SLED激光器驅動(dòng)設計

摘要：激光驅動(dòng)電流的穩定性是影響激光驅動(dòng)器性能的重要參數，但激光驅動(dòng)器的高電流值難以維持穩定。此外，驅動(dòng)電流的范圍應盡可能地寬以適用于不同種類(lèi)的激光器。針對以上問(wèn)題，文章以超輻射發(fā)光二極管(SLED)激光驅動(dòng)器為應用實(shí)例，并采用閉環(huán)控制技術(shù)以保持驅動(dòng)電流穩定，該系統能夠產(chǎn)生4mA至200mA隨外部電阻值變化的穩定的電流。

關(guān)鍵詞：激光驅動(dòng)器;穩定電流;功率控制

1 前言

超輻射發(fā)光二極管(SLED)產(chǎn)生的寬波段光具有高的光功率，波長(cháng)范圍1.53nm至1.56nm，光功率可超過(guò)5mW。光纖傳感器是由2Km長(cháng)的保偏 (PM)光纖緊貼組合而成的線(xiàn)圈，PM線(xiàn)圈檢測到機械系統的振動(dòng)并將其轉換到集成光學(xué)芯片，由芯片處理的信號被耦合到信號檢測器，并轉換為電子信號。光學(xué)功率噪聲檢測器被用來(lái)檢測該光功率的噪聲信號，并用數字信號處理器(DSP)來(lái)過(guò)濾噪聲。用這種高光功率源，該系統的信號噪聲比(SNR)被由光源產(chǎn)生的噪聲，而不是分散的噪聲所限制。光功率源是光纖陀螺儀的關(guān)鍵部件，它必須提供穩定，充足的光功率。在實(shí)踐中，它通常是一個(gè)通過(guò)一定的電流驅動(dòng)的SLED。

SLED具有電流輸入光功率輸出的傳遞函數，如圖1所示。當SLED的驅動(dòng)電流超過(guò)ITH，SLED的光功率將正比于驅動(dòng)電流。因此，該SLED的光功率可以很好地通過(guò)控制SLED的驅動(dòng)電流進(jìn)行控制。

2 電路設計

該激光驅動(dòng)器電路可提供輸出從4mA到200mA范圍的一個(gè)穩定的驅動(dòng)電流。

2.1 功率控制器構建

該功率控制器的構建塊如圖2所示，其設計是基于光電反饋理論。當系統穩定后，電源控制器提供給SLED穩定的電流，從而使SLED的光功率恒定。當系統穩定時(shí)，輸出電流由外部電阻決定;當外部環(huán)境變化時(shí)，光纖系統的光功率改變，從而導致由監控二極管產(chǎn)生的變化的電流。然后，光電流被反饋到功率控制器，并經(jīng)由外部電阻轉換成相應的電壓值，用它與基準電壓進(jìn)行比較。比較的結果經(jīng)放大器傳送到驅動(dòng)電流的控制系統，調節電流源的驅動(dòng)電流，使得電流源陣列變化的輸出電流相應地變化。通過(guò)這種方式，SLED的驅動(dòng)電流可保持不變，這意味著(zhù)當環(huán)境發(fā)生變化時(shí)光纖系統的光功率保持恒定。

如圖2，當系統穩定時(shí)，驅動(dòng)電流IOUT的電流值由外部電阻REXT確定。假定I2/I1，I3/I2，IOUT/I3是B1，B2和B3，那么IOUT 的值可通過(guò)改變N2，N3，P1，P2，Q1/Q3和Q2/Q4的值很容易地實(shí)現。IM對B4的比值是由所使用的監控二極管的規格確定。REXT和 IOUT之間的關(guān)系如(1)至(5)五個(gè)方程，其中有6個(gè)變量(包括REXT)，這意味著(zhù)REXT與IOUT一一對應，式(6)為傳輸函數。在公式中，監控電流的變化由式(7)決定：

其中AOC為A1的共模增益，AOD為A1的差模增益，并且gmN1是N1的跨導。在設計中，A1和A2是單級級聯(lián)放大器，這樣系統的極點(diǎn)是由放大器的輸出和電流鏡產(chǎn)生的。由電流鏡產(chǎn)生的磁極為fT(2+B)，這是非常高的頻率值，其中B是電流鏡的增益。要獲得一個(gè)足夠的相位裕度，A1的輸出是由一個(gè)高電容和高電阻連接到地，所以A1的輸出是主極點(diǎn)。

