小型化高穩(wěn)定半導(dǎo)體激光驅(qū)動(dòng)電路研究

邱選兵,李 寧,孫冬遠(yuǎn),李傳亮,蔣利軍,魏計(jì)林,王 高

(1.太原科技大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院,山西 太原 030024;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 太原 030051)

1 引 言

目前,分布式反饋激光器(Distributed Feedback Laser,DFB)已經(jīng)越來越趨向于小型化、低成本、高功率方向的發(fā)展,在環(huán)境、醫(yī)療、食品、國防、工業(yè)自動(dòng)化等方面得到了廣泛的應(yīng)用。可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)技術(shù)是一種基于DBF半導(dǎo)體激光器的波長掃描和電流調(diào)諧特性的氣體吸收光譜檢測技術(shù),該技術(shù)具有非接觸、響應(yīng)時(shí)間短、靈敏度高、指紋識別、實(shí)時(shí)測量等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于惡劣環(huán)境下的氣體濃度、溫度、壓力以及速度等參數(shù)的測量[1-2]。由TDLAS的原理可知,激光器輸出激光波長的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度是實(shí)現(xiàn)氣體分子指紋檢測的關(guān)鍵,而DFB的輸出波長主要取決于激光器的工作溫度與注入電流的大小和穩(wěn)定度。DFB驅(qū)動(dòng)電流和工作溫度的穩(wěn)定性是衡量一個(gè)半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)性能優(yōu)劣的主要指標(biāo),因此在激光光譜應(yīng)用中需要優(yōu)先考慮激光器的驅(qū)動(dòng)電流和溫度控制[3-4]。

國外商用的DFB激光器驅(qū)動(dòng)器的廠商主要有Wavelength、ILX Lightwave和Thorlabs公司等大公司[5],這些廠商制造的激光驅(qū)動(dòng)器功能齊全、智能化程度高,但是其價(jià)格昂貴、體積大、性價(jià)比很低,不能適應(yīng)嵌入式的實(shí)時(shí)測量中。國內(nèi)廠商制造的驅(qū)動(dòng)電路中多以MOS管驅(qū)動(dòng)DFB,控制精度不高,容易受到電子器件本身和工作環(huán)境的影響。在溫度控制方面,多采用模擬比例-積分-微分(PID)控制環(huán),溫度控制精度和靈活性差,因此需要研制一種適用于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的小型化、高精度、高穩(wěn)定度、數(shù)字化和智能化的激光驅(qū)動(dòng)電路[6-7]。

針對在嵌入式實(shí)時(shí)測量中半導(dǎo)體激光器溫度和電流的控制,采用美國Wavelength公司的溫控芯片WTC3243和電流驅(qū)動(dòng)芯片WLD3343作為半導(dǎo)體激光器主要驅(qū)動(dòng)芯片,基于低功耗單片機(jī)STM32F103控制DFB的溫度和輸入電流的穩(wěn)定調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)DFB激光器輸出波長的穩(wěn)定、連續(xù)可調(diào)。

2 高精度穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

激光器的電源穩(wěn)定度是波長調(diào)制精確度的前提,根據(jù)激光驅(qū)動(dòng)器集成化和穩(wěn)定性的要求,設(shè)計(jì)了一種體積小、高穩(wěn)定、低紋波線性穩(wěn)壓電源。該電源由交流降壓、整流濾波、線性穩(wěn)壓和低通濾波4部分組成。變壓器先將220 V/50 Hz交流電降壓到±6 V交流電源,再通過KBP307的整流橋整流后進(jìn)入10000 μF和0.1 μF并聯(lián)電容濾波,經(jīng)過濾波后的電源進(jìn)入到高精度線性穩(wěn)壓芯片中。0.1 μF小電容抑制高頻噪聲,10000 μF電容降低電源紋波。如圖1所示。

圖1 整流濾波電路Fig.1 Rectifier and filter circuit

正負(fù)穩(wěn)壓電源芯片選擇為凌特公司LT1086/LT3015,可以提供1.5 A/3 A的輸出電流,并且可以在1 V的低壓差條件下運(yùn)行,電壓準(zhǔn)確度調(diào)節(jié)率為1%,電壓調(diào)整率0.015%。該芯片的電壓調(diào)整率小,負(fù)載調(diào)整率小的特點(diǎn)能夠保證在低紋波的條件下穩(wěn)定運(yùn)行。低通濾波采用LC-π型濾波模塊,如圖2所示,該部分使用了2200 μF和0.01 μF電容并聯(lián),在降低高頻干擾的同時(shí)抑制紋波。并聯(lián)的電感是為了增大通過的電流,其截止頻率公式為：

