低噪聲、低紋波半導(dǎo)體激光器電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、低噪聲、低紋波半導(dǎo)體激光器電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院電子學(xué)系99級(jí) 譚躍摘要（abstract）在頻率標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)領(lǐng)域，隨著半導(dǎo)體激光的廣泛運(yùn)用，激光頻率標(biāo)準(zhǔn)成為一種更為新興、更為先進(jìn)的頻率度量尺度。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是將激光頻率鎖定在某一個(gè)穩(wěn)定值（例如，一條原子譜線(xiàn)上），這對(duì)激光器本身的穩(wěn)定性提出了很高的要求。作為激光器本身，其穩(wěn)定性決定于兩個(gè)方面：溫度控制和注入電流。對(duì)激光器精密的控制操作要求這對(duì)兩個(gè)因素具有較強(qiáng)的可控性。那么，提供一個(gè)特殊的激光其電流源是我們工作的第一個(gè)要點(diǎn)。同時(shí)，激光器中的溫度控制和電流控制都需要低溫波和低噪聲的線(xiàn)性電壓源作為能源驅(qū)動(dòng)。事實(shí)上，有相當(dāng)多的可用的電壓源已經(jīng)實(shí)現(xiàn)

2、并滿(mǎn)足這些指標(biāo)要求。同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)，激光器的穩(wěn)定性更取決于后級(jí)的電流控制器。但是，在這些要求上，仍有改進(jìn)的余地。于此，在這篇文章中，筆者同時(shí)描述了由筆者設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的這一種新型電源。在下文中所描述的，正是筆者所設(shè)計(jì)的，并獲得成功的電路系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：電源電壓電流高速精密校正abstract:in the area of the technology of frequency scale, semiconductor diode laser has recently become useful tools. its a new and advanced technology to use the l

3、aser to be the frequency scale. to lock the laser on some fixed value (e.g., near an atomic resonance line), we need the high-stabilization laser. since the laser frequency and output power depend on both the diode junction temperature and injection current, stable laser operation requires that thes

4、e quantities be precisely regulated. then, to complete a special current controller for the diode lasers is the first point of our job.both of the temperature controller and the current controller require the wee-ripple and low-noise voltage power. to achieve the necessary wee ripple and low noise,

5、a number of commercial voltage power devices are available. and we find that the performance limit is usually related to the latter controller. however with regard to voltage power, we found room for improvement. in this article, we as well describe a new power which is answered our needs.weve achie

6、ved satisfactory performance with the circuit system described in the following.keywords:power supplyvoltagecurrenthigh speedsensitiveregulate一、引言一、介紹作為一種很好的可調(diào)、單色激光源，隨著其理論的成熟和制造工藝水平的提高，半導(dǎo)體激光器日益成為科學(xué)研究領(lǐng)域中的一項(xiàng)強(qiáng)有力的工具。在實(shí)際運(yùn)用中，對(duì)激光器的穩(wěn)定性要求有兩類(lèi)：第一類(lèi)是光通訊、激光光譜試驗(yàn)等，對(duì)頻率穩(wěn)定性要求不高，我們稱(chēng)之為穩(wěn)頻激光器；第二類(lèi)是精密長(zhǎng)度計(jì)量和原子、分子超精細(xì)能級(jí)躍遷等精密測(cè)量，

7、這類(lèi)運(yùn)用需要測(cè)至12位有效數(shù)字，精度為10-9nm。通過(guò)選擇一些具有很高穩(wěn)定性的譜線(xiàn)精密測(cè)量其絕對(duì)值，然后使用規(guī)定條件，如原子、分子氣室的氣壓、溫度、泵浦光的光強(qiáng)、形狀等條件，并將激光頻率鎖于其上，這種具有確定頻率值，不確定性可達(dá)10-12的穩(wěn)頻激光器我們稱(chēng)之為激光頻率標(biāo)準(zhǔn)（簡(jiǎn)稱(chēng)為光頻標(biāo)）。北京大學(xué)電子學(xué)系光電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室從事激光頻率標(biāo)準(zhǔn)的研究與實(shí)現(xiàn)，我所制作的電源系統(tǒng)，配合溫控、高壓線(xiàn)性放大器以及鎖相環(huán)三次微分電路構(gòu)成激光頻標(biāo)的主要電路系統(tǒng)。二、半導(dǎo)體激光器二極管的性質(zhì)對(duì)注入式半導(dǎo)體激光器，但流經(jīng)pn結(jié)的注入電流超過(guò)閾值，型和型材料覆蓋層之間的有源區(qū)載流子形成反轉(zhuǎn)分布，即導(dǎo)帶中擁有電子，而且

8、對(duì)應(yīng)的價(jià)帶中則流有空穴，到帶中的電子向下躍遷至能量低的價(jià)帶，而發(fā)生電子和空穴的復(fù)合，發(fā)生受激輻射，產(chǎn)生光子，由于諧振腔的反饋?zhàn)饔茫蛊洚a(chǎn)生激光。這便是半導(dǎo)體激光器的基本工作原理。從結(jié)構(gòu)上看，半導(dǎo)體激光器與其他類(lèi)型的激光器一樣，可以看作由工作物質(zhì)、光諧振腔和提供能量使得粒子數(shù)發(fā)生反轉(zhuǎn)的泵組成。本實(shí)驗(yàn)主要使用的是光頻標(biāo)常用的gaas-gaalas雙異質(zhì)激光器。此種激光器利用半導(dǎo)體晶體的解理面作為反射鏡構(gòu)成諧振腔，靠注入的載流子提供能量，實(shí)現(xiàn)電子與空穴的復(fù)合，產(chǎn)生受激發(fā)射的光子。從原理上來(lái)講，在工作物質(zhì)一定的情況下，半導(dǎo)體激光器輸出的激光頻率應(yīng)當(dāng)由諧振腔長(zhǎng)度和激勵(lì)源的強(qiáng)度有關(guān)，換句話(huà)說(shuō)，半導(dǎo)體激光器

