低功耗窄脈沖編碼激光器驅(qū)動設(shè)計探討

盧唯實　張梓威

摘要：高速窄脈沖激光器因為其高功率密度和高時間分辨率，在激光測距和激光探測領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。文章介紹了窄脈沖激光器的工作原理，設(shè)計出基于特定半導(dǎo)體激光二極管的驅(qū)動電路。便攜式移動設(shè)備多為電池供電，低功耗是設(shè)計的另一個主要方向。通過仿真和樣機測試，證明其可行性。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體激光二極管；窄脈沖激光器；低功耗便攜激光器；激光測距；激光探測 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TN242 文章編號：1009-2374（2015）12-0024-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.12.012

半導(dǎo)體激光器具有體積小、質(zhì)量輕、驅(qū)動功率較低等特點，在激光制導(dǎo)、測距領(lǐng)域都得到重要應(yīng)用。由于在激光探測、激光測距領(lǐng)域，激光脈沖質(zhì)量直接影響其識別能力、抗干擾能力和測距精度。激光脈沖質(zhì)量和特性取決于所使用的激光二極管和配套的驅(qū)動電路的設(shè)計。普通的驅(qū)動電路通常采用三極管設(shè)計，滿足了高速開關(guān)的要求，但是驅(qū)動能力有限。目前射頻領(lǐng)域高速MOSFET發(fā)展迅速，開關(guān)速度可以達(dá)到納秒級，而且瞬間導(dǎo)通電流大。本文參考了已有設(shè)計實例，在總結(jié)了相關(guān)設(shè)計思想的基礎(chǔ)上，通過相關(guān)計算，設(shè)計出了基于TC1412N和FDS3692的激光器驅(qū)動。通過采集和分析實際探測數(shù)據(jù)，證實了這一設(shè)計思路的可行性。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

半導(dǎo)體激光器是依靠載流子直接注入而工作的，當(dāng)驅(qū)動電流小于閾值時，激光器輸出光功率近似為零，在驅(qū)動電流大于閥值電流以上的一段區(qū)域，驅(qū)動電流與輸出光功率近似呈線性關(guān)系。這樣就可通過調(diào)制驅(qū)動電流來對LD的輸出光進(jìn)行直接調(diào)制。而且輸出脈沖寬度越小，允許最大輸出功率越大。因此，驅(qū)動模塊要能夠提供較大的峰值電流和較窄的電流脈寬。

工作原理如圖1，由控制電路產(chǎn)生觸發(fā)信號，觸發(fā)信號經(jīng)過脈沖整形作為功率放大電路的開關(guān)信號，脈沖電流經(jīng)由放電回路激發(fā)半導(dǎo)體激光器。

2 電路設(shè)計與參數(shù)分析

半導(dǎo)體激光器放電回路是驅(qū)動電路的核心，由儲能模塊、MOSFET開關(guān)、LD組成。脈沖產(chǎn)生及放大電路的核心采用TC1412N，該芯片是一個峰值輸出達(dá)到2A的高速MOSFET驅(qū)動器，高容性負(fù)載驅(qū)動能力：1000PF的負(fù)載，輸出脈沖上升時間為18ns，脈寬為36ns。放電回路中MOSFET開關(guān)器件是核心，它的導(dǎo)通時間和導(dǎo)通電流直接影響輸出能量和脈寬。本文選用FAIRCHILD公司的FDS3692功率MOSFET，其漏極電壓最大可達(dá)100V，脈沖電流最大

可達(dá)60A，導(dǎo)通時間為26ns，寄生電感小于2nH。

充電過程：當(dāng)MOSFET開關(guān)斷開時，放電回路斷開，電源模塊的輸出電壓經(jīng)調(diào)制后給儲能模塊充電。電壓調(diào)制模塊可以改變儲能模塊的充電電壓，進(jìn)而改變激光脈沖的能量和脈沖寬度。充電過程中，電壓調(diào)制模塊還可以穩(wěn)定輸入電壓，保護(hù)電池模塊不受大電流損傷。

經(jīng)分析圖4可知，影響脈沖質(zhì)量的主要因素是寄生電感，而電路中寄生電感主要產(chǎn)生于LD的封裝形式。

完成仿真后，通過實驗驗證仿真結(jié)果。由觸發(fā)電路控制，輸出激光脈沖信號，采用美國thorlabs公司的硅光電探測器DET10A/M探測輸出的激光脈沖，通過Tectronix公司的DPO3052示波器觀察脈沖波形。

通過調(diào)整電路中參數(shù)進(jìn)行了多次實驗，最后實際測量的結(jié)果脈寬為15ns。

4 結(jié)語

本設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單緊湊、能量效率較高，實現(xiàn)了窄脈沖激光信號的調(diào)制輸出和功率控制，非常適用于高分辨率的便攜式激光測距系統(tǒng)，具有廣泛的應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉旭升，林九令，張海明.納秒脈沖半導(dǎo)體激光驅(qū)動器的研究[J].激光技術(shù)，2006，30（4）.

[2] 張海明，劉旭升，陸曉元，等.大電流窄脈沖半導(dǎo)體激光驅(qū)動器的設(shè)計[J].半導(dǎo)體光電，2009，30（2）.

[3] 宋毅恒，汪高勇，華振斌，等.高速編碼半導(dǎo)體激光器控制電路設(shè)計[J].光電技術(shù)應(yīng)用，2009，24（1）.

[4] 宋傳磊.半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源及其調(diào)控[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006.

[5] 蘇娟.高頻功率MOSFET驅(qū)動電路及并聯(lián)特性研究

[D].西安理工大學(xué)，2003.

[6] 李鐵軍，宓現(xiàn)強.一種半導(dǎo)體激光器自動控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].應(yīng)用激光，2012，（32）.

[7] 董明果，郭曉松，周召發(fā)，馬福祿，施寅杰.提高野外環(huán)境下CCD準(zhǔn)直測角精度的方法[J].光電工程，2008，（35）.

[8] 叢夢龍，李黎，崔艷松，張真騫，王一丁.控制半導(dǎo)體激光器的高穩(wěn)定度數(shù)字化驅(qū)動電源的設(shè)計[J].光學(xué)精密工程，2010，（18）.

[9] 譚中奇，龍興武.用于連續(xù)波腔衰蕩法測量的LD驅(qū)動電路設(shè)計[J].激光技術(shù)，2008，（32）.

作者簡介：盧唯實（1986-），男，吉林遼源人，中國電子科技集團(tuán)公司光電研究院助理工程師，研究方向：光電

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（責(zé)任編輯：周 瓊）