功率穩(wěn)定可調(diào)LD驅動電路的設計

在精密光電檢測領域中，光源的微小波動會引起被測量的較大偏移，從而產(chǎn)生較大的測量誤差。如在半導體薄膜特性

檢測中，常常需要檢測薄膜反射比以求解出其它光電學參量。由于薄膜增長的緩慢(0.1mm級/秒)，反射比變化非常小，在這種情況下，對于光源穩(wěn)定性的要求非常高，達到0.1%。穩(wěn)定光源在光纖測量中像電子電路測試時用振蕩器作為信號源一樣，要求發(fā)出高穩(wěn)定、光功率可調(diào)的光信號。穩(wěn)定光源是急待開發(fā)的光纖系統(tǒng)測試儀器中的一種重要的基礎設備。

國內(nèi)一些學者對穩(wěn)定激光光源作了一些研究。有的設計方法使激光器注入電流穩(wěn)定，并配合使用溫控電路。這種方法雖然對穩(wěn)定性有一定提高，但對其它影響因素缺乏考慮，不是一種閉環(huán)的控制系統(tǒng)。有的對光功率的調(diào)節(jié)只使用模擬的積分調(diào)節(jié)，由于積分控制對穩(wěn)態(tài)誤差的消除作用是靠對誤差的積累產(chǎn)生的，故反映不靈敏，且會使系統(tǒng)穩(wěn)定裕量下降，超調(diào)增大，一般不單獨使用。這種方法的共同步是模擬調(diào)節(jié)。本文設計一種對輸出光功率進行閉環(huán)數(shù)字PID調(diào)節(jié)的激光二極管(LD)驅動電路。該電路使用高精度14位A/D、D/A轉換器，理論上對光功率的0.01%變化均可調(diào)節(jié)，且驅動電流最小節(jié)量0.01m A，同時可精確設置初始驅動電流(光功率)。

驅動電路設計

1 激光二極管封裝及參數(shù)

常見激光二極管封裝有兩種形式：共陽極與共陰極型(圖1(a)所示)。LD和監(jiān)測激光器背向輸出光功率的PIN光電二極管封裝在一起。這里，LD采用SANYO655nm紅光激光二極管，封裝形式為共陽極(LD的正極與PD(光電二極管)的負極連接在一起)。LD最大輸出光功率為30mW，閾值電流為40mA(25℃),工作電流量大為110mA。PD的監(jiān)測電流Im與激光器的輸出功率P0在溫度不變的情況下成線性關系(圖1(b)所示)，這為后面控制電路的設計提供了依據(jù)。

2 電路原理

光電二極管的監(jiān)測電流經(jīng)差分放大后變成一個電壓量，經(jīng)高精度A/D轉換器采樣量化后送入單片機，與單片機內(nèi)監(jiān)測電壓參考值(在設定功率條件下，監(jiān)測電流經(jīng)差分放大后變成的電壓量的數(shù)字表示)之間作差，產(chǎn)生電壓偏差信號;再對偏差信號進行PID運算，運算結果經(jīng)D/A轉換及電壓-電流(V-I)變換后，成為LD的驅動電路。PID調(diào)節(jié)是為了使激光二極管輸出功率穩(wěn)定。這種單片機閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

3 電路模塊選型及計算

3.1 差分放大模塊

由圖1(b)可見，監(jiān)測電流很小，尤其當激光器輸出功率10mW時。如果把監(jiān)測電流通過一電阻接入放大器，則由于放大器的輸入阻抗太小以及電阻的溫漂問題，使放大器的輸入電壓受溫度影響非常大，從而導致A/D轉換器的輸入不準確。因此在設計中應該消除或減小環(huán)境溫度對A/D轉換器輸入的影響。設計中使監(jiān)測電流與參考電流通過一個由四個阻值及溫度系數(shù)相等的高精度電阻組成的電橋電路，這樣溫度的影響會在相減中減小。放大器采用TI公司的高輸入阻抗精密差分放大器INA114，其原理圖如圖3所示。

其中，參考電流Iref可由另一INA114和OPA602得到。放大器的輸出電壓可由下式計算：

V0=(Iref-Im) ×R×(1+50k/Rg) (1)

3.2 模/數(shù)及數(shù)/模轉換器

A/D轉換器選用美信公司的MAX1062，D/A轉換器選用模擬器件公司的AD5551，它們都是14位的串行轉換器，適合于對速度要求不是很高的場合。轉換器的片選信號、時鐘線及數(shù)據(jù)線直接同單片機的用戶口P1相連。轉換器的位數(shù)決定了檢測控制電路的分辨率。14位轉換器可把4.096V量程的電壓量化成2 14份，所以調(diào)整差分放大器的增益使其輸出電壓最大值達到A/D轉換器的滿量程電壓，則理論上對于光功率變化1/12 14均可檢測到，即該驅動電路可以檢測到0.01%的激光器光功率變化，進而可在單片機中進行調(diào)節(jié)。同樣設D/A轉換器的輸出電壓經(jīng)V-I變化后的滿量程電流為150mA，則驅動電流的最小可調(diào)節(jié)量為150/2 14=0.01mA。

3.3 電壓/電流轉換

由于上述D/A轉換器的輸出無緩沖，故采用運放與場效應管組成的共源放大電路。其中運放對輸出有緩沖作用。

圖4電路中V1為D/A的輸出電壓，場效應管的漏極-源極的電流(即LD的驅動電流)為：

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