9、的輸出頻率取決于：pn結(jié)的溫度和注入電流的大小。如下圖（2.1）所示，可以看出溫度和電流對(duì)輸出的影響：另外，由于半導(dǎo)體pn結(jié)相當(dāng)脆弱，稍有電流沖擊就會(huì)造成損害。所以在具體使用半導(dǎo)體激光器時(shí)，我們對(duì)其供電電路和調(diào)制電路的要求相當(dāng)嚴(yán)格。同時(shí)要求電源的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)換速度能夠達(dá)到一定的水平，由此，我們下一步就可以得出該電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。三、半導(dǎo)體激光器電源設(shè)計(jì)指標(biāo)通過(guò)以上對(duì)半導(dǎo)體激光器的介紹和分析，可以看出，其性能受到電源的直接影響。因此，我們希望，電流源越精密、越穩(wěn)定越好。而由于溫控電路的制冷/制熱功率放大器的需要，我們的電壓源輸出功率越打越好、電壓紋波越小越好。另外一方面，由于成本核算以及可實(shí)現(xiàn)性上

10、的考慮，我們不可能提出一個(gè)科幻般的指標(biāo)，要兼顧需求與成本。由此，定下如下的指標(biāo)和實(shí)現(xiàn)功能：電壓源電壓輸出10v15v：10v15v（雙路對(duì)稱(chēng)）紋波:0.1mv輸出最大功率：50w，單路輸出電流大于2.0a具有自保護(hù)功能，防止損害。電流源可調(diào)范圍：0300ma電流長(zhǎng)期穩(wěn)定度：1ma/day電流紋波及噪聲：1ua考慮到激光頻率的調(diào)節(jié)，本設(shè)計(jì)還包括了調(diào)制信號(hào)的輸入接口，讓電流可以被其他電路控制，以實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋?zhàn)赃m應(yīng)系統(tǒng)。二、基本設(shè)計(jì)方案一、電壓源由于電能要求的問(wèn)題，我們無(wú)法通過(guò)電池來(lái)實(shí)現(xiàn)。按照傳統(tǒng)設(shè)置，有兩種選擇方案：一是開(kāi)關(guān)電源，另一種是線(xiàn)性電源。由于開(kāi)關(guān)電源的調(diào)整器件是工作在飽和區(qū)或者是截至區(qū)，所

11、以調(diào)整器件的功耗比較小，效率較高。但是由于開(kāi)關(guān)電源工作的原理，要抑制紋波就要使用很大的電感，所以我們不能實(shí)現(xiàn)較小體積同時(shí)又達(dá)到低紋波的效果。而由于本設(shè)計(jì)所謂的“大功率”事實(shí)上只是中小功率，所以，并不十分在乎電源的效率。而為了實(shí)現(xiàn)對(duì)精度、穩(wěn)定度的要求，所以我們?cè)O(shè)計(jì)方案選擇線(xiàn)性電源。其調(diào)整器件工作于線(xiàn)性區(qū)，通過(guò)串聯(lián)負(fù)反饋實(shí)現(xiàn)對(duì)紋波的抑制。為了實(shí)現(xiàn)精度和穩(wěn)定度的要求，設(shè)計(jì)了兩級(jí)調(diào)整模塊，前一級(jí)使用穩(wěn)壓芯片，通過(guò)擴(kuò)流，輸送到后一級(jí)調(diào)整模塊，再調(diào)整，實(shí)現(xiàn)抑制紋波和降低噪聲的要求。以下是設(shè)計(jì)方案的基本框圖： 市電通過(guò)電網(wǎng)濾波器（防止由于異常情況而產(chǎn)生的各種高壓情況，例如雷擊）進(jìn)入變壓器，降至21v（峰值）

12、，經(jīng)過(guò)整流濾波后通過(guò)由穩(wěn)壓集成塊與擴(kuò)流電路組成的一級(jí)調(diào)整電路；之后，通過(guò)后級(jí)的串聯(lián)取樣反饋調(diào)整，最后輸出。 二、電流源與供電的電壓源一樣，這部分的電路也是采用串聯(lián)負(fù)反饋調(diào)整電路來(lái)實(shí)現(xiàn)恒定電流。只不過(guò)取樣方式是電流取樣。原因也是為了保證精度?？紤]到激光器的保護(hù)，需要使用慢啟動(dòng)電路，使得電流輸出再開(kāi)始時(shí)不至較大，半導(dǎo)體順利過(guò)渡到正常工作區(qū)。另外，由于避免干擾的原因，該電路暫且不宜設(shè)計(jì)為數(shù)控或者機(jī)控，這樣會(huì)帶來(lái)很大的噪聲。下圖為其基本設(shè)計(jì)框圖： 三、具體方案的理論分析和設(shè)計(jì)一、串聯(lián)負(fù)反饋的原理分析pid（比例積分微分）控制在整個(gè)系統(tǒng)中，利用設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)姆答伖?jié)達(dá)到輸出信號(hào)與我們的基準(zhǔn)信號(hào)有十分穩(wěn)定和快速

13、的跟蹤的效果，是設(shè)計(jì)的主要部分和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。（一）基本分析：從上面的分析我們可以看出：我們的兩個(gè)系統(tǒng)實(shí)際上是同一種設(shè)計(jì)方法的兩種實(shí)現(xiàn)兩個(gè)系統(tǒng)實(shí)際上都可以簡(jiǎn)化為下圖所示的一種校正方法，即使得輸出信號(hào)按一定的比例跟蹤基準(zhǔn)信號(hào)，并且在跟蹤的過(guò)程中保持穩(wěn)定和靈敏變化。 注：x(s)可視為基準(zhǔn)信號(hào)，y(s)則為輸出信號(hào)那么，我們的工作實(shí)際上就是構(gòu)造適當(dāng)?shù)膫鬏斚禂?shù)h（s）使得輸入信號(hào)與輸出信號(hào)滿(mǎn)足下面的要求：1首先我們應(yīng)當(dāng)創(chuàng)造一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)，防止任何由系統(tǒng)的傳輸函數(shù)非穩(wěn)定而導(dǎo)致的錯(cuò)誤，其次才談得上改善系統(tǒng)的性能定義誤差信號(hào)：顯然，為了達(dá)到消除紋波和噪聲的基本要求，要求隨時(shí)間增長(zhǎng)而減小到0，即：這個(gè)定義說(shuō)明了

