半導(dǎo)體激光器具有光學(xué)特性優(yōu)秀、單色性好、體積小和壽命長(zhǎng)等一系列的優(yōu)點(diǎn)，隨著科技的發(fā)展，已被廣泛應(yīng)用在國(guó)防、通信、醫(yī)療和測(cè)量等領(lǐng)域中。半導(dǎo)體激光器需要專用的驅(qū)動(dòng)電路，一般均采用恒流源電路。市場(chǎng)上專業(yè)的激光器驅(qū)動(dòng)設(shè)備性能好，功能強(qiáng)大，然而價(jià)格昂貴，體積較大，對(duì)產(chǎn)品開發(fā)來說，一款小巧、功能簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉的激光器驅(qū)動(dòng)電路很具有實(shí)用價(jià)值。

　　在傳感和檢測(cè)等應(yīng)用領(lǐng)域，往往需要激光器工作在恒定功率狀態(tài)，而半導(dǎo)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(huì)改變半導(dǎo)體激光器的特性，因此需要補(bǔ)償各種因素產(chǎn)生的影響。而在發(fā)射閾值電流以上時(shí)，半導(dǎo)體激光器的發(fā)光功率與驅(qū)動(dòng)電流成線性關(guān)系，這使得通過控制驅(qū)動(dòng)電流來調(diào)整發(fā)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(dòng)功率控制系統(tǒng)原理框圖，整體電路形成一個(gè)閉合環(huán)路，通過負(fù)反饋機(jī)制穩(wěn)定激光器的輸出功率。該驅(qū)動(dòng)電路由電壓比較器、電容充放電模塊、恒流源和反饋回路構(gòu)成，電容充放電模塊根據(jù)比較器輸出電壓的高低循環(huán)跳變來對(duì)電容進(jìn)行充放電，最終將其電壓值穩(wěn)定在某預(yù)設(shè)值，從而間接控制恒流源的輸入電壓，并進(jìn)一步控制激光器電流，恒流源直接驅(qū)動(dòng)LD激光器，它的輸入電壓和激光器驅(qū)動(dòng)電流成正比例關(guān)系。

圖1 激光器自動(dòng)功率控制系統(tǒng)原理圖

　　系統(tǒng)上電后，電壓比較器的正端設(shè)定正電壓值VSET，負(fù)端電壓假設(shè)為0，則比較器輸出的低電平致使電容充放電模塊對(duì)電容充電，隨著電容電壓的緩慢上升，恒流源的驅(qū)動(dòng)電流不斷升高，激光器輸出光強(qiáng)不斷升高，PIN探測(cè)電流變大，從而導(dǎo)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?yōu)楦唠娖?，接著?zhí)行上述過程的反過程：電容放電、激光器功率減小，由此循環(huán)往復(fù)，最終穩(wěn)定激光器發(fā)光功率。

　　恒流源

　　半導(dǎo)體激光器的可靠穩(wěn)定工作需要精密電流源，設(shè)計(jì)使用電流源電路源自于負(fù)反饋運(yùn)算放大電流電路，該電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 具有關(guān)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(huán)，LT1789的引入使激光器陰極得以共地，便于測(cè)試。此外，增加了激光器電流關(guān)斷控制電路，ENABLE使能端通過將Q1的基極電位拉地來關(guān)斷激光器電流，相當(dāng)于激光器開關(guān)關(guān)閉，而當(dāng)開關(guān)打開時(shí)，可實(shí)現(xiàn)激光器電流緩慢地上升至預(yù)定值。元器件選取上，LT1006運(yùn)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(shù)為A=10，流經(jīng)激光器電流I與輸入電壓U的關(guān)系為：

　　I=0.1U (1)

