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CN110492349B - 驱动电路、驱动方法和激光器系统 - Google Patents

驱动电路、驱动方法和激光器系统 Download PDF

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CN110492349B
CN110492349B CN201910770034.1A CN201910770034A CN110492349B CN 110492349 B CN110492349 B CN 110492349B CN 201910770034 A CN201910770034 A CN 201910770034A CN 110492349 B CN110492349 B CN 110492349B
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Abstract

本公开涉及驱动电路、驱动方法和激光器系统。该驱动电路包括：窄脉冲产生器，被配置为基于输入脉冲产生第一窄脉冲，所述第一窄脉冲的脉冲宽度小于所述输入脉冲的脉冲宽度；电压调节器，被配置为可产生可调节的输出电压；以及驱动单元，与所述窄脉冲产生器和所述电压调节器相耦接，并被配置为基于所述第一窄脉冲和所述输出电压以形成第二窄脉冲，其中第二窄脉冲适于驱动开关管，脉冲宽度大致等于第一窄脉冲的脉冲宽度，并且第二窄脉冲的幅度取决于所述电压调节器的输出电压的大小。从而，可以形成脉冲宽度和幅度独立地可调节的输出脉冲。在将这样的输出脉冲用于驱动激光器时，使得激光器的发光能量可以在大动态范围内快速地调节。

Description

驱动电路、驱动方法和激光器系统
技术领域
本公开内容总体上涉及电路的技术领域，更具体的说，涉及一种驱动电路、驱动方法和激光器系统。
背景技术
在应用激光光源系统中，常常需要考虑激光光源例如激光二极管(laser diode，LD)的物理特性，对激光二极管的驱动电流要求非常高，必须是低噪声、高稳定度的恒流源。有了稳定的电源驱动，激光脉冲波形才能稳定，而要使激光脉冲稳定工作，就需要有精准的脉冲产生源。
激光雷达的工作原理是向目标发射探测信号(激光束或者光信号)，然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射的探测信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的比如距离、方位等的信息。为实现高测距精度、远探测距离、高扫描速率，需要激光器产生前沿快、峰值电流高、脉冲宽度窄的激光脉冲信号，用作探测信号。激光束前沿快，则时间误差小，从而等效距离误差小。激光脉冲的峰值电流越高，则能量衰减到0的距离越长，从而脉冲宽度越窄，则在相同时间间隔内，可以连续发射的激光脉冲数量越多。为了确保对于远、中、近距离探测均不会出现饱和失真，则要求激光器的发光能量能够在较宽的范围内动态调节，例如，可以在远距离时发射能量大的脉冲信号，可以在近距离时发射能量小的脉冲信号。由于激光光源本身的性能一般足够优良，完全可以满足前沿快、峰值电流高、脉冲宽度窄的要求，因此对于激光雷达输出的激光脉冲的信号质量的主要影响因素为激光雷达的驱动电路的性能。
图1图示了现有技术的一种激光器系统100的示意图，其中激光二极管LD通过功率场效应管(Power FET)接地，功率场效应管的导通和关断通过与功率场效应管的栅极耦接的栅极驱动器110来控制。栅极驱动器110的输入是输入脉冲112，输入脉冲112的脉冲宽度最终决定了激光二极管LD发射的激光脉冲的脉冲宽度。功率场效应管的导通状态与激光二极管LD的供电电压HV可以用来控制激光二极管LD的发光能量。在图1所示的激光器系统100中，一般通过控制驱动器输入脉冲的宽度或高压HV的供电电压来改变最终发射的激光脉冲的发光能量值。发光的能量等于发光功率乘以脉冲的持续时间(即脉冲宽度)，而发光功率与通过激光二极管LD的电流成正比，因此根据发明人所知，一般有两种方式可以改变激光二极管LD的发光的能量。
第一种方式，通过改变驱动器的输入脉冲的脉冲宽度可以等比例改变发光能量。然而，对于改变输入脉冲的脉冲宽度来改变发光能量的方法，会导致激光二极管的光信号输出脉冲变宽，而脉冲变宽则限制了相邻脉冲之间的间隔，从而将增加了测量的死区时间，无法实现较高频率的激光脉冲发射。同时，仅通过这种方法，由于脉冲的峰值电流并没有变化，对应于非饱和失真的探测距离并没有变化，故无法同时实现远距离、中距离和近距离的非饱和失真探测。
