光纖陀螺用光源恒流驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

孫廣宇，魯 軍，王子豪

（石家莊鐵道大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 石家莊 050003）

引 言

經(jīng)過(guò)將近30年的研究與開發(fā)，光纖陀螺技術(shù)在慣性技術(shù)領(lǐng)域中愈加成熟，同時(shí)已逐步發(fā)展成在軍用和民用領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的主流儀表。光源作為光纖陀螺中唯一的有源光器件，光源的控制驅(qū)動(dòng)是光纖陀螺研究領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。

現(xiàn)今的商用寬帶光源大多是超輻射發(fā)光二極管（SLD），廣泛應(yīng)用在光纖傳感器和光纖探測(cè)器中[1]。在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，半導(dǎo)體光源驅(qū)動(dòng)電源研制技術(shù)相對(duì)成熟，技術(shù)水平也較高。德國(guó)ICHaus公司研制的IC-WK系列產(chǎn)品已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，一個(gè)小小的芯片便集成了大量常用半導(dǎo)體光源功率調(diào)制電路；美國(guó)ILX Lightwave公司在半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)電源研制方面也取得了極大成功。國(guó)內(nèi)SLD驅(qū)動(dòng)控制多采用恒流源與制冷電路相結(jié)合的方式，吉林大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和浙江大學(xué)等高校及中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所都取得了不錯(cuò)的成果。但是，國(guó)內(nèi)光源驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)定性、功耗以及精度都有待改善和提高。因此，本文針對(duì)SLD管芯注入電流對(duì)系統(tǒng)的影響設(shè)計(jì)了恒流驅(qū)動(dòng)電路并進(jìn)行了精度測(cè)試。

1 SLD 特性分析

SLD是一種特性介于LED和LD之間的光源[2]。在高電流強(qiáng)度下，二極管的激活區(qū)由雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)成，能夠反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，所以這種光源能放大光。與一般LED相比，SLD光束功率強(qiáng)，限定性好，但是在單色性、定向性和相干性方面仍顯不足。

SLD的內(nèi)部示意圖如圖1所示。在條形發(fā)光區(qū)的另一端構(gòu)成吸收區(qū)，消除激光效應(yīng)；同時(shí)，為了降低反向反射光，將窄條形激光器的端面研磨出合適的斜角，斜角之間滿足折射定律，使反射光不能耦合回光源中，而折射光得到全部傳輸。實(shí)際的SLD器件典型長(zhǎng)度為300～500 μm，封裝在牢固的殼體內(nèi)，并且尾纖在二極管的發(fā)射端口前焊接。SLD發(fā)射的是部分偏振光，有70%～80%的功率在平行于半導(dǎo)體結(jié)的“水平”偏振中[3]。

圖1 SLD 內(nèi)部示意圖Fig. 1 SLD internal schematic

根據(jù)SLD的工作原理可知，當(dāng)管芯溫度或者輸入電流發(fā)生變化時(shí)，SLD的輸出功率也會(huì)發(fā)生改變。SLD的工作區(qū)大致可分為三部分：當(dāng)電流較小時(shí)，SLD自發(fā)輻射，隨著電流線性增加，SLD的輸出功率會(huì)隨之加大；隨著注入電流的繼續(xù)增大，光功率呈指數(shù)關(guān)系增大；當(dāng)增益達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，輸出光功率呈線性變化。另外，SLD的光譜特性也與注入電流和管芯溫度有關(guān)，隨著注入電流的增大和溫度升高，SLD的半最大值全寬（FWHM）將變小。

SLD光電特性如圖2所示。光源是電流驅(qū)動(dòng)設(shè)備，光源的出纖光功率P受驅(qū)動(dòng)電流I、工作點(diǎn)溫度T、發(fā)光面S以及光源與光纖的耦合效率η等參數(shù)的影響[4]，可表示為：

圖2 SLD 光電特性圖Fig. 2 Photoelectric characteristics

光源在出廠前，其發(fā)光面S以及光源與光纖的耦合效率η已經(jīng)固定，除環(huán)境因素稍有影響外，用戶不能再人為控制。所以在光源驅(qū)動(dòng)電路中，只能從管芯工作點(diǎn)溫度T、驅(qū)動(dòng)電流I和輸出光信號(hào)這三方面進(jìn)行控制。本文主要研究驅(qū)動(dòng)電流I對(duì)光纖陀螺性能指標(biāo)的影響，設(shè)計(jì)了高精度、低功耗的恒流驅(qū)動(dòng)電路，使光源管芯的注入電流滿足系統(tǒng)的要求。

2 恒流驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)恒流驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以使恒流值系列化。光纖陀螺（FOG）光源易損且價(jià)格昂貴，即使是微秒級(jí)的過(guò)載驅(qū)動(dòng)脈沖都會(huì)擊穿光源[5]。目前，從10 mA到1 A均可提供相應(yīng)的恒流源，用來(lái)滿足不同使用條件、不同設(shè)備對(duì)恒流源輸出電流的要求。所以，此恒流源電路除了能滿足不同F(xiàn)OG對(duì)光源驅(qū)動(dòng)的不同要求外，還具有非常廣泛的通用性。

恒流驅(qū)動(dòng)電路主要用來(lái)給非線性負(fù)載（光源管芯）提供恒定的驅(qū)動(dòng)電流[6]，這是通過(guò)使特定電阻兩側(cè)的電壓差不變來(lái)實(shí)現(xiàn)的。電路有很多實(shí)現(xiàn)方法，不同的實(shí)現(xiàn)方法有不同的恒流精度，往往相差很大。