　　其中，I的單位為毫安，U的單位為伏特，即當(dāng)輸入電壓由0V變化到2.5V時(shí)，可實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)功率控制至關(guān)重要的一部分。穩(wěn)定激光器功率是通過微調(diào)流經(jīng)激光器的電流實(shí)現(xiàn)的，這種微調(diào)功能的實(shí)現(xiàn)是需要某種自動(dòng)起伏變化的機(jī)制才能實(shí)現(xiàn)的，而大電容的電壓可以緩慢變化，符合這種機(jī)制的要求。前已述及，該模塊根據(jù)前一級(jí)比較器輸出電壓的高低循環(huán)跳變來對(duì)電容進(jìn)行充放電，將電容電壓值穩(wěn)定在某預(yù)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(dāng)CIN為低電平時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管Q3導(dǎo)通，Q4截止，5V電壓通過15k電阻向3300μF電容充電；而當(dāng)CIN為高電平時(shí)，Q4導(dǎo)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(shí)的電流流向。運(yùn)算放大器A3構(gòu)成電壓跟隨器將后級(jí)電路與電容充放電級(jí)隔離，避免后級(jí)電路輸入電阻對(duì)電容充放電時(shí)間常數(shù)產(chǎn)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(wěn)定電容電壓值。當(dāng)電路停止工作后，需要對(duì)3300μF電容進(jìn)行放電，而100k電阻對(duì)它的放電速度非常緩慢，因此設(shè)計(jì)了Q5通路，通路上的1k電阻可在電路停止工作后迅速對(duì)大電容放電。

圖4 電容充電與放電等效電路模型圖

　　為了對(duì)電容充放電過程進(jìn)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(shè)在t=0時(shí)刻，UC=0，根據(jù)電路理論，易得電容電壓UC隨時(shí)間t的變化關(guān)系式為：

　　UC = E(1 - exp(- t/RC)) （2）

　　同樣，對(duì)于放電回路，電容電壓UC隨時(shí)間t 的變化關(guān)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(shù)分別取值為E=5V，R=15kΩ，C=3300μF；(3)式中各參數(shù)分別取值為U0=5V，R=100kΩ，C=3300μF，根據(jù)表達(dá)式，仿真得到電容電壓隨時(shí)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(duì)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(duì)穩(wěn)定電容電壓將很有效果。因此，電路在實(shí)際運(yùn)行過程中，需要將電容電壓維持在4.3V附近，這需要通過調(diào)整電路其他部分元件的取值來實(shí)現(xiàn)。

　　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(cè)器用于探測(cè)光強(qiáng)，光電探測(cè)器能夠得到與檢測(cè)光強(qiáng)成一定比例關(guān)系的電流信號(hào)，通過對(duì)該電流信號(hào)進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換、放大處理即可得到實(shí)用的監(jiān)測(cè)信號(hào)，這一過程可以體現(xiàn)于圖6。

圖6 PIN光電探測(cè)器構(gòu)成的固定增益反饋回路

　　MAX4008是一款高精度電流檢測(cè)芯片，在光纖應(yīng)用中專門用于檢測(cè)PD或PIN光電探測(cè)器的電流，它的REF引腳是參考電流輸入引腳，OUT引腳是檢測(cè)電壓輸出引腳，其電壓值大小與REF引腳電流成正比關(guān)系。當(dāng)REF參考電流在250nA到2.5mA范圍內(nèi)變化時(shí)，MAX4008的檢測(cè)精度可維持在5%以內(nèi)；在精度放寬到10%的前提下，檢測(cè)電流范圍可擴(kuò)展到10nA到10mA。MAX4008的輸出電壓UMAX4008與參考電流IREF的關(guān)系式為：

　　UMAX4008(mV)=IRREF(μA) (4)

　　由此，250nA~2.5mA的REF參考電流值對(duì)應(yīng)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(yùn)算放大器A4組成的同相比例運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)，如圖6所示，其比例系數(shù)為1+Rf/R。注意到一點(diǎn)，MAX4008的輸出電阻為10kΩ，而根據(jù)PIN、光強(qiáng)度等的不同，MAX4008的輸出電壓可能會(huì)低至幾毫伏，為了防止輸出電壓在下一級(jí)輸入會(huì)有衰減，在MAX4008與同相比例運(yùn)算電路之間加一級(jí)電壓跟隨器，用于隔離，提高M(jìn)AX4008“帶負(fù)載”的能力。最終，運(yùn)算放大器A4的輸出電壓U0與MAX4008輸出電壓UMAX4008的關(guān)系式為：