第二种方式，假定激光二极管LD和功率场效应管(Power FET)的导通阻抗为定值，则通过改变HV可以改变流入激光二极管的电流，从而实现发光能量的改变。然而，对于改变HV来改变发光能量的方法，一个问题在于，HV由升压电路产生，需要通过控制升压电路改变HV，但是升压电路的切换速率较低，会造成两次调节之间要留有较长的稳定时间，即，无法实现快速调节。另一个问题在于，在多通道的激光雷达系统中，HV一般为多通道共用，若采用HV独自控制每个通道的发光能量，则需要系统具有多个独立的升压电路，从而极大增加了系统复杂度。
背景技术部分的内容仅仅是公开人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。
发明内容
有鉴于现有技术缺陷中的至少一个，本公开描述的技术方案的目的之一在于提供一种改进的驱动电路。
在一个方面，提供一种驱动电路，其包括：窄脉冲产生器，被配置为基于输入脉冲产生第一窄脉冲，所述第一窄脉冲的脉冲宽度小于所述输入脉冲的脉冲宽度；电压调节器，被配置为可产生可调节的输出电压；以及驱动单元，与所述窄脉冲产生器和所述电压调节器相耦接，并被配置为基于所述第一窄脉冲和所述输出电压以形成第二窄脉冲，其中第二窄脉冲适于驱动开关管，脉冲宽度大致等于第一窄脉冲的脉冲宽度，并且第二窄脉冲的幅度取决于所述电压调节器的输出电压的大小。根据该驱动电路，可以形成脉冲宽度和幅度独立地可调节的输出脉冲。在将这样的输出脉冲用于驱动激光雷达时，使得半导体激光器的发光能量可以在大动态范围内快速地调节。
在一个实施例中，该电压调节器可以包括：电压型数模转换器，所述电压型数模转换器配置成接收电压DAC数控输入并产生模拟电压；电压跟随器，与所述电压型数模转换器及所述驱动单元耦接，被配置为对所述电压型数模转换器输出的模拟电压进行稳压操作，并输出所述可调节的输出电压。
在一个实施例中，电压跟随器可以包括：运算放大器、第一PMOS晶体管(M0)和电容器(C1)。运算放大器的反相输入端与所述电压型数模转换器耦接，所述运算放大器的同相输入端与第一PMOS晶体管(M0)的漏极耦接，所述运算放大器的输出端与第一PMOS晶体管(M0)的栅极耦接。第一PMOS晶体管(M0)的源极与供电电压(VDD)耦接，第一PMOS晶体管(M0)的漏极通过所述电容器(C1)接地。
在一个实施例中，窄脉冲产生器可以包括：电流型数模转换器，配置为接收电流DAC数控输入并产生输出电流；电流控制延迟单元，被配置为接收所述输入脉冲，并耦合到所述电流型数模转换器，以根据所述电流型数模转换器的输出电流，对所述输入脉冲进行延迟；同相缓冲器，被配置为暂存所述输入脉冲；以及逻辑与门，其第一输入端与所述电流控制延迟单元相连，第二输入端与所述同相缓冲器(I2)相连，被配置为基于所述经延迟的输入脉冲和暂存的输入脉冲产生所述第一窄脉冲，其中所述第一窄脉冲的脉冲宽度为所述被暂存的输入脉冲与所述被延迟的输入脉冲之间的延迟差。
在一个实施例中，驱动单元可以包括：第二PMOS晶体管(M1)和第一NMOS晶体管(M2)。所述第二PMOS晶体管(M1)的栅极与所述第一NMOS晶体管(M2)的栅极相连，被配置为接收所述窄脉冲产生器输出的所述第一窄脉冲。所述第二PMOS晶体管(M1)的源极与所述电压调节器相连，被配置为接收所述电压调节器的输出电压，所述第一NMOS晶体管(M2)的源极接地。第二PMOS晶体管(M1)的漏极与所述第一NMOS晶体管(M2)的漏极相连，被配置为输出所述第二窄脉冲。
在一个实施例中，驱动单元可以进一步包括：前置驱动单元，其输入端与所述窄脉冲产生器的输出端相连，被配置为对接收的所述第一窄脉冲的电流驱动能力进行一级或者多级的放大。
在一个实施例中，前置驱动单元可以包括级联的多级反相放大器。
在另一个方面，提供一种驱动方法，其包括：基于输入脉冲产生第一窄脉冲，所述第一窄脉冲的脉冲宽度小于所述输入脉冲的脉冲宽度；产生可调节的输出电压；以及基于所述第一窄脉冲和所述输出电压以产生第二窄脉冲，其中所述第二窄脉冲的脉冲宽度大致等于所述第一窄脉冲的脉冲宽度，并且所述第二窄脉冲的幅度取决于所述可调节的输出电压的大小。
在一个实施例中，所述产生可调节的输出电压进一步包括：通过电压型数模转换器接收数控输入，并产生模拟电压；对所述电压型数模转换器输出的模拟电压进行稳压操作，产生所述可调节的输出电压。
在一个实施例中，所述基于输入脉冲产生第一窄脉冲进一步包括：接收所述输入脉冲，暂存所述输入脉冲；通过电流型数模转换器接收数控输入并产生输出电流；接收所述输入脉冲，根据所述电流型数模转换器的输出电流，对所述输入脉冲进行延迟；以及基于所述经延迟的输入脉冲和暂存的输入脉冲产生所述第一窄脉冲。
在一个实施例中，所述基于所述第一窄脉冲和所述输出电压以产生第二窄脉冲进一步包括：对接收的所述第一窄脉冲的电流驱动能力进行一级或者多级的放大。
在又一个方面，提供一种激光器系统，包括：前述的窄脉冲驱动电路；激光器，以及晶体管，其栅极耦接所述窄脉冲大功率器件驱动电路的输出端，所述第二窄脉冲用于控制所述晶体管的开闭，其源极接地，其漏极耦接所述激光器。
