半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)器輸出電路的設(shè)計(jì)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，半導(dǎo)體激光器技術(shù)已深入到國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域。半導(dǎo)體激光器具有其它激光器無法比擬的特性，比如：常見的激光器如He-Ne激光器，采用高壓激發(fā)（約1500V），而半導(dǎo)體激光器采用3～5V的低電壓激發(fā)，相比之下，半導(dǎo)體激光器的激勵(lì)方式較為安全，并且效率比普通激光器高數(shù)十倍；在一些測(cè)量儀器中，選用半導(dǎo)體激光器照明，能滿足單色性好，相干性好，光束準(zhǔn)直，精度高等要求，在遠(yuǎn)距離通訊、激光雷達(dá)、數(shù)字信號(hào)的存儲(chǔ)和恢復(fù)、激光測(cè)距、機(jī)器人、全息應(yīng)用、醫(yī)學(xué)診斷等方面都有廣泛的應(yīng)用。但半導(dǎo)體激光器對(duì)工作條件要求苛刻，在不適當(dāng)?shù)墓ぷ骰虼娣艞l件下，會(huì)造成性能的急劇惡化乃至失效。所以，使激光器正常工作的激光器驅(qū)動(dòng)電源就顯得尤為重要。因而在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)激光器驅(qū)動(dòng)器的性能有著很高的要求。本文針對(duì)激光器的特殊性能提出半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源的輸出電路的設(shè)計(jì)方案。

1 半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)器的理論分析

半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用廣泛，因而其相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)也顯得越來越重要。半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)技術(shù)通常采用恒電流驅(qū)動(dòng)方式，在此工作方式中，通過電學(xué)反饋控制回路，直接提供驅(qū)動(dòng)電流電平的有效控制，由此獲得最低的電流偏差和最高LD（Laser Diode）輸出的穩(wěn)定性。整體的設(shè)計(jì)思想是運(yùn)用負(fù)反饋原理穩(wěn)定輸出電流，由此獲得最低的電流偏差和最高的電流輸出穩(wěn)定性。驅(qū)動(dòng)器的框圖如圖1所示:

圖1 驅(qū)動(dòng)器的原理框圖

該驅(qū)動(dòng)器由電壓基準(zhǔn)電路，末級(jí)電路（電流驅(qū)動(dòng)），顯示電路，調(diào)制輸入電路,保護(hù)電路等部分組成。驅(qū)動(dòng)器工作在恒流的工作方式時(shí)，首先由電壓基準(zhǔn)產(chǎn)生一個(gè)精度及穩(wěn)定度`比較高的基準(zhǔn)電壓，然后由電位器對(duì)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行取樣，并將取樣值送入電壓-電流轉(zhuǎn)換器，由此獲得受取樣電壓控制的輸出電流。由于該輸出電流不穩(wěn)定，因此我們需要從電流放大器的輸出電流中進(jìn)行電壓取樣，并將其送回電壓-電流轉(zhuǎn)換器與基準(zhǔn)電壓共同控制運(yùn)放，從而形成一個(gè)深度負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)，使得輸出電流保持在設(shè)定值上恒定不變[2]。

本文闡述的驅(qū)動(dòng)器采用恒電流驅(qū)動(dòng)，該驅(qū)動(dòng)方式是一種常見的半導(dǎo)體激光器工作方式，當(dāng)半導(dǎo)體激光器工作在恒電流狀態(tài)時(shí)，對(duì)驅(qū)動(dòng)器最主要的要求是輸出電流的穩(wěn)定性，這也是驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)需要解決的主要問題。

2負(fù)反饋穩(wěn)定輸出電流的原理

所謂反饋是把電子線路的輸出量的全部或一部分，從輸出端通過一定的路徑（反饋網(wǎng)絡(luò)）回送到輸入端的過程。如果引入的反饋信號(hào)與輸入信號(hào)極性相反，削弱了輸入信號(hào)的作用，使放大電路的放大倍數(shù)降低，則稱為負(fù)反饋。在各種放大電路中，利用負(fù)反饋的方法來改善各項(xiàng)性能，使電路輸出量（電壓或電流）的變化反饋到輸入端，從而控制輸出端的變化，起到自動(dòng)調(diào)節(jié)的作用。負(fù)反饋放大電路主要由基本放大電路及反饋網(wǎng)絡(luò)組成，如圖2所示： 在放大電路的輸出端有取樣網(wǎng)絡(luò)，對(duì)輸出信號(hào)V0取樣，放大電路輸入端有相加網(wǎng)絡(luò)，用于輸入信號(hào) 與反饋信號(hào) 的比較，將比較結(jié)果作為基本放大電路的輸入信號(hào)。

圖2 負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)框圖

是無反饋時(shí)反饋放大電路的放大倍數(shù)；F是反饋系數(shù)；和 V₀分別是反饋網(wǎng)絡(luò)的輸出和輸入。由于F=V_f／Ｖ₀是反饋系數(shù)，因此設(shè)A_{f是加入反饋網(wǎng)絡(luò)后的放大倍數(shù)；}