2.2 輸出級

激光器輸出級如圖3所示，它提供電流來(lái)驅動(dòng)激光器，并直接影響SLED的輸出。

輸出晶體管被設置為10*10的雙極級聯(lián)陣列。為提供足夠的電流，輸出晶體管的基極電流需要足夠大，基極電流由Q2和M9提供。在這個(gè)設計中，輸出電流為 200毫安，假設雙極性的β電流增益是100，因此，基極電流至少為200mA/β。M8/M7和Q2/Q1等于4，這意味著(zhù)I3等于 16I1，M3/M1，M4/M2，M5/M1和M6/M2等于2。所以Q3的基極電流的電流是14，這限制了最大輸出電流，并且Q3應大于2 mA。的最小值為2mA/14，它是142μA。所以，基極電流大于142μA經(jīng)常被用來(lái)確保輸出晶體管保持在正向有源區的，這里基極電流是155μA。

所述Vbias1，Vbias2，和Vbias3和由偏置電路產(chǎn)生，如圖4所示。通過(guò)經(jīng)典低電壓級聯(lián)結構產(chǎn)生Vbias2和Vbias3，Vbias1由放大器產(chǎn)的。電壓被反饋到放大器的負端口，以產(chǎn)生穩定的偏置電壓，保持系統的穩定性，一個(gè)電容被用于增加點(diǎn)A的阻抗，使得它成為主極點(diǎn)。運算放大器被設計成一個(gè)單級級聯(lián)放大器，這確保了系統更好的穩定性。

2.3 校準參考電流

在該設計中，輸出是一個(gè)電流，并且許多偏置電壓通過(guò)基準電流產(chǎn)生。這樣，參考電流的精度對于激光驅動(dòng)器的驅動(dòng)能力，穩定性和精度非常重要。

參考電壓是由一個(gè)簡(jiǎn)單的一階補償電路產(chǎn)生，基于參考電壓，所述參考電流產(chǎn)生并在圖5校準。它是由一個(gè)誤差放大器，一個(gè)參考電壓源，一個(gè)比較器，一個(gè)逐次逼近寄存器(SAR)的邏輯電路，和一個(gè)6位數字-模擬轉換器(DAC)組成。

參考電流是通過(guò)由基準電壓電路，埃羅放大器和反饋網(wǎng)絡(luò )構成的反饋電路產(chǎn)生的。電壓被反饋到誤差放大器的正極端口與基準電壓進(jìn)行比較，誤差放大器放大該差壓到M1的柵極電壓，以這種方式，產(chǎn)生一定的電流。為獲得更高精度的電流，消除誤差的校準是必需的。

校準是通過(guò)一個(gè)特區邏輯電路和一個(gè)6位的DAC。當校準開(kāi)始時(shí)，6位的DAC輸入數據被定義為011111，或半滿(mǎn)刻度。特區邏輯將修改DAC的輸入數據，并改變其輸出電流，直到該參考電流值可以等于IREF，如果參考電流等于IREF，校準停止。

3 仿真結果

該激光驅動(dòng)器輸出能力的仿真結果示于圖6，這是不同條件下的仿真結果圖：(a)常溫(25℃)下激光驅動(dòng)器隨外部電阻值變化的輸出仿真結果;(b)低溫 (-40℃)中激光驅動(dòng)器隨外部電阻值變化的輸出仿真結果;(c)高溫(125℃)中激光驅動(dòng)器隨外部電阻值變化的輸出仿真結果;(d)電壓4.5V，溫度-40℃時(shí)激光驅動(dòng)器隨外部電阻值變化的輸出仿真結果。通過(guò)對在不同條件下仿真結果圖的對比可得，該系統能夠產(chǎn)生隨外部電阻值變化的穩定電流。圖中y是外部電阻的值，單位是kΩ，Y0是輸出電流，單位mA。

4 結論

所述系統設計出一個(gè)以閉環(huán)控制技術(shù)來(lái)維持激光驅動(dòng)器驅動(dòng)電流穩定的SLED激光驅動(dòng)器，并基于光電反饋理論設計了功率控制器，可實(shí)現激光器自動(dòng)功率控制。該系統的電路詳細，在初始設置后能夠產(chǎn)生穩定的范圍從4mA到200mA的電流。設計和仿真結果表明，在不同的外部條件下該系統能夠產(chǎn)生隨外部電阻值變化的穩定電流。實(shí)驗表明該設計可以很好地工作，在穩定驅動(dòng)激光器的前提下，還可以使激光器安全長(cháng)時(shí)間運行。