半導體激光器驅動電路設計（兩款半導體電路設計）

一。半導體激光器驅動器輸出電路的設計

隨著科學技術的飛速發(fā)展，半導體激光器技術已深入到國民經濟和國防建設的各個領域。半導體激光器具有其它激光器無法比擬的特性，比如：常見的激光器如He-Ne激光器，采用高壓激發(fā)（約1500V），而半導體激光器采用3～5V的低電壓激發(fā)，相比之下，半導體激光器的激勵方式較為安全，并且效率比普通激光器高數十倍；在一些測量儀器中，選用半導體激光器照明，能滿足單色性好，相干性好，光束準直，精度高等要求，在遠距離通訊、激光雷達、數字信號的存儲和恢復、激光測距、機器人、全息應用、醫(yī)學診斷等方面都有廣泛的應用。但半導體激光器對工作條件要求苛刻，在不適當的工作或存放條件下，會造成性能的急劇惡化乃至失效。所以，使激光器正常工作的激光器驅動電源就顯得尤為重要。因而在實際應用中對激光器驅動器的性能有著很高的要求。

半導體激光器（LD）具有體積小、重量輕、轉換效率高、工作壽命長等優(yōu)點，在工業(yè)、軍事、醫(yī)療等領域得到了廣泛應用。LD是以電流注入作為激勵方式的一種激光器，其使用壽命、工作特性在很大程度上取決于所用驅動電源的性能好壞。

半導體激光器本身的性質決定其抗浪涌沖擊能力差，這就要求驅動電源的穩(wěn)定度高，浪涌沖擊小，因此驅動電源中需要各種保護電路以滿足實際要求。通常用慢啟動電路、TVS（瞬態(tài)抑制器）吸收電路、限流電路等來防止浪涌沖擊及電流過大。但大功率半導體激光器的工作電流較大，并且半導體激光器比較脆弱，傳統(tǒng)的慢啟動電路、TVS吸收電路不能很好地滿足實際要求。

1 半導體激光器驅動器的理論分析

半導體激光器的應用廣泛，因而其相應的驅動技術也顯得越來越重要。半導體激光器的驅動技術通常采用恒電流驅動方式，在此工作方式中，通過電學反饋控制回路，直接提供驅動電流電平的有效控制，由此獲得最低的電流偏差和最高LD（Laser Diode）輸出的穩(wěn)定性。整體的設計思想是運用負反饋原理穩(wěn)定輸出電流，由此獲得最低的電流偏差和最高的電流輸出穩(wěn)定性。驅動器的框圖如圖1所示：

該驅動器由電壓基準電路，末級電路（電流驅動），顯示電路，調制輸入電路，保護電路等部分組成。驅動器工作在恒流的工作方式時，首先由電壓基準產生一個精度及穩(wěn)定度`比較高的基準電壓，然后由電位器對基準電壓進行取樣，并將取樣值送入電壓-電流轉換器，由此獲得受取樣電壓控制的輸出電流。由于該輸出電流不穩(wěn)定，因此我們需要從電流放大器的輸出電流中進行電壓取樣，并將其送回電壓-電流轉換器與基準電壓共同控制運放，從而形成一個深度負反饋的閉環(huán)系統(tǒng)，使得輸出電流保持在設定值上恒定不變［2］。

本文闡述的驅動器采用恒電流驅動，該驅動方式是一種常見的半導體激光器工作方式，當半導體激光器工作在恒電流狀態(tài)時，對驅動器最主要的要求是輸出電流的穩(wěn)定性，這也是驅動器設計需要解決的主要問題。

2負反饋穩(wěn)定輸出電流的原理

所謂反饋是把電子線路的輸出量的全部或一部分，從輸出端通過一定的路徑（反饋網絡）回送到輸入端的過程。如果引入的反饋信號與輸入信號極性相反，削弱了輸入信號的作用，使放大電路的放大倍數降低，則稱為負反饋。在各種放大電路中，利用負反饋的方法來改善各項性能，使電路輸出量（電壓或電流）的變化反饋到輸入端，從而控制輸出端的變化，起到自動調節(jié)的作用。負反饋放大電路主要由基本放大電路及反饋網絡組成，如圖2所示： 在放大電路的輸出端有取樣網絡，對輸出信號V0取樣，放大電路輸入端有相加網絡，用于輸入信號 與反饋信號 的比較，將比較結果作為基本放大電路的輸入信號。

