半導體激光器驅動(dòng)器輸出電路的設計

0 引言

隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，半導體激光器技術(shù)已深入到國民經(jīng)濟和國防建設的各個(gè)領(lǐng)域。半導體激光器具有其它激光器無(wú)法比擬的特性，比如：常見(jiàn)的激光器如He-Ne激光器，采用高壓激發(fā)（約1500V），而半導體激光器采用3～5V的低電壓激發(fā)，相比之下，半導體激光器的激勵方式較為安全，并且效率比普通激光器高數十倍；在一些測量?jì)x器中，選用半導體激光器照明，能滿(mǎn)足單色性好，相干性好，光束準直，精度高等要求，在遠距離通訊、激光雷達、數字信號的存儲和恢復、激光測距、機器人、全息應用、醫學(xué)診斷等方面都有廣泛的應用。但半導體激光器對工作條件要求苛刻，在不適當的工作或存放條件下，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動(dòng)電源就顯得尤為重要。因而在實(shí)際應用中對激光器驅動(dòng)器的性能有著(zhù)很高的要求。本文針對激光器的特殊性能提出半導體激光器驅動(dòng)電源的輸出電路的設計方案。

1 半導體激光器驅動(dòng)器的理論分析

半導體激光器的應用廣泛，因而其相應的驅動(dòng)技術(shù)也顯得越來(lái)越重要。半導體激光器的驅動(dòng)技術(shù)通常采用恒電流驅動(dòng)方式，在此工作方式中，通過(guò)電學(xué)反饋控制回路，直接提供驅動(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）輸出的穩定性。整體的設計思想是運用負反饋原理穩定輸出電流，由此獲得最低的電流偏差和最高的電流輸出穩定性。驅動(dòng)器的框圖如圖1所示:

圖1 驅動(dòng)器的原理框圖

該驅動(dòng)器由電壓基準電路，末級電路（電流驅動(dòng)），顯示電路，調制輸入電路,保護電路等部分組成。驅動(dòng)器工作在恒流的工作方式時(shí)，首先由電壓基準產(chǎn)生一個(gè)精度及穩定度`比較高的基準電壓，然后由電位器對基準電壓進(jìn)行取樣，并將取樣值送入電壓-電流轉換器，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-電流轉換器與基準電壓共同控制運放，從而形成一個(gè)深度負反饋的閉環(huán)系統，使得輸出電流保持在設定值上恒定不變[2]。

本文闡述的驅動(dòng)器采用恒電流驅動(dòng)，該驅動(dòng)方式是一種常見(jiàn)的半導體激光器工作方式，當半導體激光器工作在恒電流狀態(tài)時(shí)，對驅動(dòng)器最主要的要求是輸出電流的穩定性，這也是驅動(dòng)器設計需要解決的主要問(wèn)題。

2負反饋穩定輸出電流的原理

所謂反饋是把電子線(xiàn)路的輸出量的全部或一部分，從輸出端通過(guò)一定的路徑（反饋網(wǎng)絡(luò )）回送到輸入端的過(guò)程。如果引入的反饋信號與輸入信號極性相反，削弱了輸入信號的作用，使放大電路的放大倍數降低，則稱(chēng)為負反饋。在各種放大電路中，利用負反饋的方法來(lái)改善各項性能，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)調節的作用。負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 )，對輸出信號V0取樣，放大電路輸入端有相加網(wǎng)絡(luò )，用于輸入信號 與反饋信號 的比較，將比較結果作為基本放大電路的輸入信號。

圖2 負反饋網(wǎng)絡(luò )框圖

是無(wú)反饋時(shí)反饋放大電路的放大倍數；F是反饋系數；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，因此設A_{f是加入反饋網(wǎng)絡(luò )后的放大倍數；}