14、系統(tǒng)的有效性；2定義跟蹤速度:設(shè)誤差信號(hào)減至初始誤差的時(shí)所用的時(shí)間為誤差衰減時(shí)間參數(shù)，則有：該定義說(shuō)明了系統(tǒng)的靈敏度，那么作為我們的反饋系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，如果不考慮其他因素，為了達(dá)到更好的抑制紋波和噪聲信號(hào)，我們需要越大越好；當(dāng)然，由于該值十分難于定性計(jì)算，我們?cè)谙旅娴挠懻撝胁⒉痪唧w計(jì)算該值，只是直觀(guān)的判斷該值的大小。（二）、基本理論：反饋網(wǎng)絡(luò)的基本傳輸函數(shù)為：其中的為校正方式、為基本線(xiàn)性跟蹤函數(shù)。由于并非設(shè)計(jì)要點(diǎn)（有時(shí)甚至只是一個(gè)單獨(dú)的、具有通頻帶的線(xiàn)性器件），為了達(dá)到上面我們所討論出的要求，主要需要設(shè)計(jì)部分，以下是校正方式的一般理論：a)超前校正下圖所示為rc超前網(wǎng)絡(luò)。其傳遞函數(shù)為：或者簡(jiǎn)化為：其

15、幅頻和相頻特性見(jiàn)下： 給原系統(tǒng)串入超前校正，一方面，由于正斜率的作用，使得截止頻率提高；另一方面，在截止頻率附近引入了正相移，使具有較大的穩(wěn)定裕度。這樣既改善了穩(wěn)定性，又使得系統(tǒng)的截止頻率提高。在我們的系統(tǒng)中，為了達(dá)到對(duì)高頻噪聲更好的監(jiān)視，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，超前校正是十分有效的。當(dāng)然，一般使用的時(shí)候，處于負(fù)載效應(yīng)和增益損失的角度考慮，一般采用有源超前校正。但是，超前校正很難改變系統(tǒng)的低頻特性。這需要另外的校正方式滯后校正。b)滯后校正下圖所示為rc超前網(wǎng)絡(luò)。其傳遞函數(shù)為：或者簡(jiǎn)化為：網(wǎng)絡(luò)的頻率特性曲線(xiàn)如下圖所示： 正如上面所述的關(guān)于超前網(wǎng)絡(luò)的描述，該網(wǎng)絡(luò)可以看作超前網(wǎng)絡(luò)的“逆網(wǎng)絡(luò)”。一方面，由于

16、幅頻負(fù)斜率的作用，顯著減小了頻寬，以犧牲系統(tǒng)的快速性來(lái)?yè)Q取穩(wěn)定性。另一方面，雖然從相頻曲線(xiàn)看，校正帶來(lái)了負(fù)位移，但是由于作用處于頻率較低的部位，不會(huì)給系統(tǒng)穩(wěn)定裕量帶來(lái)很大的影響。另外，串聯(lián)滯后校正并沒(méi)有改變?cè)到y(tǒng)最低頻段的特性，故對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度不起破壞性作用。相反，往往還允許適當(dāng)提高開(kāi)環(huán)增益，進(jìn)一步改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。c)滯后超前校正通常，我們?cè)谙到y(tǒng)設(shè)計(jì)中同時(shí)需要引入上述的兩種校正方式，作用于不同的頻率部分，全面提高系統(tǒng)的控制性能。由于該網(wǎng)絡(luò)是上述兩種網(wǎng)絡(luò)的疊加，兼具上面兩種網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)。在則不對(duì)其再做贅述。（三）、實(shí)際設(shè)計(jì)作為實(shí)際的反饋設(shè)計(jì)，采用了以上面的基本網(wǎng)絡(luò)為原理構(gòu)造的pd（比例積分）

17、、pid（比例積分微分）兩種調(diào)節(jié)器（另有pd比例微分調(diào)節(jié)器，相當(dāng)于超前校正，由于干擾信號(hào)的低頻性質(zhì)，并沒(méi)有單獨(dú)采用）。1pi調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)為: 顯然，我們從圖(5.1)中運(yùn)放和其相關(guān)的阻容器件構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)得到的s域表達(dá)式符合上面的通式。其作用相當(dāng)于滯后校正。在設(shè)計(jì)穩(wěn)壓源時(shí)，由于處理的主要是低頻信號(hào)，為了避免一些高頻干擾使得電路穩(wěn)定性變壞，我們采用了pi調(diào)節(jié)。根據(jù)在基本分析中所要求的那樣，我們先來(lái)從理論上證明系統(tǒng)的穩(wěn)定性：電路的其余部分的調(diào)節(jié)系統(tǒng)簡(jiǎn)化為一個(gè)一階的慣性系統(tǒng)，其傳輸函數(shù)為： （1）該系統(tǒng)具有一個(gè)普遍的低通系統(tǒng)的特質(zhì)。我們得到： （2）由于我們使用的為一般的電阻電容所構(gòu)造的網(wǎng)絡(luò)，顯然有、