是無反饋時反饋放大電路的放大倍數；F是反饋系數；Vf和V0分別是反饋網絡的輸出和輸入。由于F=Vf／Ｖ0是反饋系數，因此設Af是加入反饋網絡后的放大倍數；

由上式可見，引入負反饋后，放大倍數改變了，放大倍數Af的大小與（|1+AF|）有關。若（|1+AF|），即引入反饋后，放大倍數減小了，這種反饋一般稱為負反饋。引入負反饋后，當輸入信號一定時，負反饋能使輸出保持恒定，就是能維持放大倍數恒定。從數學表達式來看，當反饋很深，（|1+AF|）可簡化為Af≈1/F這就是說，引入負反饋后，放大器的放大倍數只決定于反饋網絡，而與放大器幾乎無關。由于反饋網絡一般都由參數比較穩(wěn)定的無源元件構成，其傳輸系數 十分穩(wěn)定。只要反饋放大器的環(huán)路傳輸 足夠大，放大器的閉環(huán)增益可基本不受影響。

3電流控制原理

由于半導體激光器驅動器輸出電流在幾十毫安至幾安之間，因此本文選定輸出電流為 作為驅動器的輸出電流。由上述分析可知：如果把將負反饋原理應用到驅動器的設計中，可以獲得合適的輸出電流，該驅動器的末級電路（電流驅動）設計如圖3所示。

準電壓Vr送入運放A1的同相端，該運放控制放大器的導通程度，并由此獲得相應的輸出電流，輸出電流在取樣電阻上產生取樣電壓，該取樣電壓經放大后作為反饋電壓反饋回電壓放大器A1的反相輸入端，并與同相輸入端的電壓（即由基準電壓產生并經過前級放大后的電壓）比較，對輸出電壓進行調整，進而對放大器的輸出電流進行調整，使整個閉環(huán)反饋系統(tǒng)處于動態(tài)的平衡中，以達到穩(wěn)定輸出電流的目的。

我們也可以通過公式推倒，可以找出輸出電流I0和控制電壓Vt的關系。

4 仿真結果分析

本文借助于Protel99SE軟件進行仿真分析，來驗證電路設計的準確性。該軟件是以PSPICE為核心，對電子電路不僅能進行直流、交流和瞬態(tài)等基本的電路特性分析，還可以進行參數掃描、靈敏度、蒙特卡諾統(tǒng)計、最壞情況和優(yōu)化分析，并可以將各種仿真分析的結果以波形或圖表的方式直觀地顯示出來，因此它在電子電路的設計中得到了廣泛的應用［1］

瞬態(tài)特性分析

為了檢測輸出電流在一定時間范圍內是否恒定為250 ，因此有必要對電路進行瞬態(tài)特性分析。給輸入端的基準電壓提供一個階躍信號。該信號如圖4所示：階躍信號高電平電壓為5V，脈沖寬度為30s，時間變化范圍為0-50s。觀測R上的電流是否是穩(wěn)定輸出電流。從電路原理分析可知，

根據電路原理選定根據所設置的參數若輸入基準電壓 為5V，經過計算可知輸出電流 約為250 。結果如圖5所示，經過仿真分析驗證了無論時間如何變化，當輸入的基準電壓為5V，輸出電流始終保持250 。

直流掃描分析

因為恒電流驅動電路的輸出電流和基準電壓的關系為：

由公式可見，當電阻參數不變時，I0隨Vr的增加而增加I0與Vr呈線性變化?？梢岳弥绷鲯呙璺治鰜頇z驗這種輸出與輸入的關系。因此選擇Vr作為掃描對象，觀察輸出電流隨基準電壓的變化規(guī)律。仿真結果如圖6所示：

圖6中的曲線反映了基準電壓和輸出電流的關系。從曲線上可以看出，Vr在0-5V范圍內I0隨著Vr的增加而增加。如果要改變輸出電流的大小可以在其他參數不變的情況下通過改變基準電壓來改變輸出電流。例如：輸出電流為200mA ，則輸入電壓等于4V時。所以根據仿真實驗結果可知，可以由輸出電流來確定基準電壓的大小。