在一个实施例中，所述激光器进一步包括：激光二极管、电阻器、第二电容器和续流二极管，所述晶体管为NMOS大功率晶体管。激光二极管的阴极耦接所述NMOS大功率晶体管的漏极，所述激光二极管的阳极通过所述电阻器的第一端，所述电阻器的第二端耦接至第二供电电压(HV)，所述续流二极管的阳极耦接至所述激光二极管的阴极，所述续流二极管的阴极耦接至所述电阻器的第二端，以及在所述电阻器的第二端和地之间布置所述第二电容器。
本公开实施方式的优点至少表现在如下几个方面：
1、第一窄脉冲的脉冲宽度和流过激光二极管的电流幅度均可以分别实现数字化调节，易于使得激光器的发光能量实现快速、大动态范围的调节。
2、第一窄脉冲的脉冲宽度和流过激光二极管的电流幅度为两个可独立调节的量，可以根据系统需要进行调整，例如可以保持脉冲宽度在3ns，通过改变电流峰值来同时保证发射的激光脉冲的脉冲宽度窄、前沿快、发光能量可调范围大、且不超过人眼安全规定的激光能量阈值。
3、通过调控MOSFET管栅极电压范围，可以获得很高的输出电流调控比值范围，例如，输入电压变化4倍(0.95V～6.2V)，输出电流可以变化389倍(202mA～78.67A)。
在说明书中所描述的特点和优点并非全部，尤其是，结合附图和说明书，许多附加的特征和优点将对于本领域普通技术人员而言将是明显的。此外，应当指出的是，本说明书中所使用的用语主要是出于可读性和指导性的目的而被选择的，并且可能不是被选择以描述或限制创造性的技术方案。
附图说明
构成本公开的一部分的附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。在附图中：
图1图示了现有技术的一种激光器系统的示意图；
图2示意性示出了利用根据本发明一种实施方式的驱动电路来驱动外部器件的电路系统的结构示意图；
图3示意性示出了利用根据本发明另一种实施方式的驱动电路来驱动外部器件的电路系统的结构示意图；
图4示意性示出了利用根据本发明一种实施方式的驱动电路来驱动外部器件的电路系统的一种具体实现的示意图；
图5示意性示出了图4所示的实施例的电路系统的仿真结果的波形图，其中仿真条件为单种输入脉冲和多个参考电压；
图6示意性示出了图4所示的实施例的电路系统的仿真结果的波形图，其中仿真条件为两次输入脉冲和两个参考电压；
图7示意性示出了流过激光二极管的峰值电流随参考电压的变化的仿真波形图；和
图8示意性示出了根据本发明一个实施例的驱动方法。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
附图中的流程图和框图，图示了按照本发明各种实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，所述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现预定的逻辑功能的可执行指令。应当注意，在有些作为备选的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也应当注意，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
在本公开的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“坚直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本公开的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接：可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。例如，本公开使用术语“耦接”，表示两个端子之间的连接方式可以是直接连接、也可以是通过一个中间媒介间接连接，可以是电气方面的有线连接、也可以是无线连接。
在本公开中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本公开的不同结构。为了简化本公开的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本公开。此外，本公开可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本公开提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
需要注意的是，除非另有说明，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
以下结合附图对本公开的具体实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本公开，并不用于限定本公开。