18、，系統(tǒng)極點(diǎn)在s域左半部分，為穩(wěn)定系統(tǒng)，滿(mǎn)足我們的第一個(gè)要求；其次我們考慮： （3）再根據(jù)終值定理： （4） （5）處于對(duì)于電壓源基準(zhǔn)源調(diào)節(jié)和輸出電壓值變化的特性，我們考慮網(wǎng)絡(luò)的階躍響應(yīng)（），由（2）、（4）、（5）得： 滿(mǎn)足我們的第二個(gè)要求；同時(shí)，隨著，衰減的速度與s成正比。也就是說(shuō)，我們?cè)诨痉治鲋卸x的跟蹤速度與的速度呈線(xiàn)性關(guān)系；2pid調(diào)節(jié)器著名的比例-積分-微分校正，其傳遞函數(shù)：觀(guān)察我們的電流源電路的反饋節(jié)部分，下面是其傳輸系數(shù)表達(dá)式：對(duì)于低頻：取樣反饋部分電路傳輸系數(shù)仍然為上面的pi形式；對(duì)于高頻：基準(zhǔn)源、r3、r4、r5、l1和c3的網(wǎng)絡(luò)及運(yùn)放和周?chē)淖枞菥W(wǎng)絡(luò)共同組成pid校正：一

19、方面，前者（基準(zhǔn)源、r3、r4、r5、l1和c3的網(wǎng)絡(luò)）引入，r3與基準(zhǔn)源匹配，滿(mǎn)足直流時(shí)的穩(wěn)定條件，高頻取樣僅僅考慮剩下的rlc網(wǎng)絡(luò)。在高頻時(shí)，r4阻抗較大，高頻斷路，僅僅考慮剩下的rlc串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。在剩下由l1、c3、r5組成的rlc網(wǎng)絡(luò)中，由l1（位于分母）、c3引入，構(gòu)成了pi校正； 另一方面，后者引入，運(yùn)放與其輸入級(jí)電阻和增益電容c2構(gòu)成了典型的積分器電路，即引入了s,至此，pid網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成；運(yùn)放的輸出極接一個(gè)并聯(lián)阻容網(wǎng)絡(luò)，引入典型的超前校正，進(jìn)一步的提高電路的靈敏度綜上所述，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造使用了滯后超前校正。當(dāng)然，其s域的表達(dá)式十分復(fù)雜，而其原理也是上面所陳述的，沒(méi)有必要進(jìn)行贅述。我們可

20、以直接用其化簡(jiǎn)的pid表達(dá)式來(lái)證明它滿(mǎn)足我們的要求：首先考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性：仍然設(shè)定系統(tǒng)為一階線(xiàn)性慣性系統(tǒng)：得到：由于上式中的各個(gè)參數(shù)均為正實(shí)數(shù)，系統(tǒng)穩(wěn)定；然后，考慮我們對(duì)有效性描述的定義：，仍然考慮階躍響應(yīng)（），可以證明該系統(tǒng)滿(mǎn)足這個(gè)條件；另外，觀(guān)察的形式，我們發(fā)現(xiàn)，一般應(yīng)該有兩個(gè)零點(diǎn)，這樣，采取適當(dāng)?shù)膮?shù)，一方面在低頻段我們能有效保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高穩(wěn)態(tài)精度，達(dá)到滯后校正的作用；在高頻段，提高系統(tǒng)的截止頻率，提高響應(yīng)速度（包括我們所定義的）達(dá)到超前校正的作用。至于系統(tǒng)在局部引入的超前校正，其分析方法同上，從略。二、具體的電路原理分析：由于電源電路的普及性，這里并不對(duì)整個(gè)電路的每一個(gè)部分做贅

21、述，只是選擇其中需要注意的或者是比較創(chuàng)新的地方加以細(xì)致說(shuō)明，其他一筆帶過(guò)。（一）、變壓器的設(shè)計(jì)：選擇環(huán)形變壓器，注意：市電最好加電源濾波器后再接變壓器初級(jí)，以避免市電運(yùn)作時(shí)由于偶然因素（雷擊、大功率電器上下電等）引起的浪涌電壓。（二）、橋式整流：需要注意的是，在每一個(gè)整流管上應(yīng)該并接小電容，這是出于避免高頻信號(hào)干擾損傷的目的。整流管的選擇依據(jù)最大電流、浪涌電流選擇合適的整流管，本設(shè)計(jì)中使用的是2n4002。（三）、精密電阻：實(shí)驗(yàn)證明，在電流源電路中，取樣電阻的精密程度直接影響了電流輸出的穩(wěn)定性，在實(shí)驗(yàn)中，我們使用了溫漂小于、額定功率為30w的精密電阻。 （四）、擴(kuò)流電路：由于僅使用78xx和7

22、9xx無(wú)法滿(mǎn)足功率指標(biāo)，所以需要在原來(lái)的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)流，如下圖所示， 這樣就可以得到我們所需要的功率指標(biāo)。（五）、保護(hù)電路：為了使得我們的電路本身具有一定的自保護(hù)功能，避免由于過(guò)載等因素引起的不可恢復(fù)的損害。我們?cè)陔妷涸粗胁捎昧讼蘖餍捅Ｗo(hù)電路，電路中的2sa1015和2sc1815即為吸流管。不使用效果更好的截流型保護(hù)電路的原因是：本身我們的負(fù)載（后級(jí)電流源）遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電壓源的額定負(fù)載，截流型保護(hù)不是十分必要，反而會(huì)增加電路的復(fù)雜性。另外，考慮到半導(dǎo)體激光器的性質(zhì)，為了達(dá)到保護(hù)目的，我們?cè)陔娐分屑尤肓寺龁?dòng)的部分。左圖即為電流源的慢啟動(dòng)電路，開(kāi)始時(shí)，q1截止，c23通過(guò)r25充電，c7上沒(méi)有電荷

23、，q1的e極相當(dāng)于接地。當(dāng)c23上的電壓大于q1閾值電壓vbe后c7開(kāi)始充電，直到q1的b極電壓約為-12v左右時(shí)（即c23上的電壓值約為121n5242b的穩(wěn)壓值），停止充電，c7則保持一個(gè)電壓使得q1導(dǎo)通。關(guān)閉電路后，電容通過(guò)q1的e極放電。上面即是電路中比較獨(dú)立的電路部分，與我們前面所述的串聯(lián)負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了整個(gè)電路系統(tǒng)。電路圖詳見(jiàn)附圖1、2。四、實(shí)際電路的完成和印刷電路板的制造對(duì)于電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，印制線(xiàn)路板設(shè)計(jì)是其從電原理圖變成一個(gè)具體產(chǎn)品必經(jīng)的一道設(shè)計(jì)工序，其設(shè)計(jì)的合理性與產(chǎn)品生產(chǎn)及產(chǎn)品質(zhì)量緊密相關(guān)，而同時(shí)，線(xiàn)路板的設(shè)計(jì)由于具體的電路設(shè)計(jì)及要求有很大關(guān)系。在此將本電路的印制線(xiàn)路板設(shè)計(jì)以

