光纖陀螺用光源恒流驅動電路設計

孫廣宇，魯 軍，王子豪

（石家莊鐵道大學 電氣與電子工程學院，河北 石家莊 050003）

引 言

經過將近30年的研究與開發(fā)，光纖陀螺技術在慣性技術領域中愈加成熟，同時已逐步發(fā)展成在軍用和民用領域廣泛應用的主流儀表。光源作為光纖陀螺中唯一的有源光器件，光源的控制驅動是光纖陀螺研究領域的關鍵技術之一。

現(xiàn)今的商用寬帶光源大多是超輻射發(fā)光二極管（SLD），廣泛應用在光纖傳感器和光纖探測器中[1]。在歐美等發(fā)達國家，半導體光源驅動電源研制技術相對成熟，技術水平也較高。德國ICHaus公司研制的IC-WK系列產品已經得到了廣泛應用，一個小小的芯片便集成了大量常用半導體光源功率調制電路；美國ILX Lightwave公司在半導體激光器的驅動電源研制方面也取得了極大成功。國內SLD驅動控制多采用恒流源與制冷電路相結合的方式，吉林大學、哈爾濱工業(yè)大學和浙江大學等高校及中國科學院上海光學精密機械研究所都取得了不錯的成果。但是，國內光源驅動的穩(wěn)定性、功耗以及精度都有待改善和提高。因此，本文針對SLD管芯注入電流對系統(tǒng)的影響設計了恒流驅動電路并進行了精度測試。

1 SLD 特性分析

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

SLD的內部示意圖如圖1所示。在條形發(fā)光區(qū)的另一端構成吸收區(qū)，消除激光效應；同時，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。實際的SLD器件典型長度為300～500 μm，封裝在牢固的殼體內，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體結的“水平”偏振中[3]。

圖1 SLD 內部示意圖Fig. 1 SLD internal schematic

根據SLD的工作原理可知，當管芯溫度或者輸入電流發(fā)生變化時，SLD的輸出功率也會發(fā)生改變。SLD的工作區(qū)大致可分為三部分：當電流較小時，SLD自發(fā)輻射，隨著電流線性增加，SLD的輸出功率會隨之加大；隨著注入電流的繼續(xù)增大，光功率呈指數(shù)關系增大；當增益達到飽和狀態(tài)時，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，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。光源是電流驅動設備，光源的出纖光功率P受驅動電流I、工作點溫度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。所以在光源驅動電路中，只能從管芯工作點溫度T、驅動電流I和輸出光信號這三方面進行控制。本文主要研究驅動電流I對光纖陀螺性能指標的影響，設計了高精度、低功耗的恒流驅動電路，使光源管芯的注入電流滿足系統(tǒng)的要求。

2 恒流驅動電路設計

通過對恒流驅動電路的優(yōu)化設計，可以使恒流值系列化。光纖陀螺（FOG）光源易損且價格昂貴，即使是微秒級的過載驅動脈沖都會擊穿光源[5]。目前，從10 mA到1 A均可提供相應的恒流源，用來滿足不同使用條件、不同設備對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對光源驅動的不同要求外，還具有非常廣泛的通用性。

恒流驅動電路主要用來給非線性負載（光源管芯）提供恒定的驅動電流[6]，這是通過使特定電阻兩側的電壓差不變來實現(xiàn)的。電路有很多實現(xiàn)方法，不同的實現(xiàn)方法有不同的恒流精度，往往相差很大。

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

圖3 恒流驅動電路Fig. 3 Constant current drive circuit

根據運放輸入端的“虛短”性質得，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，計算可得電路輸出電流IA：

式中：Uref為穩(wěn)壓管產生的基準電壓；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SLD光源管芯D1的電流IA與電源電壓無關，電路保證了輸出電流只與基準電壓Uref和電阻R有關。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到很高的精度。

當光源管芯由于外界干擾產生波動時，輸出電壓會隨之發(fā)生變化，通過負載調整率可以衡量電路穩(wěn)壓性能。負載調整率=（空載時輸出電壓-滿載時輸出電壓）/（額定負載時輸出電壓）*100%，表示輸入電壓不變的情況下，在一定范圍內改變負載時，輸出電壓的最大相對變化量。

取輸入電壓為UE，當輸出電流達到電路的性能指標IA=100 mA時，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，測量電路空載及滿載時的輸出電壓，記為UA1和UA2，則ΔUA=0.003 6V，UA=2.5 V時，整理得：

3 恒流精度測試

3.1 誤差分析

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

根據式（4）可知，光源注入電流IA與電阻R呈線性關系。由于電流通過電阻時會使其溫度升高，而溫度的變化也會使電阻阻值波動，所以電阻R的溫度系數(shù)應該盡可能小而且穩(wěn)定[7]。另外，運算放大器的“虛短”是基于運放的深度負反饋原理，而其“虛斷”是由于運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）會引入誤差。為了減小運放引入的誤差，本設計選用的運算放大器必須保證輸入失調電壓、輸入偏置電流和溫漂都小[8]。同時，晶體管Q1的放大系數(shù)同樣會在計算中帶來一定誤差，在進行精度計算以及對恒流源電路分析時也必須要考慮到這一點。

3.2 實驗測試

根據SLD光源管芯注入電流的要求，穩(wěn)壓管D1選取BXZ55C2V4，基準電壓為2.338 V，取電阻R為23.2 Ω，測試電路如圖4所示紅線框部分。實驗平臺如圖5所示，將低功耗、高精度的光源驅動電路置于恒溫箱內，連接SLD光源模塊，檢查電路接口連線。通電預熱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 ℃，結束實驗。實驗平臺如圖5所示，測量SLD光源管芯的注入電流，每隔1 min記錄一組數(shù)據，恒流精度測試結果如表1所示。

圖4 測試電路Fig. 4 Test circuit

圖5 實驗平臺Fig. 5 Experimental platform

表1 恒流精度測試結果Tab. 1 Constant current accuracy test results

實驗結果表明：在環(huán)境溫度（-40～60 ℃）不斷變化的條件下，該低功耗、高精度光源恒流驅動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)實現(xiàn)高精度、高穩(wěn)定性的性能指標。

4 結 論

本文通過對SLD光源工作原理的分析論證，結合中、低精度，低功耗光纖陀螺的性能需求，完成了對傳統(tǒng)恒流源驅動電路的優(yōu)化設計。經測試，電路滿足SLD光源管芯注入電流的精度要求，同時保證了系統(tǒng)的性能需求，為光纖陀螺光源驅動技術的進一步研究與應用提供了參考。