SLED激光器驅動設計

張佳薇　高峰東北林業(yè)大學機電工程學院

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SLED激光器驅動設計

張佳薇高峰
東北林業(yè)大學機電工程學院

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

關鍵字：激光驅動器 穩(wěn)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，波長范圍1.53nm至1.56nm，光功率可超過5mW。光纖傳感器是由2Km長的保偏（PM）光纖緊貼組合而成的線圈，PM線圈檢測到機械系統(tǒng)的振動并將其轉換到集成光學芯片，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。光學功率噪聲檢測器被用來檢測該光功率的噪聲信號，并用數(shù)字信號處理器（DSP）來過濾噪聲。用這種高光功率源，該系統(tǒng)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鍵部件，它必須提供穩(wěn)定，充足的光功率。在實踐中，它通常是一個通過一定的電流驅動的SLED［1］［2］。SLED具有電流輸入光功率輸出的傳遞函數(shù)。當SLED的驅動電流超過，SLED的光功率將正比于驅動電流。因此，該SLED的光功率可以很好地通過控制SLED的驅動電流進行控制。

2　電路設計

該激光驅動器電路可提供輸出從4mA到200mA 范圍的一個穩(wěn)定的驅動電流。

2.1功率控制器構建

該功率控制器的構建塊，其設計是基于光電反饋理論。當系統(tǒng)穩(wěn)定后，電源控制器提供給SLED穩(wěn)定的電流，從而使SLED的光功率恒定。當系統(tǒng)穩(wěn)定時，輸出電流由外部電阻決定；當外部環(huán)境變化時，光纖系統(tǒng)的光功率改變，從而導致由監(jiān)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，用它與基準電壓進行比較。比較的結果經(jīng)放大器傳送到驅動電流的控制系統(tǒng)，調節(jié)電流源的驅動電流，使得電流源陣列變化的輸出電流相應地變化。通過這種方式，SLED的驅動電流可保持不變，這意味著當環(huán)境發(fā)生變化時光纖系統(tǒng)的光功率保持恒定。

2.2輸出級

激光器輸出級，它提供電流來驅動激光器，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，基極電流提供。在這個設計中，，輸出電流 為200毫安。

2.3校準參考電流

在該設計中，輸出是一個電流，并且許多偏置電壓通過基準電流產(chǎn)生。這樣，參考電流的精度對于激光驅動器的驅動能力，穩(wěn)定性和精度非常重要。參考電壓是由一個簡單的一階補償電路產(chǎn)生，基于參考電壓。它是由一個誤差放大器，一個參考電壓源，一個比較器，一個逐次逼近寄存器（SAR）的邏輯電路，和一 個6位數(shù)字- 模擬轉換器（DAC）組成。 參考電流是通過由基準電壓電路，埃羅放大器和反饋網(wǎng)絡構成的反饋電路產(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。

校準是通過一個特區(qū)邏輯電路和一個6位的 DAC。當校準開始時，6位的DAC輸入數(shù)據(jù)被定義為011111，或半滿刻度。特區(qū)邏輯將修改DAC的輸入數(shù)據(jù)，并改變其輸出電流。

3　仿真結果

該激光驅動器輸出能力的仿真結果，這是不同條件下的仿真結果圖：（a）常溫（25oC）下激光驅動器隨外部電阻值變化的輸出仿真結果；（b）低溫（-40oC）中激光驅動器隨外部電阻值變化的輸出仿真結果；（c）高溫（125oC）中激光驅動器隨外部電阻值變化的輸出仿真結果；（d）電壓4.5V，溫度-40oC 時激光驅動器隨外部電阻值變化的輸出仿真結果。通過對在不同條件下仿真結果圖的對比可得，該系統(tǒng)夠產(chǎn)生隨外部電阻值變化的穩(wěn)定電流。

4　結論

所述系統(tǒng)設計出一個以閉環(huán)控制技術來維持激光驅動器驅動電流穩(wěn)定的SLED激光驅動器，并基于光電反饋理論設計了功率控制器，可實現(xiàn)激光器自動功率控制。該系統(tǒng)的電路詳細，在初始設置后能夠產(chǎn)生穩(wěn)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(tǒng)能夠產(chǎn)生隨外部電阻值變化的穩(wěn)定電流。實驗表明該設計可以很好地工作，在穩(wěn)定驅動激光器的前提下，還可以使激光器安全長時間運行。

參考文獻

［1］王立東，孫長森.連續(xù)可調恒流的SLED恒溫控制 ［J］.激光技術，2009，33（1）：74-76，86

［2］宋世德，于清旭.SLED光源的恒溫恒流控制系統(tǒng)研究［J］.激光技術，2004.

［3］W. M. C. Sansen， Analog Design Essentials，Heidelberg： Springer， 2007， pp. 66-67.

［4］叢夢龍，李黎，崔艷松等.控制半導體激光器的高穩(wěn)定度數(shù)字化驅動電源的設計［J］.光學精密工程， 2010.

［5］周真，齊忠亮，秦勇等.小功率半導體激光器的驅動方法設計［J］.紅外與激光工程，2012.