由上式可見，引入負(fù)反饋后，放大倍數(shù)改變了，放大倍數(shù)A_{f^{的大小與(|1+AF|)有關(guān)。若(|1+AF|)，即引入反饋后，放大倍數(shù)減小了，這種反饋一般稱為負(fù)反饋。引入負(fù)反饋后，當(dāng)輸入信號(hào)一定時(shí)，負(fù)反饋能使輸出保持恒定，就是能維持放大倍數(shù)恒定。從數(shù)學(xué)表達(dá)式來看，當(dāng)反饋很深，(|1+AF|)可簡化為 這就是說，引入負(fù)反饋后，放大器的放大倍數(shù)只決定于反饋網(wǎng)絡(luò)，而與放大器幾乎無關(guān)。由于反饋網(wǎng)絡(luò)一般都由參數(shù)比較穩(wěn)定的無源元件構(gòu)成，其傳輸系數(shù) 十分穩(wěn)定。只要反饋放大器的環(huán)路傳輸 足夠大，放大器的閉環(huán)增益可基本不受影響[3][4]。}}

_{^{3電流控制原理}}

_{^{由于半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)器輸出電流在幾十毫安至幾安之間，因此本文選定輸出電流為 作為驅(qū)動(dòng)器的輸出電流。由上述分析可知：如果把將負(fù)反饋原理應(yīng)用到驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)中，可以獲得合適的輸出電流，該驅(qū)動(dòng)器的末級(jí)電路（電流驅(qū)動(dòng)）設(shè)計(jì)如圖3所示。}}

圖3電流控制原理圖

基準(zhǔn)電壓V_r送入運(yùn)放A₁的同相端，該運(yùn)放控制放大器的導(dǎo)通程度，并由此獲得相應(yīng)的輸出電流，輸出電流在取樣電阻上產(chǎn)生取樣電壓，該取樣電壓經(jīng)放大后作為反饋電壓反饋回電壓放大器A1的反相輸入端,并與同相輸入端的電壓（即由基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生并經(jīng)過前級(jí)放大后的電壓）比較，對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而對(duì)放大器的輸出電流進(jìn)行調(diào)整，使整個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)的平衡中，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電流的目的。

我們也可以通過公式推倒，可以找出輸出電流I_{0^{和控制電壓V}t^{的關(guān)系。}}

_{^{4 仿真結(jié)果分析}}

_{^{本文借助于Protel99SE軟件進(jìn)行仿真分析，來驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。該軟件是以PSPICE為核心，對(duì)電子電路不僅能進(jìn)行直流、交流和瞬態(tài)等基本的電路特性分析，還可以進(jìn)行參數(shù)掃描、靈敏度、蒙特卡諾統(tǒng)計(jì)、最壞情況和優(yōu)化分析，并可以將各種仿真分析的結(jié)果以波形或圖表的方式直觀地顯示出來，因此它在電子電路的設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用[1]}}

_{^{4.1瞬態(tài)特性分析}}

_{^{為了檢測(cè)輸出電流在一定時(shí)間范圍內(nèi)是否恒定為250 ，因此有必要對(duì)電路進(jìn)行瞬態(tài)特性分析。給輸入端的基準(zhǔn)電壓提供一個(gè)階躍信號(hào)。該信號(hào)如圖4所示：階躍信號(hào)高電平電壓為5V,脈沖寬度為30s，時(shí)間變化范圍為0-50s。觀測(cè)R上的電流是否是穩(wěn)定輸出電流。從電路原理分析可知,}}

根據(jù)電路原理選定根據(jù)所設(shè)置的參數(shù)若輸入基準(zhǔn)電壓 為5V，經(jīng)過計(jì)算可知輸出電流 約為250 。結(jié)果如圖5所示，經(jīng)過仿真分析驗(yàn)證了無論時(shí)間如何變化，當(dāng)輸入的基準(zhǔn)電壓為5V，輸出電流始終保持250 。

4.2 直流掃描分析

因?yàn)楹汶娏黩?qū)動(dòng)電路的輸出電流和基準(zhǔn)電壓的關(guān)系為：

由公式可見，當(dāng)電阻參數(shù)不變時(shí)，的增加而增加I₀與V_{r呈線性變化?？梢岳弥绷鲯呙璺治鰜頇z驗(yàn)這種輸出與輸入的關(guān)系。因此選擇Vr作為掃描對(duì)象，觀察輸出電流隨基準(zhǔn)電壓的變化規(guī)律。仿真結(jié)果如圖6所示：}

圖6以 為變量的直流掃描分析結(jié)果

圖6中的曲線反映了基準(zhǔn)電壓和輸出電流的關(guān)系。從曲線上可以看出，V_r在0-5V范圍內(nèi)I₀隨著V_r的增加而增加。如果要改變輸出電流的大小可以在其他參數(shù)不變的情況下通過改變基準(zhǔn)電壓來改變輸出電流。例如：輸出電流為200mA ，則輸入電壓等于4V時(shí)。所以根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，可以由輸出電流來確定基準(zhǔn)電壓的大小。

5結(jié)論

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)在于1：提出了半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)器輸出電路的設(shè)計(jì)方案。該電路采用負(fù)反饋原理使電路易于調(diào)試；2：結(jié)合仿真軟件對(duì)輸出電路進(jìn)行了仿真分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明電路設(shè)計(jì)準(zhǔn)確，能夠輸出穩(wěn)定的250mA電流；3：提出了測(cè)試輸出電路的實(shí)驗(yàn)方法，從而為硬件實(shí)驗(yàn)打下了良好的基礎(chǔ)。該電路的設(shè)計(jì)可以保證半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源可以輸出穩(wěn)定的電流，從而使激光器穩(wěn)定工作。