無(wú)線(xiàn)激光通信系統驅動(dòng)與前置放大電路設計

　　通信激光發(fā)射模塊工作原理：將編碼后電信號作為調制信號，經(jīng)過(guò)半導體激光驅動(dòng)器，改變半導體激光器的輸入電流，從而使半導體激光器輸出激光的功率隨調制信號而改變，即產(chǎn)生調制的光信號。調制光信號經(jīng)光纖準直器耦合進(jìn)入光學(xué)發(fā)射天線(xiàn)，光學(xué)發(fā)射天線(xiàn)壓縮光束發(fā)散角，使其達到系統要求的指標，然后將光束發(fā)射出去。

　　信標激光發(fā)射模塊為激光通信鏈路的建立提供用來(lái)對準的信標光，為了方便激光發(fā)射和接收部分的對準，要求信標光的光束具有較大的柬散角和較高的輸出功率。 驅動(dòng)部分是由基準電壓源產(chǎn)生基準電壓，然后將激光器（LD）輸出電流轉換為電壓進(jìn)行取樣，經(jīng)過(guò)反饋環(huán)路與基準電壓進(jìn)行比較，利用反饋量來(lái)控制驅動(dòng)電流大小，使供給激光器電流恒定，從而實(shí)現恒流控制；將檢測二極管（PD）電流大小反饋給驅動(dòng)，實(shí)現功率自動(dòng)控制；溫度控制部分是由內部熱敏電阻通過(guò)電橋電路放大供給后續的TEC電路，利用TEC處理芯片實(shí)現溫度監測和控制。此外由脈沖信號源生成一定周期的時(shí)鐘頻率信號，作為發(fā)射模塊控制頻率，從而達到實(shí)現脈沖輸出。

　　激光器驅動(dòng)電路設計，激光器驅動(dòng)電路如圖2所示，電路設計中，主要采用運算放大器和自動(dòng)增益控制電路。在該圖中電路主要分成兩個(gè)部分，圖中的上半部分電路主要為脈沖驅動(dòng)，下半部分電路主要為自動(dòng)增益控制電壓電路。

　　在上半部分電路中，P1為SMA接頭，采用50 Ω阻抗匹配將脈沖控制信號接入作為調制激光器驅動(dòng)的調制信號，通過(guò)后續比較器和驅動(dòng)電路實(shí)現開(kāi)關(guān)控制。VD7為穩壓二極管提供穩定電壓，通過(guò)調整滑動(dòng)變阻器來(lái)實(shí)現比較器負輸入端參考電壓的設定。U8為MAX953集成芯片，內部集成了比較器和放大器。在該部分設計中，通過(guò)比較器實(shí)現脈沖控制電壓和參考電壓的比較，將比較信號送入后續由MAX953芯片內的放大器構成的電壓跟隨器正向輸入端。在電壓跟隨器的正向輸入端外接參考電壓的上拉電阻相接，比較器輸出開(kāi)關(guān)信號來(lái)控制電壓跟隨器正向輸入端的電壓大小實(shí)現開(kāi)關(guān)功能，以便完成后續供給場(chǎng)效應管VQ10的開(kāi)啟和導通，從而實(shí)現脈沖開(kāi)光信號的整體控制。通過(guò)反饋電壓控制電壓跟隨器的上拉電壓達到電流恒定驅動(dòng)的目的。

　　在下半部分電路中，將恒電流反饋或恒功率反饋控制信號通過(guò)運放放大，其中運放仍采用U10中的內部放大器，將該運放作為電壓跟隨器，輸出信號進(jìn)入運放 U11A的正向輸入端實(shí)現放大。U11B為運放減法電路，將上級放大輸出信號與參考電壓進(jìn)行比較輸出，VD10為穩壓二極管提供穩定電壓，調整滑動(dòng)變阻器 R77和R70構成的分壓電路來(lái)實(shí)現比較器負輸入端參考電壓的設定。在該部分電路設計中，自動(dòng)增益控制電路中的放大器選取帶寬較窄、轉換速度不能過(guò)快的放大器為宜。由于調制頻率為kHz數量級，因此帶寬過(guò)大會(huì )有很大的噪聲干擾，為了使自動(dòng)增益控制電壓維持恒定，必須使該電壓變換緩慢，所以選取轉變速度較為緩慢的運算放大器。R61為恒電流模式中的采樣電阻，即它將LD的電流轉換為電壓信號，通過(guò)反饋回路作為恒流控制信號，將該小信號放大供給后續反饋回路。 由于LD的輸出功率與驅動(dòng)電流有關(guān)，所以驅動(dòng)電流的穩定性是決定LD的輸出光功率穩定與否的一個(gè)關(guān)鍵因素。

　　熱敏電阻前置放大電路設計

　　設計熱敏電阻前置放大電路如圖3所示。U14為將+5 V轉變?yōu)?2．5 V的高精準參考電壓源，該參考源有極低的噪聲、低的溫度系數，減少了該放大電路輸出端由于電源引起的噪聲干擾。R2、R3、R4和激光器內部負溫度系數熱敏電阻組成橋式放大電路的4個(gè)橋壁，當熱敏電阻隨溫度變化阻值發(fā)生變化時(shí)，橋壁輸出一個(gè)跟隨溫度變化的電壓差，放大器輸出的電壓反映的正是放大了的熱敏電阻阻值隨溫度變化情況。

　　熱電制冷（TEC）控制電路設計 溫度控制采用專(zhuān)用的TEC集成控制電路芯片，減少了傳統所采用的積分微分電路，使得設計簡(jiǎn)單，電路調試方便，可以直接硬件實(shí)現。其關(guān)鍵控制電路設計如圖4所示。

　　芯片引腳IN+為熱敏電阻經(jīng)過(guò)前置放大后的輸出電壓信號，R9和R12為分壓電阻，為引腳IN-提供一個(gè)穩定的電壓。引腳IN+端輸入電壓與引腳IN-端電壓進(jìn)行比較，當IN+端電壓引腳大于IN-端引腳時(shí)，由該芯片資料知輸出為制冷模式，反之為制熱模式。該電路通過(guò)負溫度系數熱敏電阻輸入端電壓大小來(lái)控制整個(gè)反饋環(huán)路，當溫度升高時(shí)熱敏電阻阻值減小，由圖3知，熱敏電阻端電壓降低，使得OPA1177輸出比較電壓升高，從而使輸入到DRV953的IN+ 端電壓升高，當該電壓大于IN-端相電壓時(shí)，使得該芯片輸出電壓翻轉控制激光器半導體制冷器由制熱模式轉變?yōu)橹评淠Ｊ?，通過(guò)這樣一個(gè)負反饋網(wǎng)絡(luò )實(shí)現溫度自動(dòng)控制。同理，當溫度降低時(shí)同樣遵循該負反饋原理。