图2示意性示出了利用根据本发明一种实施方式的驱动电路200来驱动外部器件的电路系统的结构示意图。参考图2，驱动电路200包括窄脉冲产生器210、电压调节器220和驱动单元230。利用驱动电路200驱动的器件包括开关管240和负载250，开关管240用作负载250的供电开关。
窄脉冲产生器210被配置为基于输入脉冲20产生第一窄脉冲22，第一窄脉冲22的脉冲宽度小于输入脉冲20的脉冲宽度。电压调节器220被配置为可产生可调节的输出电压。驱动单元230与窄脉冲产生器210和电压调节器220相耦接，并被配置为基于第一窄脉冲22和电压调节器220的输出电压来形成第二窄脉冲24。第二窄脉冲24适于驱动外部的开关管240。开关管240与负载250耦接，在开关管240导通时，负载250得以供电，并且在开关管240关断时，没有电流流过负载250。根据本发明的实施方式，第二窄脉冲的脉冲宽度大致等于第一窄脉冲的脉冲宽度，并且第二窄脉冲的幅度取决于电压调节器的输出电压的大小。电压调节器220的输出电压是在零与一个预设值之间可调节的，从而，通过驱动电路200形成的第二窄脉冲的幅度可以在零与一预设值之间变化。
图3示意性示出了利用根据本发明另一种实施方式的驱动电路300来驱动外部器件的电路系统的结构示意图。参考图3，驱动电路300包括：窄脉冲产生器210、前置驱动单元232、末级驱动器234、电压型数模转换器222和电压跟随器224。驱动电路300可被用于驱动场效应晶体管(MOSFET管)242，并且通过MOSFET管242来控制半导体激光器252。
窄脉冲产生器210被配置为基于输入脉冲20产生第一窄脉冲22，第一窄脉冲22的脉冲宽度小于输入脉冲20的脉冲宽度。
前置驱动单元232的输入端与窄脉冲产生器210的输出端相耦接，并被配置为对接收的所述第一窄脉冲的电流驱动能力进行一级或者多级的放大，以便满足耦接在其输出端的器件的驱动要求。在前置驱动单元232的级联放大过程中，还可以涉及对输入脉冲的反相放大。末级驱动器234的输入端与前置驱动单元232的输出端相耦接，进行末级放大以适应与驱动电路300相耦接的MOSFET管的驱动要求。末级驱动器234还可以涉及将接收的输入脉冲进行反相以适应于耦接的MOSFET管的驱动要求。
电压型数模转换器222被配置成接收电压DAC数控输入并产生模拟电压。随着电压DAC数控输入的改变，电压型数模转换器222可以输出可调节的输出电压，作为驱动单元的参考电压VREF或者控制电压。电压跟随器224的输入端与电压型数模转换器222的输出端耦接，并被配置为对电压型数模转换器输出的模拟电压进行稳压操作。电压跟随器224的输出端与末级驱动器234相耦接，提供可调节的输出电压至末级驱动器，作为末级驱动器的供电电压，用于控制通过末级驱动器234形成的第二窄脉冲24的幅度。根据本发明的实施方式，第二窄脉冲24的脉冲宽度大致等于第一窄脉冲22的脉冲宽度，并且第二窄脉冲24的幅度取决于电压跟随器224的输出电压的大小。从而，第二窄脉冲24的脉冲宽度和幅度是独立可调节的。
图3所描述的电路系统的一次激光脉冲的发光过程如下。通过窄脉冲产生器210可以将输入脉冲20的脉冲宽度调整为几纳秒(ns)量级，输出第一窄脉冲22。然后，将第一窄脉冲22通过前置驱动单元232输出至末级驱动器234。末级驱动器234的供电电压通过电压跟随器224提供，而电压跟随器224的输入电压来自电压型数模转换器222产生的参考电压VREF，即末级驱动器234的输出脉冲的高电平数值为VREF。通过末级驱动器234形成的第二窄脉冲24用于驱动MOSFET管242的栅极。MOSFET管242导通后，半导体激光器252(比如激光二极管LD)被激活，从而产生一个激光脉冲。根据本发明的实施方式，通过改变数控输入的电压，数模转换器222输出可调节的参考电压VREF，输出到MOSFET管242的栅极的驱动脉冲的幅度随着参考电压VREF的幅度变化，进而半导体激光器252发射的激光脉冲的电流峰值也可以在一定范围内变化。
一方面，通过改变电压DAC数控输入，可以改变MOSFET管的栅极电压，从而可以改变流过半导体激光器的电流峰值。在另一方面，通过窄脉冲产生器210来产生更窄的脉冲宽度的激光器驱动脉冲，从而可以实现较高频率的激光脉冲发射。
在一个实施例中，前置驱动单元232包括级联的多级反相放大器，其中各级反相放大器的输入输出比可以在1:3至1:5之间，即第N+1级的反相放大器的驱动能力是第N级的反相放大器的驱动能力的大致3至5倍。前置驱动单元232的输出端的反相器尺寸(放大能力)例如可以为末级驱动器234的尺寸的1/3。
图4示意性示出了利用根据本发明一种实施方式的驱动电路400来驱动外部器件的电路系统的一种具体实现的示意图。
