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半導體激光器具有光學特性優秀、單色性好、體積小和壽命長等一系列的優點，隨著科技的發展，已被廣泛應用在國防、通信、醫療和測量等領域中。半導體激光器需要專用的驅動電路，一般均采用恒流源電路。市場上專業的激光器驅動設備性能好，功能強大，然而價格昂貴，體積較大，對產品開發來說，一款小巧、功能簡單、性能穩定、價格低廉的激光器驅動電路很具有實用價值。 在傳感和檢測等應用領域，往往需要激光器工作在恒定功率狀態，而半導體激光器是非線性器件，受溫度等影響較大，電路中電阻等元器件的老化也會改變半導體激光器的特性，因此需要補償各種因素產生的影響。而在發射閾值電流以上時，半導體激光器的發光功率與驅動電流成線性關系，這使得通過控制驅動電流來調整發光功率成為可能。 電路工作原理分析 圖1所示為激光器自動功率控制系統原理框圖，整體電路形成一個閉合環路，通過負反饋機制穩定激光器的輸出功率。該驅動電路由電壓比較器、電容充放電模塊、恒流源和反饋回路構成，電容充放電模塊根據比較器輸出電壓的高低循環跳變來對電容進行充放電，最終將其電壓值穩定在某預設值，從而間接控制恒流源的輸入電壓，并進一步控制激光器電流，恒流源直接驅動LD激光器，它的輸入電壓和激光器驅動電流成正比例關系。 圖1 激光器自動功率控制系統原理圖 系統上電后，電壓比較器的正端設定正電壓值VSET，負端電壓假設為0，則比較器輸出的低電平致使電容充放電模塊對電容充電，隨著電容電壓的緩慢上升，恒流源的驅動電流不斷升高，激光器輸出光強不斷升高，PIN探測電流變大，從而導致反饋回路輸出電壓升高，直至高過比較器正端電壓VSET后，比較器輸出由低電平跳變為高電平，接著執行上述過程的反過程：電容放電、激光器功率減小，由此循環往復，最終穩定激光器發光功率。 恒流源 半導體激光器的可靠穩定工作需要精密電流源，設計使用電流源電路源自于負反饋運算放大電流電路，該電路具有結構簡單、噪聲小等優點，其結構如圖2所示。 圖2 具有關斷功能的陰極共地型激光器電流源 電路通過BIN輸入端電壓控制1歐姆電阻電壓來控制激光器電流，由LT1789的固定增益輸出反饋給LT1006反相輸入端而形成閉環，LT1789的引入使激光器陰極得以共地，便于測試。此外，增加了激光器電流關斷控制電路，ENABLE使能端通過將Q1的基極電位拉地來關斷激光器電流，相當于激光器開關關閉，而當開關打開時，可實現激光器電流緩慢地上升至預定值。元器件選取上，LT1006運算放大器和LT1789儀表放大器均是單電源供電型放大器，能夠滿足單電源供電的需求。電路工作中，LT1789的放大倍數為A=10，流經激光器電流I與輸入電壓U的關系為： I=0.1U (1) 其中，I的單位為毫安，U的單位為伏特，即當輸入電壓由0V變化到2.5V時，可實現激光器電流由0mA到250mA的線性變化。 電容充放電模塊 電容充放電模塊是形成反饋回路、實現自動功率控制至關重要的一部分。穩定激光器功率是通過微調流經激光器的電流實現的，這種微調功能的實現是需要某種自動起伏變化的機制才能實現的，而大電容的電壓可以緩慢變化，符合這種機制的要求。前已述及，該模塊根據前一級比較器輸出電壓的高低循環跳變來對電容進行充放電，將電容電壓值穩定在某預定值，從而間接控制激光器電流，電路圖如圖3所示。 圖3 電容充放電模塊電路圖 當CIN為低電平時，場效應管Q3導通，Q4截止，5V電壓通過15k電阻向3300μF電容充電;而當CIN為高電平時，Q4導通，Q3截止，電容又通過100kΩ電阻向地回路放電。圖3中的箭頭方向指明了電容充放電時的電流流向。運算放大器A3構成電壓跟隨器將后級電路與電容充放電級隔離，避免后級電路輸入電阻對電容充放電時間常數產生影響。這里，選取3300μF大電容是為了讓電容電壓值緩慢變化，這有助于穩定電容電壓值。當電路停止工作后，需要對3300μF電容進行放電，而100k電阻對它的放電速度非常緩慢，因此設計了Q5通路，通路上的1k電阻可在電路停止工作后迅速對大電容放電。 圖4 電容充電與放電等效電路模型圖 為了對電容充放電過程進行定量分析，可將充放電電路等效成如圖4所示的電路模型： 假設在t=0時刻，UC=0，根據電路理論，易得電容電壓UC隨時間t的變化關系式為： UC = E(1 - exp(- t/RC)) （2） 同樣，對于放電回路，電容電壓UC隨時間t 的變化關系式為： UC = exp(lnU0- t/RC) （3） 式中，U0為電容放電初始電壓。 如將(2)式中各參數分別取值為E=5V，R=15kΩ，C=3300μF;(3)式中各參數分別取值為U0=5V，R=100kΩ，C=3300μF，根據表達式，仿真得到電容電壓隨時間變化的波形如圖5所示。 圖5 電容電壓充放電過程仿真波形圖 圖5表明，對于以上選取的這組電阻電容值，在4.3V電壓附近，電容的充電速率為14mV/s、放電速率為13mV/s，說明電容在4.3V附近的充放電速率不僅較慢，而且基本一致，這對穩定電容電壓將很有效果。