24、及一些普遍的原則介紹如下，所使用的eda軟件為protel99se：一、板的布局：印制線(xiàn)路板上的元器件放置的通常順序：放置與結(jié)構(gòu)有緊密配合的固定位置的元器件，如電源插座、指示燈、開(kāi)關(guān)、連接件之類(lèi)，這些器件放置好后用軟件的lock功能將其鎖定，使之以后不會(huì)被誤移動(dòng)；放置線(xiàn)路上的特殊元件和大的元器件，如發(fā)熱元件、變壓器、ic等；放置小器件。二、元器件離板邊緣的距離：所有的元器件盡量放置在離板的邊緣3mm以?xún)?nèi)或至少大于板厚，這是由于在大批量生產(chǎn)的流水線(xiàn)插件和進(jìn)行波峰焊時(shí)，要提供給導(dǎo)軌槽使用，同時(shí)也為了防止由于外形加工引起邊緣部分的缺損，如果印制線(xiàn)路板上元器件過(guò)多，不得已要超出3mm范圍時(shí)，可以在板的

25、邊緣加上3mm的輔邊，輔邊開(kāi)v形槽，在生產(chǎn)時(shí)用手掰斷即可。三、高低壓之間的隔離：在許多印制線(xiàn)路板上同時(shí)有高壓電路和低壓電路，高壓電路部分的元器件與低壓部分要分隔開(kāi)放置，隔離距離與要承受的耐壓有關(guān)，通常情況下在2000kv時(shí)板上要距離2mm，在此之上以比例算還要加大，例如若要承受3000v的耐壓測(cè)試，則高低壓線(xiàn)路之間的距離應(yīng)在3.5mm以上，許多情況下為避免爬電，還在印制線(xiàn)路板上的高低壓之間開(kāi)槽。當(dāng)然，在我們的設(shè)計(jì)中，只有低壓電路，不存在上述的問(wèn)題，在此泛泛而談。四、印制線(xiàn)路板的走線(xiàn)：印制導(dǎo)線(xiàn)的布設(shè)應(yīng)盡可能的短，在高頻回路中更應(yīng)如此；印制導(dǎo)線(xiàn)的拐彎應(yīng)成圓角，而直角或尖角在高頻電路和布線(xiàn)密度高的情

26、況下會(huì)影響電氣性能；當(dāng)兩面板布線(xiàn)時(shí)，兩面的導(dǎo)線(xiàn)宜相互垂直、斜交、或彎曲走線(xiàn)，避免相互平行，以減小寄生耦合；作為電路的輸入及輸出用的印制導(dǎo)線(xiàn)應(yīng)盡量避免相鄰平行，以免發(fā)生回授，在這些導(dǎo)線(xiàn)之間最好加接地線(xiàn)。五、印制導(dǎo)線(xiàn)的寬度：導(dǎo)線(xiàn)寬度應(yīng)以能滿(mǎn)足電氣性能要求而又便于生產(chǎn)為宜，它的最小值以承受的電流大小而定，但最小不宜小于5mil，在我們?cè)O(shè)計(jì)的電路中，由于高密度、高精度的要求，導(dǎo)線(xiàn)寬度取20mil40mil；導(dǎo)線(xiàn)寬度在大電流情況下還要考慮其溫升，單面板實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)銅箔厚度為50m、導(dǎo)線(xiàn)寬度40mil60mil、通過(guò)電流2a時(shí)，溫升很小，因此，一般選用40mil60mil寬度導(dǎo)線(xiàn)就可能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求而不致引

27、起溫升；印制導(dǎo)線(xiàn)的公共地線(xiàn)應(yīng)盡可能地粗,因?yàn)楫?dāng)?shù)鼐€(xiàn)過(guò)細(xì)時(shí)，由于流過(guò)的電流的變化，地電位變動(dòng)，電路參考電平不穩(wěn)，會(huì)使噪聲容限劣化。 六、印制導(dǎo)線(xiàn)的間距：相鄰導(dǎo)線(xiàn)間距必須能滿(mǎn)足電氣安全要求，而且為了便于操作和生產(chǎn)，間距也應(yīng)盡量寬些。最小間距至少要能適合承受的電壓。這個(gè)電壓一般包括工作電壓、附加波動(dòng)電壓以及其它原因引起的峰值電壓。如果有關(guān)技術(shù)條件允許導(dǎo)線(xiàn)之間存在某種程度的金屬殘粒，則其間距就會(huì)減小。實(shí)驗(yàn)表明，間距取為1315mil能夠達(dá)到要求。七、印制導(dǎo)線(xiàn)的屏蔽與接地：印制導(dǎo)線(xiàn)的公共地線(xiàn)，應(yīng)盡量布置在印制線(xiàn)路板的邊緣部分。在印制線(xiàn)路板上應(yīng)盡可能多地保留銅箔做地線(xiàn)，這樣得到的屏蔽效果，比一長(zhǎng)條地線(xiàn)要好