　　U0 =UMAX4008×(1 + Rf/ R ) （5）

　　實(shí)際應(yīng)用應(yīng)，Rf和R的阻值需要根據(jù)具體的LD以及PIN參數(shù)來確定。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

　　光電探測(cè)器選用SIEMENS SRD00111Z硅PIN光電探測(cè)器來模擬激光器集成光電探測(cè)器，該光電探測(cè)器最高功率譜密度集中在800nm；作為實(shí)驗(yàn)，選用紅色發(fā)光二極管(LED)來模擬激光器。DFB蝶形激光器工作電流一般達(dá)到70mA，遠(yuǎn)超過普通發(fā)光二極管的正常工作電流，因此用20只發(fā)光二極管并聯(lián)構(gòu)成一只大電流發(fā)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(cè)光強(qiáng)。

　　在定量分析中，LED工作電流與LED光強(qiáng)、PIN探測(cè)電流的關(guān)系未知，為了得到其關(guān)系，實(shí)測(cè)了一些采樣點(diǎn)：當(dāng)恒流源輸入電壓從400mV逐漸變化到800mV時(shí)，以50mV為間隔，測(cè)得MAX4008的輸出采樣電壓值如圖7中圓點(diǎn)所示，并利用MATLAB對(duì)這些采樣點(diǎn)進(jìn)行2階多項(xiàng)式曲線擬合，擬合曲線如圖中細(xì)實(shí)線所示。

圖7 根據(jù)采樣點(diǎn)擬合得到電流源輸入電壓與MAX4008輸出電壓關(guān)系曲線圖

　　并得到擬合曲線函數(shù)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(shè)半導(dǎo)體激光器工作在70mA，根據(jù)(1)式，計(jì)算得到恒流源的輸入電壓應(yīng)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(jì)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(shè)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?yàn)樵?.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(wěn)定在700mV附近，因此，這里采用電阻分壓的方法，將4.3V轉(zhuǎn)換到700mV。圖8是電路上電穩(wěn)定后捕捉到的電壓比較器輸出端波形圖，圖中連續(xù)跳變的高低電平說明自動(dòng)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(cè)電流可以反映探測(cè)的光強(qiáng)度，因此通過觀察MAX4008輸出電壓的穩(wěn)定性即可間接對(duì)LED發(fā)光二極管功率穩(wěn)定性做出判斷。圖9是設(shè)計(jì)電路連續(xù)工作6個(gè)小時(shí)，每隔半個(gè)小時(shí)，MAX4008輸出電壓的采樣值。

圖9 連續(xù)6小時(shí)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(fā)光二極管功率穩(wěn)定性良好，自動(dòng)功率控制的功能達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。注意到一點(diǎn)，2.5mV的電壓值和預(yù)期的2.55mV有點(diǎn)偏差，經(jīng)分析，這種偏差是由以下兩方面因素構(gòu)成的，首先，電阻實(shí)際阻值和理論值的偏差導(dǎo)致了信號(hào)值的偏移；其次，對(duì)于毫伏級(jí)別的信號(hào)，運(yùn)算放大器的同相和反相輸入端并非理想虛短，從而導(dǎo)致了信號(hào)值的偏移。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　根據(jù)模擬電路理論和反饋理論知識(shí)，設(shè)計(jì)了半導(dǎo)體激光器自動(dòng)功率控制電路，實(shí)驗(yàn)表明，電路可以穩(wěn)定輸出功率，實(shí)現(xiàn)精確的控制。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用零部件少和容易調(diào)整等特點(diǎn)。MAX4008芯片簡(jiǎn)化了PIN光電探測(cè)器檢測(cè)電路，提高了電流檢測(cè)精度。此外，在正式接入半導(dǎo)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?yàn)榘雽?dǎo)體激光器是非常敏感且脆弱的元器件，不適當(dāng)?shù)墓ぷ鳝h(huán)境將導(dǎo)致半導(dǎo)體激光器永久性損壞，因此保護(hù)特性應(yīng)當(dāng)考慮進(jìn)來，以防止光學(xué)元件因瞬變電流而受到損害。