摘 要:半导体激光器驱动电流的微小变化将直接导致其输出光强的波动。为实现半导体激光器的稳定功率输出,基于电压负反馈原理设计了包含软启动和限流保护电路的恒流驱动电路;同时针对为消除背景光的影响而对光源进行调制的需要,设计了包括晶体振荡电路和分频电路的集成激光器调制电路。制作具体电路并完成了相关实验。实验结果表明该电路能够提供高稳定度的驱动电流,电流稳定度达0.05%;软启动和限流保护电路可保护半导体激光器并提高其抗冲击能力。调制电路产生半导体激光器调制所需的载波信号并直接完成输出光调制,通过开关可方便地实现从256 Hz~512 kHz范围内12种常用调制频率的选择。
关键词:半导体激光器; 驱动电路; 恒流; 调制
中图分类号:TN248.4 文献标识码:A
文章编号:1004-373X(2010)07-0092-03
Design of Modulation Constant Current Driving Circuit for Laser Diode
WANG Dong, Lü Yong
(School of Photoelectronic Information and Communication Engineering, Beijing Information Science and Technology University, Beijing 100192,China)
Abstract: Small change of driving current can directly affect the output light intensity of the laser diode. In order to obtain stable output, based on the voltage negative feedback principle, a constant current driving circuit is designed which also contains slow turn-on and current limit circuits. The modulation of the light source is needed to eliminate the influence of the background light, therefore an integral modulation circuit for laser diode is designed. The results prove that it can provide high stability driving current, the stability of current is up to 0.05%. Slow turn-on and current limit circuits can ensure laser diode operating safety. The integral modulation circuit produces carrier signal needed for laser diode modulation and directly modulates output optical intensity. Twelve kinds of commonly used modulation frequency can be easily selected by switches from 256 Hz to 512 kHz.
Key words: semiconductor laser; driving circuit; constant current; modulation
0 引 言
半导体激光器以其超小型、高效率、结构简单等优良特性被广泛应用于科研、国防、医疗、加工等领域,其相应的驱动技术也显得越来越重要[1]。半导体激光器是理想的电子-光子直接转换器件,有很高的量子效率,微小的电流变化都将导致其输出光强的很大变化,因此,半导体激光器的驱动电流要求非常高。半导体激光器的驱动技术通常采用恒流驱动方式,在此工作方式下,通过负反馈原理控制回路,直接提供驱动电流的有效控制[2]。此外,瞬态的电流或电压尖峰脉冲,以及过流、过压都会损坏半导体激光器,因此驱动电路中还应考虑特殊的抗电冲击措施和保护电路[3]。
在一些测量应用中,直流驱动的半导体激光器产生的直流光在测量过程中容易受到缓慢变化的环境光的干扰,导致无法从环境光中分离出所需直流光信号,本文系统信噪比过小,因此要对其进行调制[4]。当半导体激光器进行高速调制时,会出现很复杂的动态特性,如驰豫振荡、自脉动以及多脉冲等现象。本文对其低频调制特性进行了实验研究。
半导体激光器输出有足够的稳定性,且可直接调制,它已在光纤系统中得到普遍应用,是传感器系统的首选光源。本文为光纤系统的光源设计了一种高稳定度驱动电流、可调制、操作简单且成本低廉的驱动电路。
1 调制型恒流驱动电路方案
本文设计的半导体激光器驱动调制电路由四大部分组成,包括恒流电路、软启动、限流保护和调制信号产生电路[5]。恒流电路产生高稳定度驱动电流。软启动的作用是消除电路中可能存在的浪涌,防止浪涌对激光器的危害。为避免由于过流等因素引起半导体激光器不可恢复的损坏,则在驱动电路中加入限流保护。调制信号产生电路实现调制和频率可调。整体电路设计框图如图1所示。
图1 整体电路设计框图
