一种功率脉冲半导体激光器驱动模块的设计和实现

发布时间：2017-04-13 08:30

  本文关键词：一种功率脉冲半导体激光器驱动模块的设计和实现，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：脉冲式半导体激光器有着广泛的应用。例如激光测距、激光雷达、泵浦固体激光器、脉冲多普勒成像等方面。随着脉冲式半导体激光器的飞速发展,其应用范围已经覆盖了许多领域,成为了当今光电子领域的核心器件,如何将其相应的驱动电路优化、经济化、微型化和实用化是以后该领域研究的方向之一。驱动电路需要进行模块化,采用混合集成电路的方式实现装配,缩小其物理尺寸,方便用户使用。本次研究任务不光要实现驱动电路的设计工作,同时要实现电路的混合集成化,故本次论文将分成电路设计和混合集成工艺实现两个方面分别进行研究和讨论。电路设计部分:本文分析了几种典型的激光驱动电路,设计了一套满足设计要求的脉冲式半导体激光器驱动电路。本驱动电路主要由电源供电电路、脉冲产生电路,脉冲整形电路、功率放大电路、ESD保护电路等五个部分组成。首先,电源电路将输入电压调整为5V以便供器件使用,接着通过由SN74123组成的脉冲产生电路将输入的方波信号转换为同频率的脉冲信号,然后经过由三极管N182和P182组成脉冲整形电路将信号放大,最后输出的脉冲信号作为P-沟道MOSFET管的开关信号,用于驱动半导体激光器。工艺实现部分:本驱动电路采用混合集成电路工艺制造生产,电路基板采用三氧化二铝陶瓷基板,电路布线采用薄膜金层与薄膜电阻进行布线,元器件使用贴片式电容和电阻以及裸芯片组成,内引线键合采用25um金丝球焊压焊,封装外壳采用双列直插的金属外壳,并在高纯氮气中进行平行封焊,以保证器件内部的气氛稳定。本文分析了混合集成电路工艺对器件电特性与可靠性的影响,并且进行了相应的试验,最终得到既适合生产又能满足器件质量要求与可靠性要求的生产工艺方案。最后,经过一系列的电参数测试与筛选试验考核后,认为本驱动电路完全能够满足设计与使用要求。
【关键词】：激光器 驱动电路 混合集成电路 可靠性
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN248.4
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 绪论12-19
• 1.1 功率脉冲式激光器驱动电路的概况及发展趋势13-15
• 1.2 选题在理论或实际应用方面的意义和价值15-16
• 1.2.1 电路相比同类PCB板驱动电路的优点15
• 1.2.2 电路相对于同类单片集成电路的优点15-16
• 1.3 脉冲半导体激光驱动电路的基本设计思路16-17
• 1.4 本论文的主要工作步骤17-18
• 1.5 本论文的结构安排18
• 1.5.1 电路设计部分18
• 1.5.2 模块设计与工艺实现部分18
• 1.6 本章小结18-19
• 第二章 驱动模块的电路设计19-38
• 2.1 功率脉冲半导体激光驱动模块的性能指标19-20
• 2.1.1 工作原理19
• 2.1.2 模块主要性能指标19-20
• 2.1.2.1 工作条件19
• 2.1.2.2 贮存温度范围19
• 2.1.2.3 性能参数19-20
• 2.2 功率脉冲半导体激光驱动模块的性能指标分析20-22
• 2.2.1 脉冲波形的定义20-21
• 2.2.2 模块电参数指标分析21-22
• 2.2.2.1 工作条件分析21
• 2.2.2.2 温度范围21
• 2.2.2.3 性能参数21-22
• 2.3 功率脉冲半导体激光驱动电路的常用电路22-23
• 2.3.1 可控硅输出激励器22
• 2.3.2 雪崩管输出激励器22-23
• 2.3.3 晶体管输出激励器23
• 2.4 功率脉冲半导体激光驱动电路的设计23-32
• 2.4.1 功率脉冲半导体激光驱动电路的设计思路23-24
• 2.4.2 功率脉冲半导体激光驱动电路的分立设计24
• 2.4.3 信号处理单元电路原理图24-25
• 2.4.4 功率放大单元电路原理图25-26
• 2.4.5 信号处理单元的设计26-32
• 2.4.5.1 电源供电电路的设计26-28
• 2.4.5.2 脉冲产生电路的设计28-31
• 2.4.5.3 脉冲整形电路的设计31-32
• 2.5 功率脉冲半导体激光器驱动电路的仿真32-37
• 2.5.1 电源供电电路的仿真32
• 2.5.2 脉冲产生电路的仿真32-34
• 2.5.3 脉冲整形电路的仿真34-35
• 2.5.4 驱动电路的整体仿真35-37
• 2.6 本章小结37-38
• 第三章 驱动电路的模块化设计38-79
• 3.1 功率脉冲驱动电路的模块设计思路38
• 3.2 驱动电路的分立设计38-39
• 3.3 驱动模块重要组成部分的可靠性分析与研究39-58
• 3.3.1 电路基片的分析研究40-43
• 3.3.1.1 氧化铝基片40-41
• 3.3.1.2 氧化铍基片41-42
• 3.3.1.3 氮化铝基片42-43
• 3.3.1.4 基片的选择43
• 3.3.1.5 基片的可靠性问题43
• 3.3.2 电路布线的分析研究43-46
• 3.3.2.1 薄膜电路布线的基本设计规则43-44
• 3.3.2.2 薄膜电路的基本设计规则44-45
• 3.3.2.3 薄膜电路设计的可靠性问题45-46
• 3.3.3 贴片电容选择分析46
• 3.3.4 有源器件的入厂评价筛选46-48
• 3.3.5 内引线键合强度的要求48-49
• 3.3.6 封装外壳的选择和可靠性保障49-51
• 3.3.6.1 封装外壳的选择49-51
• 3.3.6.2 封装内部的可靠性保障51
• 3.3.7 电路模块的ESD防护研究与设计51-58
• 3.3.7.1 ESD的来源及危害51-53
• 3.3.7.2 驱动模块ESD防护措施53-54
• 3.3.7.3 静电放电试验后测试结果54-58
• 3.4 电路模块的设计与装配58-63
• 3.4.1 电路基片图纸的设计58-59
• 3.4.2 电路的外壳设计图纸59-60
• 3.4.3 电路模块的装配60-63
• 3.4.3.1 引出端排列60
• 3.4.3.2 电路模块的装配图纸60-61
• 3.4.3.3 模块所需要的原材料清单61-62
• 3.4.3.4 模块的装配工艺62-63
• 3.4.3.5 模块装配完成的图片63
• 3.5 电路模块的电参数测试63-68
• 3.5.1 电路模块的电参数特性63-64
• 3.5.2 电路模块的电参数测试方法64-66
• 3.5.2.1 测试板原理图64-65
• 3.5.2.2 静态参数测试方法65-66
• 3.5.3 电路模块的电参数测试结果66-68
• 3.5.3.1 电路模块的常温参数测试结果66
• 3.5.3.2 电路模块的低温参数测试结果66-67
• 3.5.3.3 电路模块的低温参数测试结果67-68
• 3.6 电路模块的筛选68-70
• 3.7 电路模块的可靠性鉴定检验70-75
• 3.8 电路模块的可靠性预计分析75-78
• 3.8.1 λb的计算76-78
• 3.8.2 其他因数和 λP的计算78
• 3.9 本章小结78-79
• 第四章 结论79-80
• 致谢80-81
• 参考文献81-84

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本文编号：303219