参考图4，窄脉冲产生器210可以包括：电流型数模转换器I0、电流控制延迟单元I1、同相缓冲器I2和逻辑与门I3。电流型数模转换器I0可以被配置为接收电流DAC数控输入(未示出)并产生输出电流。电流控制延迟单元I1可以被配置为接收输入脉冲20，并耦合到电流型数模转换器I0，以根据电流型数模转换器的输出电流对输入脉冲20进行延迟。同相缓冲器I2被配置为暂存输入脉冲20。逻辑与门I3的第一输入端与电流控制延迟单元I1的输出端相耦接，第二输入端与同相缓冲器I2的输出端相耦接，被配置为基于经延迟的输入脉冲和暂存的输入脉冲产生第一窄脉冲。第一窄脉冲的脉冲宽度为被暂存的输入脉冲与被延迟的输入脉冲之间的延迟差。从而，窄脉冲产生器210在输出端(B点)产生了脉冲宽度比输入脉冲20更窄的窄脉冲。在一个实施例中，窄脉冲产生器210产生的第一窄脉冲的脉冲宽度调节范围在1ns至1μs。根据本发明的实施方式，采用电流型数模转换器来调节可控延迟单元，可以实现数字调控的窄脉冲输出。
在图4中，前置驱动单元232包括级联的多级反相放大器。
参考图4，电压跟随器224可以包括：运算放大器(OPA)A1、第一PMOS晶体管M0和电容器C1。运算放大器A1的反相输入端与电压型数模转换器222的输出端(D点)相耦接，运算放大器的同相输入端与第一PMOS晶体管M0的漏极相耦接，运算放大器的输出端与第一PMOS晶体管M0的栅极相耦接。第一PMOS晶体管M0的源极与供电电压VDD连接，第一PMOS晶体管M0的漏极用作电压跟随器224的输出端，并且通过电容器C1接地。
在一个实施例中，运算放大器A1的单位增益带宽的取值范围可以在1MHz至1GHz。在一个实施例中，电容器C1的取值范围可以在1nF至100nF。在一个实施例中，电压跟随器224输出的可调节的输出电压的幅度范围在0V至5V，从而，末级驱动器234产生的第二窄脉冲的幅度范围在0V至5V。
参考图4，末级驱动器234可以包括：PMOS晶体管M1和NMOS晶体管M2。PMOS晶体管M1的栅极与NMOS晶体管M2的栅极相连，被配置为接收经前置驱动单元232放大的、窄脉冲产生器210输出的第一窄脉冲。PMOS晶体管M1的源极与电压调节器224的输出端相耦接，被配置为接收电压调节器的输出电压(E点)。NMOS晶体管M2的源极接地。PMOS晶体管M1的漏极与NMOS晶体管M2的漏极相耦接(C点)。末级驱动器234被配置为基于输入的电流脉冲和电压调节器的输出电压形成第二窄脉冲，第二窄脉冲适于驱动与其连接的MOSFET管。
驱动电路400的输出端耦接至MOSFET管的栅极。MOSFET管的源极接地，漏极连接至激光二极管LD的阴极。半导体激光器252的电路原理图可以包括激光二极管LD、续流二极管D1、滤波电容器C2、走线寄生电容Rp和高压源HV组成。在图4中，MOSFET管采用增强型功率晶体管GaN NMOS FET(eGaN FET)。在一个实施例中，供电电压HV的取值范围在10V至100V，滤波电容器C2的取值范围在0.1nF至100nF。
参考图4描述其工作原理。电压型数模转换器222被配置为接收电压DAC数控输入并产生参考电压VREF(D点)。在电压跟随器224中，根据运算放大器的原理，当建立负反馈时，运算放大器A1的同相输入端与反相输入端的电压相等，同时由于运算放大器A1的同相输入端与PMOS管M0的漏极相连，输出电流能力极大增强，可以更好的驱动末级驱动器234模块。窄脉冲产生器210通过调整电流型数模转换器I0的输出电流，可以调节电流控制延迟单元I1的输出延迟。输入脉冲20的暂存的同相信号和经延迟的反相信号输出至逻辑与门I3，因此逻辑与门I3输出的脉冲宽度为I1和I2的延迟差，即通过延迟差形成窄脉冲激励(B点，第一窄脉冲)。窄脉冲激励通过多级反相器级联构成的前置驱动单元232或者中间驱动链路被放大以适合于驱动末级驱动器234。在末级驱动器234的输出端形成幅度可以跟着参考电压(D点)的变化而变化的第二窄脉冲(C点)，用于驱动与其耦接的MOSFET管242和作为负载的半导体激光器252。在一个实施例中，用于驱动MOSFET管的栅极驱动电压的调节范围在1.2V到5V。
参考图4，在输入脉冲20的电压VA＝0V时，B点电压VB＝0V、C点的电压VC＝0V。此时，MOSFET管242处于关断状态，半导体激光器252无电流流过，激光二极管LD不会发光。在输入脉冲20的电压VA＝5V时，B点电压VB＝5V、C点的电压VC等于E点的电压VE，也等于D点电压VD，即参考电压VREF。因此，此时，激光二极管LD的电流由MOSFET管242的伏安特性(I-V特性)决定。
假设MOSFET管242的阈值电压为Vth，当参考电压VREF小于Vth，MOSFET管处于关断状态；当参考电压VREF大于阈值电压Vth后，MOSFET管242进入亚阈值区，流过MOSFET管242的电流和电压差(VREF-Vth)呈指数关系增长；当参考电压VREF大于阈值电压Vth几十毫伏(mV)以上，MOSFET管242进入饱和区，则流过光电二极管的电流ILD为：