28、，傳輸線(xiàn)特性和屏蔽作用將得到改善，另外起到了減小分布電容的作用。印制導(dǎo)線(xiàn)的公共地線(xiàn)最好形成環(huán)路或網(wǎng)狀，這是因?yàn)楫?dāng)在同一塊板上有許多集成電路，特別是有耗電多的元件時(shí)，由于圖形上的限制產(chǎn)生了接地電位差，從而引起噪聲容限的降低，當(dāng)做成回路時(shí)，接地電位差減小。另外，接地和電源的圖形盡可能要與數(shù)據(jù)的流動(dòng)方向平行，這是抑制噪聲能力增強(qiáng)的秘訣；多層印制線(xiàn)路板可采取其中若干層作屏蔽層，電源層、地線(xiàn)層均可視為屏蔽層，一般地線(xiàn)層和電源層設(shè)計(jì)在多層印制線(xiàn)路板的內(nèi)層，信號(hào)線(xiàn)設(shè)計(jì)在內(nèi)層和外層。焊盤(pán)：焊盤(pán)的直徑和內(nèi)孔尺寸：焊盤(pán)的內(nèi)孔尺寸必須從元件引線(xiàn)直徑和公差尺寸以及搪錫層厚度、孔徑公差、孔金屬化電鍍層厚度等方面考慮，焊

29、盤(pán)的內(nèi)孔一般不小于25mil，因?yàn)樾∮?5mil的孔開(kāi)模沖孔時(shí)不易加工，通常情況下以金屬引腳直徑值加上8mil作為焊盤(pán)內(nèi)孔直徑，如電阻的金屬引腳直徑為20mil時(shí)，其焊盤(pán)內(nèi)孔直徑對(duì)應(yīng)為28mm，焊盤(pán)直徑取決于內(nèi)孔直徑：1當(dāng)焊盤(pán)直徑為60mil時(shí)，為了增加焊盤(pán)抗剝強(qiáng)度，可采用長(zhǎng)不小于60mil，寬為60mil和長(zhǎng)圓形焊盤(pán)，此種焊盤(pán)在集成電路引腳焊盤(pán)中最常見(jiàn)。2焊盤(pán)直徑可用下列公式選取：直徑小于15mil的孔：dd0.53直徑大于80mil的孔：dd1.52式中：（d焊盤(pán)直徑，d內(nèi)孔直徑）,其他：孔直徑20mil24mil32mil40mil48mil64mil80mil焊盤(pán)直徑60mil60mi

30、l80mil100mil120mil140mil160mil有關(guān)焊盤(pán)的其它注意點(diǎn)：焊盤(pán)內(nèi)孔邊緣到印制板邊的距離要大于80mil，這樣可以避免加工時(shí)導(dǎo)致焊盤(pán)缺損。焊盤(pán)的開(kāi)口：有些器件是在經(jīng)過(guò)波峰焊后補(bǔ)焊的，但由于經(jīng)過(guò)波峰焊后焊盤(pán)內(nèi)孔被錫封住，使器件無(wú)法插下去，解決辦法是在印制板加工時(shí)對(duì)該焊盤(pán)開(kāi)一小口，這樣波峰焊時(shí)內(nèi)孔就不會(huì)被封住，而且也不會(huì)影響正常的焊接。焊盤(pán)補(bǔ)淚滴：當(dāng)與焊盤(pán)連接的走線(xiàn)較細(xì)時(shí)，要將焊盤(pán)與走線(xiàn)之間的連接設(shè)計(jì)成水滴狀，這樣的好處是焊盤(pán)不容易起皮，而是走線(xiàn)與焊盤(pán)不易斷開(kāi)。相鄰的焊盤(pán)要避免成銳角或大面積的銅箔，成銳角會(huì)造成波峰焊困難，而且有橋接的危險(xiǎn)，大面積銅箔因散熱過(guò)快會(huì)導(dǎo)致不易焊接。

31、八、大面積敷銅：印制線(xiàn)路板上的大面積敷銅常用于兩種作用，一種是散熱，一種用于屏蔽來(lái)減小干擾，初學(xué)者設(shè)計(jì)印制線(xiàn)路板時(shí)常犯的一個(gè)錯(cuò)誤是大面積敷銅上沒(méi)有開(kāi)窗口，而由于印制線(xiàn)路板板材的基板與銅箔間的粘合劑在浸焊或長(zhǎng)時(shí)間受熱時(shí)，會(huì)產(chǎn)生揮發(fā)性氣體無(wú)法排除，熱量不易散發(fā)，以致產(chǎn)生銅箔膨脹，脫落現(xiàn)象。因此在使用大面積敷銅時(shí)，應(yīng)將其開(kāi)窗口設(shè)計(jì)成網(wǎng)狀。九、板材與板厚：印制線(xiàn)路板的厚度應(yīng)根據(jù)印制板的功能及所裝元件的重量、印制板插座規(guī)格、印制板的外形尺寸和所承受的機(jī)械負(fù)荷來(lái)決定。多層印制板總厚度及各層間厚度的分配應(yīng)根據(jù)電氣和結(jié)構(gòu)性能的需要以及覆箔板的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格來(lái)選取。具體設(shè)計(jì)中并沒(méi)有涉及這方面的問(wèn)題，從略。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

32、及誤差分析一、基本測(cè)量測(cè)量?jī)x器：附圖3所示的放大器和meichvang electronic ltd com的v-212示波器測(cè)量條件：23測(cè)量結(jié)果：電壓源電壓輸出10v15v：10v15v（雙路對(duì)稱(chēng)）紋波:0.01mv輸出最大功率：25w，即輸出電流大于1.0a電流源調(diào)整范圍：0300ma電流紋波及噪聲：0.5ua考慮示波器的帶寬限制，修正為：電壓源：紋波:0.01mv電流源：電流紋波及噪聲：0.1ua二、比較測(cè)量在測(cè)量中，存在許多困難：系統(tǒng)本身的噪聲已經(jīng)超過(guò)一般儀器測(cè)量范圍。本系統(tǒng)本身產(chǎn)生的噪聲已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于環(huán)境噪聲，無(wú)法識(shí)別噪聲源自環(huán)境還是系統(tǒng)本身產(chǎn)生。使用其他輔助儀器測(cè)量，僅僅能夠做出一