恒流电路采用电压负反馈调整电路来实现恒定电流,电路的工作原理见图2。首先由基准电路产生一个高精度高稳定的电压基准,当输入电压增大或负载变化使得输出电流发生变化时,取样电路将获取一定比例的输出电压误差信息;然后将其与电压基准比较后,误差放大电路把放大了的误差信号施加到调整电路调整输出电流,从而形成一个深度负反馈的闭环系统,实现对输出的调节,达到稳定电流的目的[6,7]。
图2 恒流电路原理图
2 调制型恒流驱动电路设计
2.1 恒流电路
实际的恒流电路见图3,基准电压Vr送入运放A1的同相端,该运放控制放大器的导通程度,并由此获得相应的输出电流。该输出电流通过取样电阻Rs产生取样电压,该取样电压经放大后作为反馈电压反馈回电压放大器A1的反相输入端,并与同相输入端的电压比较,通过三极管Q2对输出电压进行调整,进而对半导体激光器的输出电流进行调整,使整个闭环反馈系统处于动态的平衡中[8]。
图3 恒流电路图
2.2 软启动
由于在电源开关开启的瞬间会产生电压、电流浪涌冲击,以及外界干扰产生的浪涌影响都有可能造成半导体激光器的击穿和损坏,因此必须在激光器驱动电路中设计软启动电路,即利用RC电路的充放电,实现时间上的延迟,具体电路如图4所示。开关S1闭合后,电流经电阻R1向电容C3充电,三极管Q基极电压逐渐升高。随着电容的充电以及三极管的导通,输出电压Vo实现了从0到最大的缓慢上升,直到电容充电饱和后,此时电压和电流趋于稳定。当电源断开时,上述过程反向,从而实现电流和电压的缓慢下降。
图4 软启动电路图
激光器的软启动时间与充电电容和相应电阻有关,当电容充电趋于饱和时,软启动电路的输出电压可以达到最大。设电源电压为Vi,电容电压为Vo,电容充电公式为:
Vo=Vi(1-e-tRC)(1)
根据此公式可以计算电路充放电的时间。
2.3 限流保护
半导体激光器同其他器件一样,都有正常工作电流,如果电流超过这个范围,激光器将会被损坏,因此必须把激光器的工作电流限制在设定范围内[9]。
在图5中,三极管Q2的发射极电压作为反馈电压加在运放A3的同相端,当反馈电压小于限制电压V时,运放A3输出低电平,三极管Q1管导通,此时由三极管Q2输出电压;当反馈电压大于限制电压V时,运放A3输出高电平,三极管Q1截止,此时限制了三极管Q2发射极电流的增加,而被限制在某一特定值上。因此即使控制电压Vr所引起的电流超过设定值,又由于三极管Q1和Q2是串联在一起的,所以总的电流就会被箝制在设定电流值上。
图5 限流保护电路
2.4 调制信号产生电路
调制信号产生电路由晶体振荡电路和分频电路两部分组成,用于产生频率稳定度高,占空比稳定的方波信号。晶体振荡电路直接由有源晶振产生,振荡频率为1 MHz。分频电路由CMOS集成电路4040实现。1 MHz脉冲信号经4040分频后,从开关选中的管脚输出一定频率,占空比为50 %,幅值为5 V的方波信号。经分频后的调制频率分别为256 Hz,512 Hz,1 kHz,2 kHz,4 kHz,8 kHz,16 kHz,32 kHz,64 kHz,128 kHz,256 kHz,512 kHz共12种。电路如图6所示。
图6 调制信号产生电路
3 实验结果
3.1 驱动电流稳定度
驱动电路一个重要技术参数为电流稳定度[10]。电流稳定度是在一定时间内,多次测量通过半导体激光器的电流大小,即稳定度为输出电流的相对变化量与输入电流的比值,见式(2),进行稳定度计算,这里将电流相对变化定义为测量最大值与最小值之差,将测量平均值作为输入电流值。
γ=ΔI×100%=Imax-Imin×100%(2)
为观察驱动电路稳定性,用万用表测量半导体激光器的驱动电流随时间的变化关系,图7是在电路中串接电流表来测量电流随时间的变化得到的曲线。
图7 半导体激光器驱动电流随时间的变化曲线
由图7可以看到,在刚开始的10 min内电流变化明显,大约在半小时后基本稳定,电流在随后的3 min内变化幅值为0.01 mA。按照电流稳定度计算公式计算电流的长期稳定度为0.05%。
3.2 软启动时间
根据式(1),当Vo上升到Vi的95%时,大约需要3 s的时间,这时激光器可以稳定工作,且电压趋于稳定。当电源断开时,由于电容的放电时间大于充电时间,电压缓降过程略长。软启动其电压变化的时间特性可借助示波器观察,图8和图9是开启和关闭电源开关观察到的电压随时间的变化曲线。
图8 电压缓升过程图
图9 电压缓降过程图
从两图可以得出,电压缓升时间约为3.5 s,电压缓降时间约为4.8 s。在这样的情况下,激光器就能避免直接的冲击,起到保护作用。
3.3 驱动调制信号波形
将方波信号接入电路中,通过三极管作用于驱动电流,使其随着方波信号而变化,调制电路产生的信号波形CH1和调制后的输出信号波形CH2如图10所示,其调制频率分别为1 kHz和2 kHz。
图10 两种不同频率的输出信号
激光器的输出直流光通过调制变成了随方波信号变化的调制光,这种信号在光强调制型光纤测量应用中很普遍。
4 结 语
驱动电路基于电压负反馈原理,通过恒流驱动方式实现了对半导体激光器注入电流和输出光强的控制,并能够提供高稳定度的驱动电流,电流稳定度达0.05%。驱动电路中加入了软启动、限流保护等辅助电路,减少了由于浪涌击穿和过电流导致的半导体激光器的损坏,同时将调制电路和驱动电路有效地结合起来,实现了频率可调的功能,形成一种结构简单、性能可靠、体积小、成本低廉的调制型半导体激光器恒流驱动电路。经各项性能测试的结果显示结合相应的参考补偿措施,该电路能满足基于反射式光强调制的光纤传感位移测量系统对驱动电路的要求。
参考文献
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