一种用于高速摄影仪的快门脉冲发生器

刘春平，李 爽，3，李景镇

1)深圳大学电子科学与技术学院，深圳 518060;2)深圳市微纳光子信息技术重点实验室，深圳 518060;3)深圳大学光电工程学院，深圳 518060

一种用于高速摄影仪的快门脉冲发生器

刘春平1，2，李 爽1，2，3，李景镇1，2

1)深圳大学电子科学与技术学院，深圳 518060;2)深圳市微纳光子信息技术重点实验室，深圳 518060;3)深圳大学光电工程学院，深圳 518060

设计基于绝缘栅型场效应管 (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET)的快门脉冲发生器，将MOSFET串联作为开关组，采用电平移位法对其进行驱动，由可编辑逻辑器件FPGA控制延时触发，经过脉冲形成电路分别得到高压脉冲的快前沿与快后沿.结果表明，在1.1 μF的负载下，可获得幅值为800 V、前后沿均小于1 μs、脉宽为81 μs的高压快脉冲，该系统抗干扰能力强，可靠性好.

快门脉冲发生器;绝缘栅型场效应管;可编程逻辑器件;微秒级快门;受抑全反射;高速摄影

高速摄影仪以其独有优势在军事科技领域具有很高的应用价值［1-2］.快门作为摄影仪的重要部件，控制每幅照片的曝光时间和快门速度直接决定高速摄影的质量.受抑全反射微秒级快门具有结构简单、体积小且性能稳定的特点，与普通快门几十微秒甚至十几毫秒的开关速度相比，该快门速度可达10 μs以内，不仅可以达到高速摄影仪的要求，还可同时起到快开快门与快关快门的作用，取代电涌式快开快门与爆炸式快关快门模式，以克服大电涌对高速摄影系统的干扰，并避免爆炸快门不可重复使用的高成本代价，具有可观的应用价值.该快门内部由一种新型压电晶体材料PMNT(新型弛豫铁电单晶，(1-x)Ph(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3)构成，在预极化处理后的晶体两面镀电极，并对电极施加持续时间极短的高压脉冲，通过晶体在电场力作用下的形变来控制光通量［3-6］.为达到微秒级的快门速度以及快开快门和快关快门合二为一的作用，要求用于压电晶体的高压脉冲应具有快前沿与快后沿。同时，由于这种新型压电晶体制作工艺比较复杂，成品参量有较大差异，不同成品在最佳工作状态时所需高压脉冲的幅度及作用时间不同，高压快速脉冲的幅值与宽度应可调.设计输出脉冲满足要求的快门脉冲发生器对于受抑全反射快门实现微秒级快门速度，缩短曝光时间及避免胶片重复曝光具有重要意义.

本研究设计一种基于绝缘栅型场效应管(metaloxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET)串联结构的快门脉冲发生器，采用电平移位法驱动MOSFET开关组开通或关断，由可编辑逻辑器件FPGA控制延时触发，脉冲前后沿分别形成，输出高压脉冲同时具有快前沿与快后沿，且脉冲宽度与幅值可调.

1 快门脉冲发生器设计

由于该快门脉冲要求同时具有快前沿与快后沿，且需具有一定的脉冲宽度，故通常的单开关传输线成形法［7-8］不能满足要求.图1为根据前后沿分别成形机理设计的快门脉冲发生器结构框图，主要由延时触发控制电路、MOSFET驱动电路、MOSFET开关组 (多管串联)以及高压脉冲形成电路几部分构成.延时触发控制电路产生时间间隔为脉冲宽度的两个触发信号，控制MOSFET驱动电路，使高端和低端开关组分别导通，经脉冲形成回路，最终获得快门负载所需的高压快脉冲.

图1 快门脉冲发生器结构框图Fig.1 Schematic diagram of shutter-pulse generator

1.1 MOSFET串联开关组

高压脉冲发生器的基础核心是高压开关，随着设备小型化、模块化，常用的开关器件主要有雪崩三极管和绝缘栅型场效应管.雪崩三极管［9］作为开关器件，通过储能电缆放电，可获得高压快速脉冲，但其电流驱动能力差，输出脉宽较窄，脉冲时间越长所需电缆长度就越大，使脉冲产生器体积过大，如果要改变脉冲宽度还必须更换电缆，不易操作.绝缘栅型场效应管是多数载流子工作的器件，其通态电阻具有正温度系数，即温度升高通态电阻增大，使漏极电流能随温度升高而下降，因而不存在电流集中和二次击穿的限制，用作脉冲产生器的开关器件，可克服雪崩三极管储能电缆放电方式的上述缺点，具有体积小、脉宽连续可调的显著优势.