由上式可見(jiàn)，引入負反饋后，放大倍數改變了，放大倍數A_{f^{的大小與(|1+AF|)有關(guān)。若(|1+AF|)，即引入反饋后，放大倍數減小了，這種反饋一般稱(chēng)為負反饋。引入負反饋后，當輸入信號一定時(shí)，負反饋能使輸出保持恒定，就是能維持放大倍數恒定。從數學(xué)表達式來(lái)看，當反饋很深，(|1+AF|)可簡(jiǎn)化為 這就是說(shuō)，引入負反饋后，放大器的放大倍數只決定于反饋網(wǎng)絡(luò )，而與放大器幾乎無(wú)關(guān)。由于反饋網(wǎng)絡(luò )一般都由參數比較穩定的無(wú)源元件構成，其傳輸系數 十分穩定。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}}

_{^{由于半導體激光器驅動(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 作為驅動(dòng)器的輸出電流。由上述分析可知：如果把將負反饋原理應用到驅動(dòng)器的設計中，可以獲得合適的輸出電流，該驅動(dòng)器的末級電路（電流驅動(dòng)）設計如圖3所示。}}

圖3電流控制原理圖

基準電壓V_r送入運放A₁的同相端，該運放控制放大器的導通程度，并由此獲得相應的輸出電流，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（即由基準電壓產(chǎn)生并經(jīng)過(guò)前級放大后的電壓）比較，對輸出電壓進(jìn)行調整，進(jìn)而對放大器的輸出電流進(jìn)行調整，使整個(gè)閉環(huán)反饋系統處于動(dòng)態(tài)的平衡中，以達到穩定輸出電流的目的。

我們也可以通過(guò)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 仿真結果分析}}

_{^{本文借助于Protel99SE軟件進(jìn)行仿真分析，來(lái)驗證電路設計的準確性。該軟件是以PSPICE為核心，對電子電路不僅能進(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)行參數掃描、靈敏度、蒙特卡諾統計、最壞情況和優(yōu)化分析，并可以將各種仿真分析的結果以波形或圖表的方式直觀(guān)地顯示出來(lái)，因此它在電子電路的設計中得到了廣泛的應用[1]}}

_{^{4.1瞬態(tài)特性分析}}

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

根據電路原理選定根據所設置的參數若輸入基準電壓 為5V，經(jīng)過(guò)計算可知輸出電流 約為250 。結果如圖5所示，經(jīng)過(guò)仿真分析驗證了無(wú)論時(shí)間如何變化，當輸入的基準電壓為5V，輸出電流始終保持250 。

4.2 直流掃描分析

因為恒電流驅動(dòng)電路的輸出電流和基準電壓的關(guān)系為：

由公式可見(jiàn)，當電阻參數不變時(shí)，的增加而增加I₀與V_{r呈線(xiàn)性變化?？梢岳弥绷鲯呙璺治鰜?lái)檢驗這種輸出與輸入的關(guān)系。因此選擇Vr作為掃描對象，觀(guān)察輸出電流隨基準電壓的變化規律。仿真結果如圖6所示：}

圖6以 為變量的直流掃描分析結果

圖6中的曲線(xiàn)反映了基準電壓和輸出電流的關(guān)系。從曲線(xiàn)上可以看出，V_r在0-5V范圍內I₀隨著(zhù)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不變的情況下通過(guò)改變基準電壓來(lái)改變輸出電流。例如：輸出電流為200mA ，則輸入電壓等于4V時(shí)。所以根據仿真實(shí)驗結果可知，可以由輸出電流來(lái)確定基準電壓的大小。

5結論

本文作者創(chuàng )新點(diǎn)在于1：提出了半導體激光器驅動(dòng)器輸出電路的設計方案。該電路采用負反饋原理使電路易于調試；2：結合仿真軟件對輸出電路進(jìn)行了仿真分析，實(shí)驗結果表明電路設計準確，能夠輸出穩定的250mA電流；3：提出了測試輸出電路的實(shí)驗方法，從而為硬件實(shí)驗打下了良好的基礎。該電路的設計可以保證半導體激光器驅動(dòng)電源可以輸出穩定的電流，從而使激光器穩定工作。