半导体激光器驱动器输出电路的设计
日期：2010-3-1 10:53:02 点击：
来源：中国工控网
作者：
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0 引言
随着科学技术的飞速发展，半导体激光器技术已深入到国民经济和国防建设的各个领域。半导体激光器具有其它激光器无法比拟的特性，比如：常见的激光器如He-Ne激光器，采用高压激发（约1500V），而半导体激光器采用3～5V的低电压激发，相比之下，半导体激光器的激励方式较为安全，并且效率比普通激光器高数十倍；在一些测量仪器中，选用半导体激光器照明，能满足单色性好，相干性好，光束准直，精度高等要求，在远距离通讯、激光雷达、数字信号的存储和恢复、激光测距、机器人、全息应用、医学诊断等方面都有广泛的应用。但半导体激光器对工作条件要求苛刻，在不适当的工作或存放条件下，会造成性能的急剧恶化乃至失效。所以，使激光器正常工作的激光器驱动电源就显得尤为重要。因而在实际应用中对激光器驱动器的性能有着很高的要求。本文针对激光器的特殊性能提出半导体激光器驱动电源的输出电路的设计方案。
1 半导体激光器驱动器的理论分析
半导体激光器的应用广泛，因而其相应的驱动技术也显得越来越重要。半导体激光器的驱动技术通常采用恒电流驱动方式，在此工作方式中，通过电学反馈控制回路，直接提供驱动电流电平的有效控制，由此获得最低的电流偏差和最高LD（Laser Diode）输出的稳定性。整体的设计思想是运用负反馈原理稳定输出电流，由此获得最低的电流偏差和最高的电流输出稳定性。驱动器的框图如图1所示:
图1 驱动器的原理框图
该驱动器由电压基准电路，末级电路（电流驱动），显示电路，调制输入电路,保护电路等部分组成。驱动器工作在恒流的工作方式时，首先由电压基准产生一个精度及稳定度`比较高的基准电压，然后由电位器对基准电压进行取样，并将取样值送入电压-电流转换器，由此获得受取样电压控制的输出电流。由于该输出电流不稳定，因此我们需要从电流放大器的输出电流中进行电压取样，并将其送回电压-电流转换器与基准电压共同控制运放，从而形成一个深度负反馈的闭环系统，使得输出电流保持在设定值上恒定不变[2]。
本文阐述的驱动器采用恒电流驱动，该驱动方式是一种常见的半导体激光器工作方式，当半导体激光器工作在恒电流状态时，对驱动器最主要的要求是输出电流的稳定性，这也是驱动器设计需要解决的主要问题。
2负反馈稳定输出电流的原理
所谓反馈是把电子线路的输出量的全部或一部分，从输出端通过一定的路径（反馈网络）回送到输入端的过程。如果引入的反馈信号与输入信号极性相反，削弱了输入信号的作用，使放大电路的放大倍数降低，则称为负反馈。在各种放大电路中，利用负反馈的方法来改善各项性能，使电路输出量（电压或电流）的变化反馈到输入端，从而控制输出端的变化，起到自动调节的作用。负反馈放大电路主要由基本放大电路及反馈网络组成，如图2所示： 在放大电路的输出端有取样网络，对输出信号V0取样，放大电路输入端有相加网络，用于输入信号 与反馈信号 的比较，将比较结果作为基本放大电路的输入信号。
图2 负反馈网络框图
是无反馈时反馈放大电路的放大倍数；F是反馈系数；
和 V0分别是反馈网络的输出和输入。由于F=Vf／Ｖ0是反馈系数，因此设Af是加入反馈网络后的放大倍数；
由上式可见，引入负反馈后，放大倍数改变了，放大倍数Af的大小与(|1+AF|)有关。若(|1+AF|)，即引入反馈后，放大倍数减小了，这种反馈一般称为负反馈。引入负反馈后，当输入信号一定时，负反馈能使输出保持恒定，就是能维持放大倍数恒定。从数学表达式来看，当反馈很深，(|1+AF|)可简化为
这就是说，引入负反馈后，放大器的放大倍数只决定于反馈网络，而与放大器几乎无关。由于反馈网络一般都由参数比较稳定的无源元件构成，其传输系数 十分稳定。只要反馈放大器的环路传输 足够大，放大器的闭环增益可基本不受影响[3][4]。
3电流控制原理
由于半导体激光器驱动器输出电流在几十毫安至几安之间，因此本文选定输出电流为 作为驱动器的输出电流。由上述分析可知：如果把将负反馈原理应用到驱动器的设计中，可以获得合适的输出电流，该驱动器的末级电路（电流驱动）设计如图3所示。
图3电流控制原理图
基准电压Vr送入运放A1的同相端，该运放控制放大器的导通程度，并由此获得相应的输出电流，输出电流在取样电阻上产生取样电压，该取样电压经放大后作为反馈电压反馈回电压放大器A1的反相输入端,并与同相输入端的电压（即由基准电压产生并经过前级放大后的电压）比较，对输出电压进行调整，进而对放大器的输出电流进行调整，使整个闭环反馈系统处于动态的平衡中，以达到稳定输出电流的目的。
我们也可以通过公式推倒，可以找出输出电流I0和控制电压Vt的关系。
4 仿真结果分析
本文借助于Protel99SE软件进行仿真分析，来验证电路设计的准确性。该软件是以PSPICE为核心，对电子电路不仅能进行直流、交流和瞬态等基本的电路特性分析，还可以进行参数扫描、灵敏度、蒙特卡诺统计、最坏情况和优化分析，并可以将各种仿真分析的结果以波形或图表的方式直观地显示出来，因此它在电子电路的设计中得到了广泛的应用[1]