(1)

其中,L=440 μH,C=2200 μF,計(jì)算得截止頻率為161 Hz。

圖2 低通濾波電路Fig.2 Low pass filter circuit

該電源使用優(yōu)利德UT61E四位半高精度萬用表進(jìn)行測量,負(fù)載為功率電阻,總電流為250 mA,每間隔1 h記錄電源電壓,進(jìn)行12 h穩(wěn)定度測試,所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 電源長期穩(wěn)定度測試數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental data for long time stability test

為評價(jià)電源的穩(wěn)定性,引入變異系數(shù),變異系數(shù)也稱為離散系數(shù)、穩(wěn)定度,它是反映數(shù)據(jù)分布狀況的一個(gè)統(tǒng)計(jì)量,用來反映單位均值上的離散程度,在電源中用來描述其長時(shí)穩(wěn)定度的度量[8],定義為標(biāo)準(zhǔn)差和算數(shù)平均數(shù)的比值:

(2)

式中,C.V為穩(wěn)定度;SD為準(zhǔn)差;MN為樣本平均值。從式(2)可以看出研制的電源其12 h的穩(wěn)定度達(dá)到了1.003×10-4,滿足高穩(wěn)定低溫漂的激光驅(qū)動(dòng)電源需求[9]。

3 激光驅(qū)動(dòng)電路

3.1 系統(tǒng)總體

整體的驅(qū)動(dòng)電路分為主控電路、溫控電路、恒流驅(qū)動(dòng)電路、DAC電路,其控制原理如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)電路整體框圖Fig.3 The diagram of the whole driving circuit

整個(gè)系統(tǒng)的控制部分由計(jì)算機(jī)完成,計(jì)算機(jī)通過串行口可以設(shè)置DFB的注入電流和工作溫度?？刂菩盘柦?jīng)串口從PC傳輸?shù)組CU(Microcontroller Unit)后,MCU經(jīng)過SPI(Serial Peripheral Interface)總線與MCP4822通信分別控制WTC3243和WLD3343,分別控制DFB的溫度和注入電流,同時(shí)外部的掃描和波長調(diào)制信號可以通過BNC外部輸入,實(shí)現(xiàn)激光器的波長調(diào)制和解調(diào)功能。

由于CO2在近紅外和中紅外波段都有吸收,而且在中紅外的吸收強(qiáng)度較近紅外高,但是中紅外激光器價(jià)格昂貴,成本高。因此,選擇已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通信及氣體檢測領(lǐng)域的商用近紅外DFB激光器作為CO2氣體檢測系統(tǒng)的光源,在1.43 μm波段附近具有較強(qiáng)的CO2吸收帶,并且?guī)諑У腍2O干擾較小[10]。所以驅(qū)動(dòng)電路測試的DFB選擇中心波長為1430 nm,峰值輸出波長在1428～1432 nm之間。

3.2 主控電路

主控芯片采用ST公司的基于Cortex-M3內(nèi)的低功耗STM32F103(MCU)微控制器,具有體積小、功耗低等特點(diǎn),適合小型化的集成應(yīng)用。MCU控制DAC(Digital to Analog Converter)芯片MCP4822調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光器的工作溫度和驅(qū)動(dòng)電流；采用片上集成的12位ADC(Analog to Digital Converter)采集經(jīng)過放大電路后的溫度和驅(qū)動(dòng)電流的反饋信號,實(shí)現(xiàn)對溫度和驅(qū)動(dòng)電流的實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制。MCU的模擬參考電壓由REF3130提供,該芯片輸出電壓為3.0 V,電壓誤差為±0.2%,溫度系數(shù)為15 ppm/℃,結(jié)合合理的放大電路可以實(shí)現(xiàn)高精度的模擬數(shù)據(jù)采集,其原理圖如圖4所示。