多个MOSFET串联［10-11］可作为开关组，如图2.由于单个管子的耐压值有限，且耐压高的管子开关速度慢，不能满足实际应用的要求，将N个MOSFET串联构成开关组可承受N倍单管击穿电压.当触发信号触发M1时，N个MOSFET同时导通，实现快速开关的作用.在多管串联结构中，若各管参数不一致会造成个别管子承受电压超过其额定值而损坏，因此，应尽量筛选参数相同的器件，并在各管漏极与源极之间并联电阻，使每个管子承受电压基本相等.

图2MOSFET串联结构Fig.2 Series structure of MOSFETs

1.2 MOSFET高端驱动电路

MOSFET是电压型驱动器件，输入阻抗高，所需静态驱动功率小，但极间电容较大，其等效电路如图3.输入电容Ciss、输出电容Coss和反馈电容Crss与极间电容的关系可表示为

图3MOSFET等效电路图Fig.3 Equivalent circuit diagram of MOSFET

MOSFET极间电容充放电的快慢决定其开关速度，在开通和关断过程中，要求驱动电路能够对寄生电容进行快速充放电，因此驱动脉冲应具有足够陡的上升和下降速度且延迟要小［12］.开通时驱动电路应提供足够大的瞬时峰值电流，使开通延迟和密勒时间足够短，在要求时间内完成对输入电容的充放电;关断时驱动电路应能为栅极电荷提供低阻放电回路，提高关断速度.现有的专用高端驱动芯片如HT0440，可产生快速驱动脉冲，但由于其最高输出电压仅为400 V，不能满足高压端MOSFET开关组的驱动要求 (输入电压800 V以上);开放式收集器驱动方法简单，但不适用于直接驱动高速电路中的MOSFET开关组.

综上分析，采用电平移位法进行高端驱动如图4，选用具有电平转换功能的芯片 (Microchip公司的TC4421N)提供大的灌入电流，用关断三极管Qoff将N管栅极电压锁定，消除栅极多余电压的危险，电阻Rgate控制开关速度，稳压二极管起过压保护作用.当输入高电平时，N管快速导通，二极管Don提供导通电流回路，P管栅源电压由于电阻R1分压作用大于阀值电压，P管导通.当输入低电平时，N管关断，其输入电容的放电峰值电流被限制在最小回路 (两个晶体管的栅源连接和集射连接)中，防止关断电流流入驱动器，P管截止.该驱动方案实现了低压电路对高压电路的控制，可驱动高端MOSFET快速开通与关断，其中N管的驱动部分也适用于MOSFET低端驱动电路.

1.3 高压脉冲形成电路

图4MOSFET高端驱动电路Fig.4 High-side drive circuit of MOSFET

图5为高压脉冲形成原理图，V1和V2为MOSFET开关组，将P型管用在高端N型管用在低，这也是出于对驱动电压的考虑.P管开启电压可以为0 V，漏源之间电压相差不大，N管导通条件要求栅源电压大于其阈值电压，若用在高端将必然导致控制电压大于所需电压，出现不必要的麻烦.初始时V1和V2均截止，电容C1被充电至电源电压HV.触发信号经驱动电路控制V1和V2的导通与关断.当V2导通时H点电压拉至0 V，由于电容两端电压不能突变，负载端的脉冲形成一个快速下降边沿.经过所需脉冲宽度延时后，触发V1导通且V2截止，电容C1快速充电至HV，此时负载端脉冲形成一个快速上升的边沿.因此，在负载端产生了一个具有双快沿的高压脉冲，幅值为电源电压HV.

图5 高压脉冲形成原理图Fig.5 Schematic diagram of high voltage pulse-forming

高速摄影仪的拍摄对象大多是爆炸、放电等快速现象［13-14］，受抑全反射快门使用场地干扰大，快门脉冲发生器的控制系统可靠性极为重要.该高压脉冲形成电路的触发控制信号由可编辑逻辑器件FPGA提供，其抗干扰能力强，可产生多路延时触发信号，精度高达纳秒量级［15］.通过硬件描述语言 (VerilogHDL)很容易实现高压脉冲宽度连续可调的设计要求［16］.应用Altera公司低成本 CycloneIV系列的FPGA芯片提供触发脉冲，信号时序波形如图6，初始状态高低端触发为低电平信号，t1时刻低端触发信号使V2导通，V1保持截止，t2时刻V1导通且V2截止，输出脉冲宽度取决于t1和t2触发信号延时.