33、個(gè)定性測(cè)量（見(jiàn)下）由于最后的結(jié)果十分難以測(cè)量，超出了一般儀器的測(cè)量能力，所以在測(cè)量的時(shí)候上面的測(cè)量并不能完全說(shuō)明儀器性能指標(biāo)。所以使用了一些特殊儀器進(jìn)行了測(cè)量，并通過(guò)與其他相同功能的儀器的比較來(lái)說(shuō)明該系統(tǒng)的性能指標(biāo)。測(cè)試方案：（一）、測(cè)試儀器說(shuō)明：model sr570 low-noise current preamplifier描述：該儀器將所需要測(cè)量的微弱電流放大并轉(zhuǎn)換成為電壓信號(hào)特點(diǎn)：低噪聲、寬帶、精確指標(biāo)：注意事項(xiàng)：所測(cè)電流（源）的輸出阻抗必須大于轉(zhuǎn)換系數(shù)的倒數(shù)，也就是說(shuō)，應(yīng)當(dāng)使得輸出不大于1v;當(dāng)將電壓源通過(guò)與高阻串聯(lián)的方法模擬電流源時(shí)，以使用多個(gè)較小的電阻串聯(lián)的辦法來(lái)替代直接使用大

34、電阻的辦法將freq comp點(diǎn)調(diào)整到對(duì)應(yīng)源的特性和選擇精度的優(yōu)化頻率響應(yīng)使用較短的同軸傳輸線(xiàn)保持輸出低于1v地底盤(pán)接地，但是不要與放大器的地相接對(duì)于低水平測(cè)量，斷開(kāi)電源使用內(nèi)置電源（二）、測(cè)試方案：測(cè)試結(jié)果：上面是在無(wú)任何輸入的情況下使用sr570測(cè)量紋波時(shí)通過(guò)示波器觀(guān)察到的得到的基本噪聲波形。儀器參數(shù)設(shè)置如下：示波器：、sr570：lowpass filter： for point、 gain：上面是一臺(tái)一般的國(guó)產(chǎn)穩(wěn)壓電源在帶載情況下使用sr570測(cè)量紋波時(shí)通過(guò)示波器觀(guān)察到的波形。相關(guān)參數(shù)設(shè)置同上。上面是本設(shè)計(jì)的電路在相同負(fù)載下通過(guò)sr570放大后觀(guān)察到的紋波，參數(shù)設(shè)置與上述一致。相關(guān)參數(shù)

35、設(shè)置同上?？梢缘贸鼋Y(jié)論：在對(duì)于低頻紋波的抑制上我們的電路達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。說(shuō)明：在上面的測(cè)試之外，我們還將其與實(shí)驗(yàn)室中現(xiàn)在使用的德國(guó)產(chǎn)diode laser system dl100系列儀器進(jìn)行了一些比較，主要有：最大輸出電流：dl100：500ma本系統(tǒng)：250ma紋波幅度（電壓源）：dl100：約為1mv左右本系統(tǒng)：小于100uv可以說(shuō)，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)達(dá)到了國(guó)內(nèi)的先進(jìn)水平。三、電路板設(shè)計(jì)以下是該電路的電路板照片：整流及濾波電路：電壓源：電流源：參考文獻(xiàn)a low-noise high-speed diode laser current controller liebbrecht k., hal

36、l j., rev.sci.instrum 1993,64,2133-2135高性能晶體管直流穩(wěn)壓電源 曾大鑫 北京 水利電力出版社 1984直流穩(wěn)壓電源的原理和設(shè)計(jì) 王鴻麟 人民郵電出版社 1981致 謝回首這一年多的時(shí)間，雖說(shuō)每一天都在平凡中度過(guò)，雖說(shuō)工作仍然有許多不能令人滿(mǎn)意的地方。但是，突然也有那么一點(diǎn)點(diǎn)沉沉的感覺(jué)。而這一點(diǎn)點(diǎn)的收獲是在許許多多的人支持和幫助下獲得的，在此，表示衷心的感謝，感謝我的父母和所有幫助過(guò)我的人：首先，要感謝的是陳徐宗老師，使他首先提供了這么一個(gè)機(jī)會(huì)讓我去獨(dú)立的設(shè)計(jì)這樣一個(gè)現(xiàn)實(shí)的電路系統(tǒng)?？梢哉f(shuō)是他教導(dǎo)我在平凡的學(xué)習(xí)中學(xué)會(huì)真正學(xué)以致用。更為重要的是，從他的言傳身

37、教中，我認(rèn)識(shí)到了這樣的科研品格：踏實(shí)、認(rèn)真、勤奮、嚴(yán)謹(jǐn)?；蛟S這樣的套話(huà)誰(shuí)都會(huì)說(shuō)，但是，我說(shuō)這樣的話(huà)，是因?yàn)槲乙?jiàn)到了陳老師的勤奮。我也相信每一位跟陳老師做過(guò)學(xué)問(wèn)的人，都會(huì)情不自禁的想到這樣的八個(gè)字。無(wú)疑，陳老師的品格已經(jīng)成為我的一個(gè)榜樣，我將會(huì)在今后的工作中以此為標(biāo)準(zhǔn)努力完善自己，不枉費(fèi)為師的一片苦心。其次，我要感謝的是秦祺舒同學(xué)和伊林同學(xué)，是他們?cè)谖乙驗(yàn)槠渌虑楹苊Φ臅r(shí)候幫我把工作一步步完善：完善了電路板的設(shè)計(jì)、將該系統(tǒng)與德國(guó)同類(lèi)產(chǎn)品進(jìn)行了測(cè)試比較等等。尤其是秦祺舒同學(xué)，經(jīng)常同我一起交流，幫助我找出問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題。還有我的同學(xué)趙明，使他在困難的時(shí)候鼓勵(lì)我，讓我堅(jiān)持下去。在此表示深深的