4.1瞬态特性分析
为了检测输出电流在一定时间范围内是否恒定为250 ，因此有必要对电路进行瞬态特性分析。给输入端的基准电压提供一个阶跃信号。该信号如图4所示：阶跃信号高电平电压为5V,脉冲宽度为30s，时间变化范围为0-50s。观测R上的电流是否是稳定输出电流。从电路原理分析可知,
根据电路原理选定
根据所设置的参数若输入基准电压 为5V，经过计算可知输出电流 约为250 。结果如图5所示，经过仿真分析验证了无论时间如何变化，当输入的基准电压为5V，输出电流始终保持250 。
4.2 直流扫描分析
因为恒电流驱动电路的输出电流和基准电压的关系为：
由公式可见，当电阻参数不变时，
的增加而增加I0与Vr呈线性变化。可以利用直流扫描分析来检验这种输出与输入的关系。因此选择Vr作为扫描对象，观察输出电流随基准电压的变化规律。仿真结果如图6所示：
图6以 为变量的直流扫描分析结果
图6中的曲线反映了基准电压和输出电流的关系。从曲线上可以看出，Vr在0-5V范围内I0随着Vr的增加而增加。如果要改变输出电流的大小可以在其他参数不变的情况下通过改变基准电压来改变输出电流。例如：输出电流为200mA ，则输入电压等于4V时。所以根据仿真实验结果可知，可以由输出电流来确定基准电压的大小。
5结论
本文作者创新点在于1：提出了半导体激光器驱动器输出电路的设计方案。该电路采用负反馈原理使电路易于调试；2：结合仿真软件对输出电路进行了仿真分析，实验结果表明电路设计准确，能够输出稳定的250mA电流；3：提出了测试输出电路的实验方法，从而为硬件实验打下了良好的基础。该电路的设计可以保证半导体激光器驱动电源可以输出稳定的电流，从而使激光器稳定工作。
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随着科学技术的飞速发展，半导体激光器技术已深入到国民经济和国防建设的各个领域。半导体激光器具有其它激光器无法比拟的特性，比如：常见的激光器如He-Ne激光器，采用高压激发（约1500V），而半导体激光器采用3～5V的低电压激发，相比之下，半导体激光器的激励方式较为安全，并且效率比普通激光器高数十倍；在一些测量仪器中，选用半导体激光器照明，能满足单色性好，相干性好，光束准直，精度高等要求，在远距离通讯、激光雷达、数字信号的存储和恢复、激光测距、机器人、全息应用、医学诊断等方面都有广泛的应用。但半导体激光器对工作条件要求苛刻，在不适当的工作或存放条件下，会造成性能的急剧恶化乃至失效。所以，使激光器正常工作的激光器驱动电源就显得尤为重要。因而在实际应用中对激光器驱动器的性能有着很高的要求。本文针对激光器的特殊性能提出半导体激光器驱动电源的输出电路的设计方案。
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1 半导体激光器驱动器的理论分析
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半导体激光器的应用广泛，因而其相应的驱动技术也显得越来越重要。半导体激光器的驱动技术通常采用恒电流驱动方式，在此工作方式中，通过电学反馈控制回路，直接提供驱动电流电平的有效控制，由此获得最低的电流偏差和最高LD（Laser Diode）输出的稳定性。整体的设计思想是运用负反馈原理稳定输出电流，由此获得最低的电流偏差和最高的电流输出稳定性。驱动器的框图如图1所示:
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图1 驱动器的原理框图
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该驱动器由电压基准电路，末级电路（电流驱动），显示电路，调制输入电路,保护电路等部分组成。驱动器工作在恒流的工作方式时，首先由电压基准产生一个精度及稳定度`比较高的基准电压，然后由电位器对基准电压进行取样，并将取样值送入电压-电流转换器，由此获得受取样电压控制的输出电流。由于该输出电流不稳定，因此我们需要从电流放大器的输出电流中进行电压取样，并将其送回电压-电流转换器与基准电压共同控制运放，从而形成一个深度负反馈的闭环系统，使得输出电流保持在设定值上恒定不变[2]。
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本文阐述的驱动器采用恒电流驱动，该驱动方式是一种常见的半导体激光器工作方式，当半导体激光器工作在恒电流状态时，对驱动器最主要的要求是输出电流的稳定性，这也是驱动器设计需要解决的主要问题。
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2负反馈稳定输出电流的原理