因此，電路在實際運行過程中，需要將電容電壓維持在4.3V附近，這需要通過調整電路其他部分元件的取值來實現。 反饋回路 一般，蝶形封裝激光器中均自帶有PIN或PD光電探測器用于探測光強，光電探測器能夠得到與檢測光強成一定比例關系的電流信號，通過對該電流信號進行電壓轉換、放大處理即可得到實用的監測信號，這一過程可以體現于圖6。 圖6 PIN光電探測器構成的固定增益反饋回路 MAX4008是一款高精度電流檢測芯片，在光纖應用中專門用于檢測PD或PIN光電探測器的電流，它的REF引腳是參考電流輸入引腳，OUT引腳是檢測電壓輸出引腳，其電壓值大小與REF引腳電流成正比關系。當REF參考電流在250nA到2.5mA范圍內變化時，MAX4008的檢測精度可維持在5%以內;在精度放寬到10%的前提下，檢測電流范圍可擴展到10nA到10mA。MAX4008的輸出電壓UMAX4008與參考電流IREF的關系式為： UMAX4008(mV)=IRREF(μA) (4) 由此，250nA~2.5mA的REF參考電流值對應的輸出電壓范圍是0.25mV~2.5V。 0.25mV~2.5V的電壓值需要變換放大到所需要的電壓范圍，這通過由運算放大器A4組成的同相比例運算電路實現，如圖6所示，其比例系數為1+Rf/R。注意到一點，MAX4008的輸出電阻為10kΩ，而根據PIN、光強度等的不同，MAX4008的輸出電壓可能會低至幾毫伏，為了防止輸出電壓在下一級輸入會有衰減，在MAX4008與同相比例運算電路之間加一級電壓跟隨器，用于隔離，提高MAX4008“帶負載”的能力。最終，運算放大器A4的輸出電壓U0與MAX4008輸出電壓UMAX4008的關系式為： U0 =UMAX4008×(1 + Rf/ R ) （5） 實際應用應，Rf和R的阻值需要根據具體的LD以及PIN參數來確定。 實驗結果與分析 光電探測器選用SIEMENS SRD00111Z硅PIN光電探測器來模擬激光器集成光電探測器，該光電探測器最高功率譜密度集中在800nm;作為實驗，選用紅色發光二極管(LED)來模擬激光器。DFB蝶形激光器工作電流一般達到70mA，遠超過普通發光二極管的正常工作電流，因此用20只發光二極管并聯構成一只大電流發光二極管，并將其中的一只引出與PIN密封固定在一起，用于探測光強。 在定量分析中，LED工作電流與LED光強、PIN探測電流的關系未知，為了得到其關系，實測了一些采樣點：當恒流源輸入電壓從400mV逐漸變化到800mV時，以50mV為間隔，測得MAX4008的輸出采樣電壓值如圖7中圓點所示，并利用MATLAB對這些采樣點進行2階多項式曲線擬合，擬合曲線如圖中細實線所示。 圖7 根據采樣點擬合得到電流源輸入電壓與MAX4008輸出電壓關系曲線圖 并得到擬合曲線函數式為： y = (- 6.5841×10-7 )x2 + (4.3342×10-3 )x - 0.16009 （6） 其中，x、y單位均為mV。 假設半導體激光器工作在70mA，根據(1)式，計算得到恒流源的輸入電壓應為700mV;將700mV帶入擬合公式(6)式，得到MAX4008輸出電壓約為2.55mV;再由(5)式，并取R=1kΩ、Rf=100kΩ，計算得到輸入到電壓比較器反相輸入端的電壓為257.55mV，因此，為了讓MAX4008輸出電壓為2.55mV，就需要設定電壓比較器的同相輸入端電壓為257.55mV。此外，還需要使充放電電容電壓維持在4.3V附近，因為在4.3V附近電容的充放電速率基本相同，而恒流源的輸入又需要穩定在700mV附近，因此，這里采用電阻分壓的方法，將4.3V轉換到700mV。圖8是電路上電穩定后捕捉到的電壓比較器輸出端波形圖，圖中連續跳變的高低電平說明自動功率控制過程已建立。 圖8 電壓比較器輸出波形 我們知道，PIN光電二極管的探測電流可以反映探測的光強度，因此通過觀察MAX4008輸出電壓的穩定性即可間接對LED發光二極管功率穩定性做出判斷。圖9是設計電路連續工作6個小時，每隔半個小時，MAX4008輸出電壓的采樣值。 圖9 連續6小時采樣MAX4008輸出電壓 圖9表明，MAX4008的輸出采樣值基本維持在2.5mV附近，說明發光二極管功率穩定性良好，自動功率控制的功能達到了設計指標。注意到一點，2.5mV的電壓值和預期的2.55mV有點偏差，經分析，這種偏差是由以下兩方面因素構成的，首先，電阻實際阻值和理論值的偏差導致了信號值的偏移;其次，對于毫伏級別的信號，運算放大器的同相和反相輸入端并非理想虛短，從而導致了信號值的偏移。 結束語 根據模擬電路理論和反饋理論知識，設計了半導體激光器自動功率控制電路，實驗表明，電路可以穩定輸出功率，實現精確的控制。該系統具有結構簡單、使用零部件少和容易調整等特點。MAX4008芯片簡化了PIN光電探測器檢測電路，提高了電流檢測精度。此外，在正式接入半導體激光器之前，還需要考慮一些問題，比如電源浪涌沖擊問題，因為半導體激光器是非常敏感且脆弱的元器件，不適當的工作環境將導致半導體激光器永久性損壞，因此保護特性應當考慮進來，以防止光學元件因瞬變電流而受到損害。 |