38、謝意和祝福。同時(shí)，肖峰、袁杰、陳帥等師兄和實(shí)驗(yàn)中心的崔玉琴老師在我的工作中給予了莫大的幫助，在此也表示深深的謝意。作者簡(jiǎn)介：譚躍，男。1981年生，云南省昆明市人，祖籍山西省沁源縣。北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院99級(jí)一班本科生，擔(dān)任本班學(xué)習(xí)委員。2000年至2001年擔(dān)任系團(tuán)委組織部副部長(zhǎng)，2000年至2001年擔(dān)任系學(xué)生會(huì)外聯(lián)部部長(zhǎng)。曾獲得北京大學(xué)1999-2000學(xué)年三好學(xué)生、北京大學(xué)1999-2000學(xué)年“摩托羅拉”優(yōu)等獎(jiǎng)學(xué)金、北京大學(xué)2000-2001學(xué)年“五四”獎(jiǎng)學(xué)金、西門(mén)子（中國(guó)）公司“基于地理位置的信息服務(wù)”創(chuàng)意設(shè)計(jì)大賽一等獎(jiǎng)。愛(ài)好音樂(lè)、物理學(xué)和歷史。感悟與寄語(yǔ)：終于把這個(gè)工作完成了

39、，回想起來(lái)，心中的確有那么一點(diǎn)感慨。在我的歷程中，無(wú)疑這是一個(gè)小小的奇跡。當(dāng)初并沒(méi)有抱著什么目的來(lái)做這么一件事，現(xiàn)在卻獲得了不小的成績(jī)，我可以笑笑對(duì)我媽我爸說(shuō)：“你們可以很自豪了！”當(dāng)初開(kāi)始這個(gè)工作的時(shí)候，總是覺(jué)得毫無(wú)頭緒，一次次想：算了吧，換個(gè)簡(jiǎn)單點(diǎn)的有意思的做做吧。有時(shí)候呢，又想這么一個(gè)小電源能做多好呀。其他的同學(xué)不做了，自己也想：我是不是也可以走呢。幸運(yùn)的是，我一直都沒(méi)有因?yàn)檫@樣或者那樣的理由放棄而獲得了現(xiàn)在的成果，而且真正是自己的，我感到很滿(mǎn)足?，F(xiàn)在也會(huì)想起那一段時(shí)光，一個(gè)人早早的到實(shí)驗(yàn)室，一個(gè)人安靜的工作，一個(gè)人聽(tīng)著那首歌：我只想堅(jiān)持每一步該走的方向 就算一路上偶而會(huì)沮喪關(guān)於未來(lái)只有

40、自己明白不想讓心情被現(xiàn)實(shí)打敗一路開(kāi)往最高那一座山孤單的想像寂寞的逃亡我站在靠近天的頂端張開(kāi)手全部釋放用月光取暖給自己力量才發(fā)現(xiàn)關(guān)於夢(mèng)的答案一直在自己手上只有自己能讓自己發(fā)光其實(shí)，勤勤懇懇也是一種幸福，大家的幸福，自己最大的幸福。當(dāng)然，看到陳老師更加勤奮的身影，我也感到了一種沉沉的動(dòng)力，他鼓勵(lì)我一步一步向前走，當(dāng)清風(fēng)吹干曾經(jīng)付出的淚和汗，總有一天我會(huì)擁有我的天。指導(dǎo)教師簡(jiǎn)介：陳徐宗，1958年4月出生，江蘇省蘇州市人，理學(xué)博士，教授， 博士生導(dǎo)師，北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院副院長(zhǎng)，中國(guó)物理學(xué)會(huì)量子光學(xué)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)委員、中國(guó)計(jì)量測(cè)試學(xué)會(huì)理事。從事激光物理和技術(shù)的科研與教學(xué)工作，先后在激光冷卻、原子噴泉

41、、玻色-愛(ài)因斯坦凝聚、原子與分子超精細(xì)光譜、半導(dǎo)體激光頻標(biāo)、電磁感應(yīng)透明等方面做了大量的研究工作，發(fā)表論文70多篇。存在著賽車(chē)手從四川省網(wǎng)得分vrgr存在著賽車(chē)手從四川省網(wǎng)得分vrgr存在著賽車(chē)手從四川省網(wǎng)得分vrgr存在著賽車(chē)手從四川省網(wǎng)得分vrgr存在著賽車(chē)手從四川省網(wǎng)得分vrgr存在著賽車(chē)手從四川省網(wǎng)得分vrgr存在著賽車(chē)手從四川省網(wǎng)得分vrgr存在著賽車(chē)手從四川省網(wǎng)得分vrgr存在著賽車(chē)手從四川省網(wǎng)得分vrgr存在著賽車(chē)手從四川省網(wǎng)得分vrgr存在著賽車(chē)手從四川省網(wǎng)得分vrgr存在著賽車(chē)手從四川省網(wǎng)得分vrgr存在著賽車(chē)手從四川省網(wǎng)得分vrgr存在著賽車(chē)手從四川省網(wǎng)得分vrgr存在著賽

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44、省網(wǎng)得分vrgr存在著賽車(chē)手從四川省網(wǎng)得分vrgr存在著賽車(chē)手從四川省網(wǎng)得分vrgr存在著賽車(chē)手從四川省網(wǎng)得分vrgr存在著賽車(chē)手從四川省網(wǎng)得分vrgr存在著賽車(chē)手從四川省網(wǎng)得分vrgr存在著賽車(chē)手從四川省網(wǎng)得分vrgr存在著賽車(chē)手從四川省網(wǎng)得分vrgr存在著賽車(chē)手從四川省網(wǎng)得分vrgr存在著賽車(chē)手從四川省網(wǎng)得分vrgr存在著賽車(chē)手從四川省網(wǎng)得分vrgr存在著賽車(chē)手從四川省網(wǎng)得分vrgr存在著賽車(chē)手從四川省網(wǎng)得分vrgr存在著賽車(chē)手從四川省網(wǎng)得分vrgr存在著賽車(chē)手從四川省網(wǎng)得分vrgr存在著賽車(chē)手從四川省網(wǎng)得分vrgr存在著賽車(chē)手從四川省網(wǎng)得分vrgr存在著賽車(chē)手從四川省網(wǎng)得分vrgr存在著

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