圖4 主控引腳連接圖Fig.4 Interface diagram of MCU

3.3 溫控電路

溫控電路的核心芯片為WTC3243,它是一款功能齊全、穩(wěn)定性較高、外觀緊湊的溫度控制器。內(nèi)部集成積分時(shí)間和增益倍數(shù)可調(diào)節(jié)的模擬比例積分控制環(huán),調(diào)節(jié)溫度的精度可以達(dá)到0.0009 ℃,它可以控制加熱電阻或者TEC(Thermo Electric Cooler)元件來使溫度保持穩(wěn)定,最大驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到2.2 A。該器件的外圍電路設(shè)計(jì)如圖5所示,芯片通過VSET引腳上的電壓來控制半導(dǎo)體激光器的工作溫度。WTC3243通過為半導(dǎo)體激光器內(nèi)部的熱敏電阻提供一個(gè)偏置電流,在S+引腳上產(chǎn)生一個(gè)偏置電壓,通過比較該電壓值和VSET電壓值,從而改變芯片驅(qū)動(dòng)TEC電流的大小和方向,完成半導(dǎo)體激光器工作溫度調(diào)節(jié)。另外MCU內(nèi)部ADC通過采樣S+端的電壓值,即可得到半導(dǎo)體激光器工作溫度,方便對其溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)和監(jiān)控。

圖5 WTC3243外圍器件連接圖Fig.5 The diagram of componentssurrounding WTC3243

通過改變外部電阻來調(diào)節(jié)輸出TEC的電流大小、PI控制環(huán)增益和時(shí)間常數(shù)。輸出電流大小和LIMA和LIMB連接電阻阻值有關(guān),部分RLIMA和RLIMB阻值與最大TEC驅(qū)動(dòng)電流的對應(yīng)情況如表2所示。

表2 最大輸出電流及RLIMA和RLIMB關(guān)系Tab.2 The relationship between maximum output current and RLIMA,RLIMB

綜合考慮溫度調(diào)節(jié)的范圍和溫度調(diào)節(jié)能力以及半導(dǎo)體激光器中TEC允許的最大電流,確定最大輸出電流為1 A,RLIMA和RLIMB均選擇2.7 kΩ電阻。

溫度傳感器的偏置電流可以通過BIAS引腳上拉一個(gè)電阻到電源,該電阻阻值計(jì)算公式為：

(3)

芯片的最大的VSET值為2 V,而DFB激光器中內(nèi)部的溫度傳感器為10 kΩ的熱電阻,因此需要提供100 μA的偏置電流,RBIAS選擇20 kΩ。

WTC3243的VSET引腳連接到DAC的輸出電壓引腳進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。當(dāng)DFB激光器的工作溫度和預(yù)設(shè)溫度相同時(shí),MCP4822輸出電壓保持穩(wěn)定,該器件驅(qū)動(dòng)TEC電流為0。當(dāng)激光器溫度和預(yù)設(shè)溫度不同時(shí),MCU計(jì)算并命令MCP4822輸出相應(yīng)的電壓值,該器件改變驅(qū)動(dòng)TEC電流大小和方向,進(jìn)行制冷或者加熱,控制激光器工作溫度等于預(yù)設(shè)溫度,并且保持穩(wěn)定。

3.4 恒流驅(qū)動(dòng)電路

恒流驅(qū)動(dòng)電路的主要芯片為WLD3343,是美國Wavelength公司研制的專門用來驅(qū)動(dòng)激光器的器件,該芯片有恒功率模式和恒電流模式,本設(shè)計(jì)采用恒電流驅(qū)動(dòng)模式,最大的驅(qū)動(dòng)電流可以達(dá)到2A,驅(qū)動(dòng)電流的穩(wěn)定度為200 ppm。該芯片的外圍器件的連接圖如圖6所示,芯片通過設(shè)置VSET引腳上的電壓來設(shè)置激光器的驅(qū)動(dòng)電流,單片機(jī)管腳PA0控制激光器的關(guān)斷,電流監(jiān)控腳IMON通過RC濾波后進(jìn)入單片機(jī)內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換,獲取實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)電流,DFB激光器從電壓源獲取電流,然后從OUTA引腳輸入到WLD3343內(nèi)部的恒流源。

圖6 WLD3343外圍器件連接圖Fig.6 The diagram of components surrounding WTC3343

WLD3343最大驅(qū)動(dòng)電流由RS+和RS-之間的電阻阻值來確定,計(jì)算公式如下：

(4)

本文采用的DFB激光器最大電流為120 mA,為保護(hù)激光器,此處選用的電阻為10 Ω,即最大的輸出電流為100 mA。

在恒流驅(qū)動(dòng)模式,可以通過芯片IMON引腳上的電壓監(jiān)測DFB的驅(qū)動(dòng)電流,該電壓值和驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系為：

VIMON=2×ILD×RSENSE[V]

(5)

因此,加載到VSET引腳上的電壓與和激光器的實(shí)際驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系如下：