SLD恒流驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。圖中D1為SLD光源管芯，其負(fù)端接地，作為恒流源負(fù)載；使用LM324作為電路的集成運(yùn)算放大器；Q1是硅PNP外延平面晶體管（BD136）；D2為穩(wěn)壓管，用來(lái)產(chǎn)生輸入端的基準(zhǔn)電壓信號(hào)；C1為電容器，提供無(wú)功電流，減小了電路的無(wú)功損耗，提高功率因數(shù)；電路的輸入電壓為5 V。

圖3 恒流驅(qū)動(dòng)電路Fig. 3 Constant current drive circuit

根據(jù)運(yùn)放輸入端的“虛短”性質(zhì)得，LM324輸入端有：

由此可得精密電阻R兩端的電壓值即為穩(wěn)壓管D2兩端的電壓值Uref，計(jì)算可得電路輸出電流IA：

式中：Uref為穩(wěn)壓管產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓；β為功放管BD136的放大系數(shù)。若β足夠大，則有

由上式可知，流過(guò)SLD光源管芯D1的電流IA與電源電壓無(wú)關(guān)，電路保證了輸出電流只與基準(zhǔn)電壓Uref和電阻R有關(guān)。如果Uref足夠穩(wěn)定、R溫度系數(shù)很小，電路提供的輸出電流就能達(dá)到很高的精度。

當(dāng)光源管芯由于外界干擾產(chǎn)生波動(dòng)時(shí)，輸出電壓會(huì)隨之發(fā)生變化，通過(guò)負(fù)載調(diào)整率可以衡量電路穩(wěn)壓性能。負(fù)載調(diào)整率=（空載時(shí)輸出電壓-滿載時(shí)輸出電壓）/（額定負(fù)載時(shí)輸出電壓）*100%，表示輸入電壓不變的情況下，在一定范圍內(nèi)改變負(fù)載時(shí)，輸出電壓的最大相對(duì)變化量。

取輸入電壓為UE，當(dāng)輸出電流達(dá)到電路的性能指標(biāo)IA=100 mA時(shí)，輸出電壓為UA。接通電路，穩(wěn)定光源管芯電流使其在規(guī)定范圍內(nèi)，測(cè)量電路空載及滿載時(shí)的輸出電壓，記為UA1和UA2，則ΔUA=0.003 6V，UA=2.5 V時(shí)，整理得：

3 恒流精度測(cè)試

3.1 誤差分析

該恒流源電路解決了由電壓源波動(dòng)而引起的影響。但是，由于FOG內(nèi)部空間狹小，所有電路共用同一5 V電壓源，不同電路同時(shí)工作時(shí)由于共地，各部分會(huì)相互影響，這些也可能會(huì)降低恒流精度。因此，在實(shí)際應(yīng)用中必須保證不同電路之間的影響盡可能小，要實(shí)現(xiàn)這一要求，目前依然有一定的難度。

根據(jù)式（4）可知，光源注入電流IA與電阻R呈線性關(guān)系。由于電流通過(guò)電阻時(shí)會(huì)使其溫度升高，而溫度的變化也會(huì)使電阻阻值波動(dòng)，所以電阻R的溫度系數(shù)應(yīng)該盡可能小而且穩(wěn)定[7]。另外，運(yùn)算放大器的“虛短”是基于運(yùn)放的深度負(fù)反饋原理，而其“虛斷”是由于運(yùn)算放大器的輸入電阻很高。所以，它們是近似的兩輸入端“虛假短接”和“虛假斷路”，因此式（3）會(huì)引入誤差。為了減小運(yùn)放引入的誤差，本設(shè)計(jì)選用的運(yùn)算放大器必須保證輸入失調(diào)電壓、輸入偏置電流和溫漂都小[8]。同時(shí)，晶體管Q1的放大系數(shù)同樣會(huì)在計(jì)算中帶來(lái)一定誤差，在進(jìn)行精度計(jì)算以及對(duì)恒流源電路分析時(shí)也必須要考慮到這一點(diǎn)。

3.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

根據(jù)SLD光源管芯注入電流的要求，穩(wěn)壓管D1選取BXZ55C2V4，基準(zhǔn)電壓為2.338 V，取電阻R為23.2 Ω，測(cè)試電路如圖4所示紅線框部分。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖5所示，將低功耗、高精度的光源驅(qū)動(dòng)電路置于恒溫箱內(nèi)，連接SLD光源模塊，檢查電路接口連線。通電預(yù)熱30 min，使恒溫箱穩(wěn)定在室溫25 ℃保持30 min；然后緩慢降溫至-40 ℃保持30 min；接著緩慢升溫至60 ℃，保持恒溫30 min；再緩慢降溫至室溫25 ℃，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖5所示，測(cè)量SLD光源管芯的注入電流，每隔1 min記錄一組數(shù)據(jù)，恒流精度測(cè)試結(jié)果如表1所示。

圖4 測(cè)試電路Fig. 4 Test circuit

圖5 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig. 5 Experimental platform

表1 恒流精度測(cè)試結(jié)果Tab. 1 Constant current accuracy test results

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在環(huán)境溫度（-40～60 ℃）不斷變化的條件下，該低功耗、高精度光源恒流驅(qū)動(dòng)電路可保證輸出電流穩(wěn)定，SLD光源管芯正常工作，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度、高穩(wěn)定性的性能指標(biāo)。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)SLD光源工作原理的分析論證，結(jié)合中、低精度，低功耗光纖陀螺的性能需求，完成了對(duì)傳統(tǒng)恒流源驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)。經(jīng)測(cè)試，電路滿足SLD光源管芯注入電流的精度要求，同時(shí)保證了系統(tǒng)的性能需求，為光纖陀螺光源驅(qū)動(dòng)技術(shù)的進(jìn)一步研究與應(yīng)用提供了參考。