ILD＝β(VREF-Vth)2
其中，β为MOSFET管工作在饱和区时的电流系数。
同时，根据HV支路从上至下的电流特性，MOSFET管的漏极和源极电压差值为：
VDS＝HV-ILD×(RP+RLD)
其中，RP为MOSFET管漏极至HV之间的走线寄生电阻，RLD为激光二极管导通时的阻抗，随着ILD的值逐渐增加，MOSFET管的漏极-源极电压VDS逐渐下降，当MOSFET管的过驱动电压(VREF-Vth)大于VDS时，MOSFET管的工作状态从饱和区向线性区转变。最终流过光电二极管的电流ILD的最大值(峰值电流)约等于：
Figure BDA0002173269090000131
RDS，on为MOSFET管工作在线性区时的阻抗，数值约为：
Figure BDA0002173269090000132
根据本发明的实施方式，采用电流型数模转换器来调节可控延迟单元，可以实现数字调控的窄脉冲输出。根据本发明的实施方式，采用电压型数模转换器来实现数字调控的参考电压，并且结合后端的电压跟随器和驱动器可以实现MOSFET管的数字调控的栅极驱动电压，从而实现了激光二极管的输出电流的数字调控。
在一个实施例中，电压型数模转换器222、电压跟随器224、窄脉冲产生器210、前置驱动单元232、末级驱动器234的构成器件均为低压器件。例如，供电电压低于5V，MOS管M0、M1、M2为5V的硅CMOS器件。MOSFET管242和激光二极管为高压器件，例如，供电电压HV为60V。
MOSFET管可以采用增强型功率晶体管，其采用GaN材料，具有较高的电子迁移率和耐压性能，漏极-源极电压VDS最高支持100V，流过激光二极管的电流ILD最大支持75A，栅极-源极电压VGS可以采用0～5V控制，阈值电压Vth＝1V。半导体激光器中的激光二极管LD的电流阈值Ith＝0.75A，在典型条件下，其可以输入电流30A，输出75W光功率，峰值输入电流40A，峰值光输出功率90W。
应当理解，电压型数模转换器222、电压跟随器224、窄脉冲产生器210、前置驱动单元232、末级驱动器234可以采用同一种半导体工艺实现，因此可以集成在一块芯片中。
图5示意性示出了图4所示的实施例的电路系统的仿真结果的波形图。该仿真的条件为驱动电路400被输入一个输入脉冲20，同时电压DAC数控输入的码值是变化的多个值。输入脉冲20的电压(即图4中的A点处的电压VA)的波形如图5中波形51所示，VA的波形的脉冲宽度为10ns。电压DAC数控输入的码值从000000到111111变化，从而电压型数模转换器222的输出电压VD是不同的值，产生了64条在1.2V至5V的电压范围内可调节的电压波形，如图5中的波形54所示。从而，E点处的电压波形也是可调节的多条，如图5中的波形55所示。
图5中，从上至下示出的波形52、53和56依次为在输入脉冲20的激励下，在连续改变的电压DAC数控输入的码值的情况下，B点的电压VB的波形52、C点的电压VC的波形53和激光二极管LD的电流ILD的波形56的叠加示图。从中可以容易地看出，随着电压DAC数控输入的码值的改变(对应参考电压(VD)的改变)，驱动电路400的输出脉冲的电压波形(C点的电压VC的波形53)和激光二极管LD的电流ILD的波形56相应地发生改变。
输入脉冲20的电压VA的电压波形的脉冲宽度为10ns，经过窄脉冲产生器210后产生的电压VB的电压波形的脉冲宽度变为3ns，如图5中的波形52所示。电压VB的高电平为固定在5V左右，不随参考电压VD的电压值的变化而变化。
窄脉冲产生器210的输出电压的电压VB经过前置驱动单元232和末级驱动器234后形成电压VC，VC的波形的脉冲宽带大致等于电压VB的波形的脉冲宽度，VC的波形的幅度随着参考电压VD的变化而变化。
电压VC控制着MOSFET管242的栅极，从而控制着MOSFET管242的导通和关断，在MOSFET管242导通时在激光二极管LD中形成电流ILD，电流ILD的电流波形随着参考电压VD的变化而变化。
图6示意性示出了图4所示的实施例的电路系统的仿真结果的波形图。该仿真的条件为驱动电路400被输入先后输入两个输入脉冲20，一个输入脉冲在50μs处，另一个输入脉冲在50.4μs处，同时，相对应地将电压DAC数控输入的码值调整一次，使得参考电压VD的电压从在前一个输入脉冲的到来时刻的5V降低至在后一个输入脉冲的到来时刻的2.7V。由图6的仿真结果可以看出，电压跟随器的输出电压VE随着参考电压VD的改变而改变，流过激光二极管LD的电流ILD的脉冲宽度取决于输入脉冲的脉冲宽度，并且其峰值电流受到参考电压VD的控制。
