栅极跟高速选择模块的输出端相连，第二晶体管的漏极接输出端，用于输出脉冲电流。
7.根据权利要求5所述的电路结构，其特征在于，所述高速选择模块的第一输入端与所述电流镜模块的第一晶体管和第二晶体管的源极相连，并接至电源信号；所述高速选择模块的第二输入端接第一晶体管的栅极和漏极。
8.根据权利要求4所述的电路结构，其特征在于，所述脉冲产生电路采用微控制器的PWM模块实现或者采用FPGA模块实现。
【文档编号】H03K7/08GK104135253SQ201410324657
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年7月9日 优先权日:2014年7月9日
【发明者】周海兵, 鲁华祥, 陈刚, 边昳 申请人:中国科学院半导体研究所