(6)

在TDLAS實(shí)際應(yīng)用中,激光器的驅(qū)動(dòng)電流既可以通過MCU控制DAC產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓直接控制,同時(shí)外部的調(diào)制和掃描電壓通過BNC接口輸入到電壓設(shè)置端,實(shí)現(xiàn)氣體的波長調(diào)制功能。

3.5 DAC驅(qū)動(dòng)輸出

DFB驅(qū)動(dòng)的工作溫度和注入電流的控制電平是通過集成內(nèi)部參考的DAC轉(zhuǎn)換器MCP4822,與MCU采用SPI通信方式連接。MCP4822是美國Microchip公司生產(chǎn)的高精度、低功耗、低成本高度集成化的模數(shù)轉(zhuǎn)換器,主要參數(shù)：雙通道12位DAC、內(nèi)部集成2.048 V的參考電壓(其溫度系數(shù)為50 ppm/℃)、可選2倍參考電壓輸出、單電源(2.7 V 至 5.5 V)、建立時(shí)間4.5 μs,工作電源為-40 ℃至 +125 ℃。MCP4822兩路模擬電壓輸出其中一路用于設(shè)置激光器的工作溫度,另一路設(shè)置注入電流的大小,由于在實(shí)際驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中,溫度和電流的范圍有限,12位的DAC輸出已經(jīng)足夠滿足需求,其外部接口電路如圖7所示。

圖7 MCP4822接口電路Fig.7 MCP4822 interface circuit

4 實(shí)驗(yàn)與討論

由于在TDLAS的實(shí)際應(yīng)用中要求在氣體的吸收帶范圍內(nèi)的波長掃描范圍和穩(wěn)定的激光輸出,為測試驅(qū)動(dòng)電路的性能,針對波長掃描范圍進(jìn)行了線性度實(shí)驗(yàn)和輸出激光的穩(wěn)定進(jìn)行了穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn),激光輸出信號輸入到Bristol 621高精度波長中,波長計(jì)采用USB接口與計(jì)算機(jī)相連,實(shí)驗(yàn)連接圖如圖8所示。

4.1 線性度實(shí)驗(yàn)

線性度實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)步驟是先保持激光器為某一工作溫度,驅(qū)動(dòng)電流從20 mA漸變到80 mA,過程中記錄輸出激光的波數(shù)；其次改變工作溫度,重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。激光器的工作溫度的變化范圍為10～39℃。實(shí)驗(yàn)測得的激光器輸出波長與驅(qū)動(dòng)電流以及溫度的曲線如圖9所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)設(shè)備連接圖Fig.8 Diagram of the experimental system

圖9 不同溫度和不同電流下激光器輸出波長曲線圖Fig.9 Curve of wavenumber under different temperature and current

圖9中,隨著溫度升高,DFB輸出激光的波數(shù)變小,其變化的趨勢基本為線性關(guān)系。另一方面,隨著驅(qū)動(dòng)電流增大,DFB的輸出激光波數(shù)線性的減小,這和DFB的數(shù)據(jù)手冊給出的參數(shù)一致。從圖9可以看出激光器的輸出波數(shù)與驅(qū)動(dòng)電流成反比,不同溫度下的激光器輸出則表現(xiàn)出不同的截距。

為進(jìn)一步描述DFB激光器的驅(qū)動(dòng)電流與波長的線性度,將上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,如圖10(a)和(b)分別是不同溫度下驅(qū)動(dòng)電流與波數(shù)的線性擬合后的相關(guān)系數(shù)R和斜率標(biāo)準(zhǔn)差δ的關(guān)系。從圖10(a)可見隨著溫度的升高,相關(guān)系數(shù)從-0.9958變到-0.99773,其值為負(fù)表示兩者的變化趨勢成反向,并且相關(guān)系數(shù)的絕對值越接近1,其相關(guān)性越好；而擬合后的標(biāo)準(zhǔn)差隨著溫度的上升,其值從7.6084310-4減小到6.0403210-4,斜率標(biāo)準(zhǔn)差越小代表斜率越穩(wěn)定,線性度越好,正如10(b)所示。從圖10可以得出,在選擇CO2吸收峰的時(shí)候,盡可能的選擇溫度高的工作點(diǎn),這樣線性度更高,并且其標(biāo)準(zhǔn)差也小,從而更為準(zhǔn)確控制激光器的調(diào)制。