图7示意性示出了激光二极管LD的峰值电流随参考电压VD变化的仿真结果。在参考电压从1.2V变化至5V区间内，电流峰值从202mA变化至78.67A，电流随电压的变化关系如之前的分析，首先是随电压上升，电流指数增加；然后随着参考电压上升到大于MOSFET管的阈值电压Vth几十mV后，MOSFET管进入饱和区，电流曲线按照开口向上的二次曲线上升；当MOSFET管的漏极-源极电压VDS等于过驱动电压(VREF-Vth)时，MOSFET管逐渐向线性区过渡，电流曲线按照开口向下的二次曲线逐渐变化至不再增加，直至达到最大电流值。
在一个实施例中，选用的激光二极管的电流阈值为1A，最大电流为40A。因此，当参考电压VD从0.95V变化至6.2V的区间内，MOSFET管输出电流变化范围完全可以满足激光二极管输入电流需求。
如图8所示，本公开还提供一种驱动方法500，例如通过上述的驱动电路200、300、400来实施。
该驱动方法500包括：步骤S1：基于输入脉冲产生第一窄脉冲，所述第一窄脉冲的脉冲宽度小于所述输入脉冲的脉冲宽度；步骤S2：产生可调节的输出电压；以及步骤S3：基于所述第一窄脉冲和所述输出电压以产生第二窄脉冲，其中所述第二窄脉冲的脉冲宽度大致等于所述第一窄脉冲的脉冲宽度，并且所述第二窄脉冲的幅度取决于所述可调节的输出电压的大小。
进一步地，步骤S2可以进一步包括：通过电压型数模转换器接收数控输入，并产生模拟电压；对所述电压型数模转换器输出的模拟电压进行稳压操作，产生所述可调节的输出电压。
进一步地，步骤S1可以进一步包括：接收所述输入脉冲，暂存所述输入脉冲；通过电流型数模转换器接收数控输入并产生输出电流；接收所述输入脉冲，根据所述电流型数模转换器的输出电流，对所述输入脉冲进行延迟；以及基于所述经延迟的输入脉冲和暂存的输入脉冲产生所述第一窄脉冲。
进一步地，步骤S3可以进一步包括：对接收的所述第一窄脉冲的电流驱动能力进行一级或者多级的放大。
本公开还提供一种激光器系统，包括：前述的窄脉冲驱动电路；激光器，以及晶体管，其栅极耦接所述窄脉冲大功率器件驱动电路的输出端，所述第二窄脉冲用于控制所述晶体管的开闭，其源极接地，其漏极耦接所述激光器。
在一个实施例中，所述激光器进一步包括：激光二极管、电阻器、第二电容器和续流二极管，所述晶体管为NMOS大功率晶体管。激光二极管的阴极耦接所述NMOS大功率晶体管的漏极，所述激光二极管的阳极通过所述电阻器的第一端，所述电阻器的第二端耦接至第二供电电压(HV)，所述续流二极管的阳极耦接至所述激光二极管的阴极，所述续流二极管的阴极耦接至所述电阻器的第二端，以及在所述电阻器的第二端和地之间布置所述第二电容器。
本公开实施方式的优点至少表现在如下几个方面：
1、第一窄脉冲的脉冲宽度和流过激光二极管的电流幅度均可以分别实现数字化调节，易于使得激光器的发光能量实现快速、大动态范围的调节。
2、第一窄脉冲的脉冲宽度和流过激光二极管的电流幅度为两个可独立调节的量，可以根据系统需要保证最优的性能，例如可以保持脉冲宽度在3ns，通过改变电流峰值来同时保证发射的激光脉冲的脉冲宽度窄、前沿快、发光能量可调范围大、且不超过人眼安全规定的激光能量阈值。
3、通过调控MOSFET管栅极电压，可以获得很高的输出电流调控比值，例如，输入电压变化4倍(0.95V～6.2V)，输出电流可以变化389倍(202mA～78.67A)。
应当理解，前述的各种示例性方法可以利用各种方式来实现，例如，在某些实施方式中，前述各种方法可以利用软件和/或固件模块来实现，也可以利用硬件模块来实现。现在已知或者将来开发的其他方式也是可行的，本发明的范围在此方面不受限制。特别地，除硬件实施方式之外，本发明的实施方式可以通过计算机程序产品的形式实现。
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的装置和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的装置及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
应当注意，尽管在上文详细描述中提及了装置的若干模块或子模块，但是这种划分仅仅并非强制性的。实际上，根据本发明的实施方式，上文描述的两个或更多模块的特征和功能可以在一个模块中实现。反之，上文描述的一个模块的特征和功能可以进一步划分为由多个模块来具体化。
虽然已经参考目前考虑到的实施方式描述了本发明，但是应该理解本发明不限于所公开的实施方式。相反，本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。以下权利要求的范围符合最广泛解释，以便包含所有这样的修改及等同结构和功能。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，尽管参照前述实施例对本公开进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种驱动电路，包括：
窄脉冲产生器，被配置为基于输入脉冲产生第一窄脉冲，所述第一窄脉冲的脉冲宽度小于所述输入脉冲的脉冲宽度，所述窄脉冲产生器包括：