图6 延时控制触发信号波形Fig.6 Trigger signal waveform of time delay control

2 实验结果

快门脉冲发生器输出脉冲前后沿速度主要由开关器件的开通与关断时间决定.N型绝缘栅型场效应管APT1001的漏源击穿电压为1 kV、典型上升时间为32 ns、下降时间为48 ns;2SK2602的漏源击穿电压为600 V、上升时间为25 ns、下降时间为40 ns;P型绝缘栅型场效应管FQU3P50的漏源击穿电压为-500 V、上升时间为56 ns、下降时间为45 ns;IXTH10P60的漏源击穿电压为-600 V、上升时间为27 ns、下降时间为35 ns.对几种管子进行实验，对比分析输出波形，使用两个IXTH10P60串联用在高端，两个2SK2602串联用在低端时，输出高压脉冲前后沿效果最好，图7、图8和图9为使用Tektronix TDS3052B示波器测得的输出结果.图7为高压脉冲输出波形，图8和图9为使用示波器放大镜功能观察得到的高压脉冲输出前沿和后沿波形.该快门脉冲发生器在1.1 μF负载下，输出幅值为800 V、前后沿均1 μs以内、脉冲宽度81 μs的高压快脉冲.

图7 高压脉冲输出波形Fig.7 Output waveform of high voltage pulse

图8 高压脉冲输出波形前沿Fig.8 Front edge of high voltage pulse waveform

图9 高压脉冲波形的后沿Fig.9 Back edge of high voltage pulse waveform

结 语

本研究设计并实现了用于高速摄影仪的受抑全反射微秒级快门脉冲发生器.基于MOSFET脉冲电流大、漏源电压高及导通内阻小的特性，选取上升时间和下降时间快的MOSFET，将其串联作为高低端开关组，不但提高了输出脉冲幅度，而且可保证开关速度;采用电平移位法设计的MOSFET驱动电路可稳定控制开关组的导通与关断;高速高集成度的可编程逻辑器件FPGA控制延时触发，脉宽调节精度高、抗干扰能力强;输出脉冲前后沿分别形成，可同时获得快前沿与快后沿.该快门脉冲发生器的高压脉冲输出波形较理想，可快速驱动受抑全反射快门内部新型压电晶体PMNT控制光通量，达到微秒级的快门速度;双快沿的脉冲输出使快开快门和快关快门作用得以实现.由于该高压脉冲发生器输出脉冲前后沿速度快、幅值和宽度易调节，系统抗干扰能力强、可靠性高，具有广泛的应用价值.

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2012-10-31;

2013-02-26

A shutter pulse generator for high speed camera

Liu Chunping1，2†，Li Shuang1，2，3，and Li Jingzhen1，2

1)College of Electronic Science and Technology，Shenzhen University，Shenzhen 518060，P.R.China 2)Shenzhen Key Laboratory of Micro-Nano Photonic Information Technology，Shenzhen 518060，P.R.China
3)College of Optoelectronic Engineering，Shenzhen University，Shenzhen 518060，P.R.China

A shutter pulse generator was designed，which is based on the metal oxide semiconductor field effect transistor(MOSFET).By using the N-channel level shifter for driving switch groups，which consist of Series MOSFETs and controlled by programmable logic device FPGA(field programmable gate array)，a high-voltage pulse is achieved with high-speed front edge and back edge，after processing by pulse forming circuit.Experimental results showed that with a load of 1.1 μF the amplitude of pulse is 800 V and the width of pulse is 81 μs，both its front edge and back edge lasted less than 1 μs.The system is anti-jamming and reliable.

shutter pulse generator;metal oxide semiconductor field effect transistors;field programmable gate arrays;microsecond shutter;frustrated total internal reflection;high speed cameras

TN 924

A

10.3724/SP.J.1249.2013.02133

Foundation:National Natural Science Foundation of China(61027014)

†

Associate professor Liu Chunping.E-mail:liucp@szu.edu.cn

:Liu Chunping，Li Shuang，Li Jingzhen.A shutter pulse generator for high speed camera ［J］.Journal of Shenzhen University Science and Engineering，2013，30(2):133-137.(in Chinese)

国家自然科学基金资助项目 (61027014)

刘春平 (1968-)，男 (汉族)，重庆市人，深圳大学副教授、博士.E-mail:liucp@szu.edu.cn

引 文:刘春平，李 爽，李景镇.一种用于高速摄影仪的快门脉冲发生器［J］.深圳大学学报理工版，2013，30(2):133-137.

【中文责编:方 圆;英文责编:卫 栋】