圖10 不同溫度下的相關(guān)系數(shù)和斜率標(biāo)準(zhǔn)差Fig.10 Pearson's R and Standard Error of slope at different temperature

圖11是溫度為10 ℃、20 ℃、30 ℃、39 ℃時(shí)線性擬合曲線,對比擬合曲線和原始數(shù)據(jù),可得殘差最大為-0.08538個(gè)波數(shù),最小為4.385610-4個(gè)波數(shù)。可見擬合曲線和原始數(shù)據(jù)的偏差很小,DFB輸出波數(shù)和驅(qū)動(dòng)電流具有良好的線性度,可以滿足TDLAS氣體濃度檢測對激光器線性度的要求。

圖11 部分溫度下的線性擬合曲線Fig.11 Linear fitting forsome temperatures

4.2 穩(wěn)定性測試

穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)是測試激光驅(qū)動(dòng)器工作的穩(wěn)定程度,穩(wěn)定度測試分為短時(shí)穩(wěn)定性測試和長時(shí)穩(wěn)定性測試兩部分。

短時(shí)穩(wěn)定性測試實(shí)驗(yàn)方法是固定溫度和驅(qū)動(dòng)電流,然而記錄10 min的輸出波數(shù),采樣間隔為0.15 s,共計(jì)4000個(gè)采樣點(diǎn),再改變驅(qū)動(dòng)電流和溫度重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)。圖12(a)為電流為45 mA時(shí)激光器的輸出波數(shù)曲線圖。通過圖12(a)可以看出在10 min以內(nèi),輸出波數(shù)的差值0.01個(gè)波數(shù),激光器輸出波長滿足實(shí)驗(yàn)所需的穩(wěn)定度。

圖12 35 ℃,45 mA穩(wěn)定度試驗(yàn)Fig.12 Stability test at 35 ℃,45 mA

為了進(jìn)一步分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性,引入Allan方差[11],對存在于光譜探測信號中的激光器自身噪聲、光學(xué)噪聲以及電路的電子噪聲等不同噪聲項(xiàng)進(jìn)行量化。通過Allan方差能清楚地觀測各類噪聲隨積分時(shí)間變化而產(chǎn)生的規(guī)律,可以對各種噪聲源進(jìn)行辨識,評估系統(tǒng)的穩(wěn)定性[12]。當(dāng)溫度為35 ℃、驅(qū)動(dòng)電流為45 mA時(shí),計(jì)算得Allan方差曲線如圖12(b)所示。在5.25 s時(shí),Allan方差得到最小值0.0002597。

長時(shí)間穩(wěn)定性測試實(shí)驗(yàn)方法是將DFB的工作溫度設(shè)為27 ℃注入電流設(shè)為45 mA,此時(shí)輸出波數(shù)在CO2吸收線附近,進(jìn)行24 h的輸出波數(shù)記錄,采樣間隔為0.15 s,共57600個(gè)采樣點(diǎn)。每隔100個(gè)采樣點(diǎn)取一個(gè)點(diǎn),繪制的曲線如圖15所示。由圖13中可以看出輸出波數(shù)最大差值僅有0.0134個(gè)波數(shù)。將圖13中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)帶入式(2),計(jì)算長期穩(wěn)定度為3.9810-7。從所得結(jié)果可以看出數(shù)據(jù)在均值附近離散程度很小,穩(wěn)定性良好。

圖13 輸出波數(shù)長期穩(wěn)定性Fig.13 Long-term stability testof wavenumber

5 結(jié) 論

本驅(qū)動(dòng)電路以STM32F103VET6為主控芯片,通過DAC芯片MCP4822實(shí)現(xiàn)溫控芯片WTC3243和恒流驅(qū)動(dòng)模塊WLD3343的激光恒流恒溫控制。實(shí)驗(yàn)證明,該激光驅(qū)動(dòng)器可以使用輸出的激光波長隨溫度和驅(qū)動(dòng)電流的變化進(jìn)行線性變化,短時(shí)工作時(shí),輸出激光的偏差為0.01個(gè)波數(shù),長時(shí)工作時(shí),波數(shù)偏差0.014個(gè)波數(shù)。該激光器驅(qū)動(dòng)電路具有良好的線性度和很高的穩(wěn)定性,線性相關(guān)系數(shù)大于0.9958、標(biāo)準(zhǔn)差小于7.6084310-4,Allan方差在5 s時(shí)小于2.59710-4,為下一步的基于TDLAS遙感測量的CO2準(zhǔn)確測量奠定了基礎(chǔ)。

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