电流型数模转换器，配置为接收电流DAC数控输入并产生输出电流；
电流控制延迟单元，被配置为接收所述输入脉冲，并耦合到所述电流型数模转换器，以根据所述电流型数模转换器的输出电流，对所述输入脉冲进行延迟；
同相缓冲器，被配置为暂存所述输入脉冲；以及
逻辑与门，其第一输入端与所述电流控制延迟单元相连，第二输入端与所述同相缓冲器相连，被配置为基于经延迟的所述输入脉冲和暂存的输入脉冲产生所述第一窄脉冲，其中所述第一窄脉冲的脉冲宽度为被暂存的所述输入脉冲与被延迟的所述输入脉冲之间的延迟差；
电压调节器，被配置为可产生可调节的输出电压，所述电压调节器包括电压型数模转换器和电压跟随器，其中所述电压型数模转换器配置成接收电压DAC数控输入并产生模拟电压；所述电压跟随器与所述电压型数模转换器及驱动单元耦接，被配置为对所述电压型数模转换器输出的模拟电压进行稳压操作，并输出所述可调节的输出电压；
驱动单元，与所述窄脉冲产生器和所述电压调节器相耦接，并被配置为基于所述第一窄脉冲和所述输出电压以形成第二窄脉冲，其中所述第二窄脉冲适于驱动开关管，所述第二窄脉冲的脉冲宽度大致等于所述第一窄脉冲的脉冲宽度，并且所述第二窄脉冲的幅值取决于所述电压调节器的输出电压的大小。
2.根据权利要求1所述的驱动电路，其中，所述电压跟随器包括：运算放大器、第一PMOS晶体管(M0)和电容器(C1)，
其中，所述运算放大器的反相输入端与所述电压型数模转换器耦接，所述运算放大器的同相输入端与第一PMOS晶体管(M0)的漏极耦接，所述运算放大器的输出端与第一PMOS晶体管(M0)的栅极耦接，
其中，第一PMOS晶体管(M0)的源极与供电电压(VDD)耦接，第一PMOS晶体管(M0)的漏极通过所述电容器(C1)接地。
3.根据权利要求1或2所述的驱动电路，其中，所述驱动单元包括：第二PMOS晶体管(M1)和第一NMOS晶体管(M2)，
其中，所述第二PMOS晶体管(M1)的栅极与所述第一NMOS晶体管(M2)的栅极相连，被配置为接收所述窄脉冲产生器输出的所述第一窄脉冲，
其中，所述第二PMOS晶体管(M1)的源极与所述电压调节器相连，被配置为接收所述电压调节器的输出电压，所述第一NMOS晶体管(M2)的源极接地，
其中，所述第二PMOS晶体管(M1)的漏极与所述第一NMOS晶体管(M2)的漏极相连，被配置为输出所述第二窄脉冲。
4.根据权利要求3所述的驱动电路，其中，所述驱动单元进一步包括：
前置驱动单元，其输入端与所述窄脉冲产生器的输出端相连，被配置为对接收的所述第一窄脉冲的电流驱动能力进行一级或者多级的放大。
5.根据权利要求4所述的驱动电路，其中，所述前置驱动单元包括级联的多级反相放大器。
6.一种根据权利要求1所述的驱动电路的驱动方法，包括：
基于输入脉冲产生第一窄脉冲，所述第一窄脉冲的脉冲宽度小于所述输入脉冲的脉冲宽度；
产生可调节的输出电压；以及
基于所述第一窄脉冲和所述输出电压以产生第二窄脉冲，其中所述第二窄脉冲的脉冲宽度大致等于所述第一窄脉冲的脉冲宽度，并且所述第二窄脉冲的幅值取决于所述可调节的输出电压的大小。
7.根据权利要求6所述的驱动方法，其中，所述产生可调节的输出电压进一步包括：
通过电压型数模转换器接收数控输入，并产生模拟电压；以及
对所述电压型数模转换器输出的模拟电压进行稳压操作，产生所述可调节的输出电压。
8.根据权利要求6或7所述的驱动方法，其中，所述基于输入脉冲产生第一窄脉冲进一步包括：
接收所述输入脉冲，暂存所述输入脉冲；
通过电流型数模转换器接收数控输入并产生输出电流；
接收所述输入脉冲，根据所述电流型数模转换器的输出电流，对所述输入脉冲进行延迟；以及
基于所述经延迟的输入脉冲和暂存的输入脉冲产生所述第一窄脉冲。
9.根据权利要求6或7所述的驱动方法，其中，所述基于所述第一窄脉冲和所述输出电压以产生第二窄脉冲进一步包括：
对接收的所述第一窄脉冲的电流驱动能力进行一级或者多级的放大。
10.一种激光器系统，包括：
根据权利要求1-5中任一项所述的驱动电路；
激光器；以及
晶体管，其栅极耦接所述驱动电路的输出端，所述第二窄脉冲用于控制所述晶体管的开闭，所述晶体管的源极接地，其漏极耦接所述激光器。
11.根据权利要求10所述的激光器系统，其中，所述激光器进一步包括：激光二极管、电阻器、第二电容器和续流二极管，所述晶体管为NMOS大功率晶体管，
其中，所述激光二极管的阴极耦接所述NMOS大功率晶体管的漏极，所述激光二极管的阳极通过所述电阻器的第一端，所述电阻器的第二端耦接至第二供电电压(HV)，所述续流二极管的阳极耦接至所述激光二极管的阴极，所述续流二极管的阴极耦接至所述电阻器的第二端，以及在所述电阻器的第二端和地之间布置所述第二电容器。
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