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所谓反馈是把电子线路的输出量的全部或一部分，从输出端通过一定的路径（反馈网络）回送到输入端的过程。如果引入的反馈信号与输入信号极性相反，削弱了输入信号的作用，使放大电路的放大倍数降低，则称为负反馈。在各种放大电路中，利用负反馈的方法来改善各项性能，使电路输出量（电压或电流）的变化反馈到输入端，从而控制输出端的变化，起到自动调节的作用。负反馈放大电路主要由基本放大电路及反馈网络组成，如图2所示： 在放大电路的输出端有取样网络，对输出信号V0取样，放大电路输入端有相加网络，用于输入信号 与反馈信号 的比较，将比较结果作为基本放大电路的输入信号。
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图2 负反馈网络框图
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是无反馈时反馈放大电路的放大倍数；F是反馈系数；
和 V0分别是反馈网络的输出和输入。由于F=Vf／Ｖ0是反馈系数，因此设Af是加入反馈网络后的放大倍数；WWW_PLCJ－S_COM－PLC－技.术_网(可－编程控－制器技术－门户)
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由上式可见，引入负反馈后，放大倍数改变了，放大倍数Af的大小与(|1+AF|)有关。若(|1+AF|)，即引入反馈后，放大倍数减小了，这种反馈一般称为负反馈。引入负反馈后，当输入信号一定时，负反馈能使输出保持恒定，就是能维持放大倍数恒定。从数学表达式来看，当反馈很深，(|1+AF|)可简化为
这就是说，引入负反馈后，放大器的放大倍数只决定于反馈网络，而与放大器几乎无关。由于反馈网络一般都由参数比较稳定的无源元件构成，其传输系数 十分稳定。只要反馈放大器的环路传输 足够大，放大器的闭环增益可基本不受影响[3][4]。WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
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3电流控制原理
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由于半导体激光器驱动器输出电流在几十毫安至几安之间，因此本文选定输出电流为 作为驱动器的输出电流。由上述分析可知：如果把将负反馈原理应用到驱动器的设计中，可以获得合适的输出电流，该驱动器的末级电路（电流驱动）设计如图3所示。
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图3电流控制原理图
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基准电压Vr送入运放A1的同相端，该运放控制放大器的导通程度，并由此获得相应的输出电流，输出电流在取样电阻上产生取样电压，该取样电压经放大后作为反馈电压反馈回电压放大器A1的反相输入端,并与同相输入端的电压（即由基准电压产生并经过前级放大后的电压）比较，对输出电压进行调整，进而对放大器的输出电流进行调整，使整个闭环反馈系统处于动态的平衡中，以达到稳定输出电流的目的。
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我们也可以通过公式推倒，可以找出输出电流I0和控制电压Vt的关系。
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4 仿真结果分析
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4.1瞬态特性分析
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根据电路原理选定
根据所设置的参数若输入基准电压 为5V，经过计算可知输出电流 约为250 。结果如图5所示，经过仿真分析验证了无论时间如何变化，当输入的基准电压为5V，输出电流始终保持250 。WWW_PLCJS※COM－PLC－技.术_网(可※编程控※制器技术门户)
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4.2 直流扫描分析
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图6以 为变量的直流扫描分析结果
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图6中的曲线反映了基准电压和输出电流的关系。从曲线上可以看出，Vr在0-5V范围内I0随着Vr的增加而增加。如果要改变输出电流的大小可以在其他参数不变的情况下通过改变基准电压来改变输出电流。例如：输出电流为200mA ，则输入电压等于4V时。所以根据仿真实验结果可知，可以由输出电流来确定基准电压的大小。
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5结论
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