MAX3740A激光驅(qū)動器的精確功率控制

本文描述并分析了三種可對MAX3740A激光器驅(qū)動器進行精確激光功率控制的電路。介紹了每種電路的原理圖、仿真結(jié)果，及其各自的優(yōu)缺點。

MAX3740A VCSEL激光驅(qū)動器的輸出功率等級可用軟件控制。這可通過其與DS1859數(shù)字電位器配合使用實現(xiàn)，但需要很高的技巧。本文介紹了設計中面臨的挑戰(zhàn)，給出了兩種利用DS1859和一個分立電阻控制輸出功率的方案(方案#1和方案#2)，和一個使用單個運放解決所有分立元件方案缺點的新方案(方案#3)。同時還給出了每種方案中光電二極管電流和電位器電壓關(guān)系的仿真結(jié)果。最后總結(jié)了每種方案的優(yōu)缺點。

對于一個特定應用而言，最佳電路取決于設計者的需求。設計中需要考慮的內(nèi)容包括滿足激光功率等級要求的光電二極管電流，調(diào)節(jié)范圍，以及所需的分辨率。設計者可以利用本文的信息來確定一個特定應用的最佳方案。

挑戰(zhàn)

MAX3740A數(shù)據(jù)資料要求在基準引腳(REF)和功率監(jiān)測光電二極管(MD)之間連接一個電阻來設置光電二極管電流。功率控制環(huán)路根據(jù)此光電二極管電流控制激光二極管輸出強度，以滿足平均光功率的要求。問題在于MD的標稱電壓為1.6V，而REF標稱電壓為1.8V。電阻兩端僅有0.2V來設置光電二極管電流。類似DS1859這樣的數(shù)字電位器所能達到的最小電阻為1K。對應最大電流為200μA。你可以使用一個固定電阻來增加電流，但無法解決大電流時有限的調(diào)節(jié)范圍，非線性，以及較差的分辨率。

使用DS1859的另一個挑戰(zhàn)在于，MAX3740A的MD和REF引腳間的電壓變化范圍很大。雖然兩點間的差值穩(wěn)定在0.2V，但共模電壓變化范圍可達±0.5V。MD對地電壓較大的變化意味著利用其對地之間電阻定義的電流也會有同樣大的變化。

方案#1

此方案中，DS1859可變電阻和一個806Ω的固定電阻并聯(lián)到REF和MD之間，見圖1。固定電阻電流為0.2V/806 = 248μA，可變電阻的電流變化范圍為0.2V/50K (DS1859最大值) = 4μA至0.2V/1K (DS1859最小值) = 200μA。固定電阻和可變電阻的電流和決定流經(jīng)光電二極管的電流。這種方法能夠在低電流時提供高分辨率的非線性響應。而且不受MD電壓變化的影響。

圖1. 方案#1的原理圖

圖2. 方案#1的仿真結(jié)果(X軸為以Ω表示的DS1859電阻值)

圖3. 對方案#1的總結(jié)

方案#2

在此方案中，DS1859連接在MD和地之間，一個243Ω的固定電阻置于REF和MD之間，見圖4。固定電阻的電流為0.2V/243 = 823μA?？勺冸娮璧碾娏髯兓秶鸀椋?.6V (MD標稱電壓)/50K (DS1859最大值) = 32μA至1.6V (MD標稱電壓)/1K (DS1859最小值) = 1600μA。光電二極管的電流等于固定電阻的電流減去可變電阻的電流。這一方法在高電流時提供了較高的分辨率。但電流值強烈依賴于MD的電壓變化。注意光電二極管電流在可變電阻值較低時可能出現(xiàn)負值。圖5為當MD和REF值在±5V范圍內(nèi)變化時光電二極管電流的變化。

圖4. 方案#2的原理圖

圖5. 方案#2中MD和REF值在±0.5V范圍內(nèi)變化時的仿真結(jié)果(X軸為以Ω表示的DS1859電阻值)

圖6. 對方案#2的總結(jié)

方案#3

此方案使用一個小外形(SC70封裝)的運放，MAX4245，連接到REF和MD引腳之間，見圖7。使用與DS1859和MAX3740A相同的電源時，運放輸出電壓VO，與MD、REF - MD值，以及DS1859阻值成比例。這使得經(jīng)過R2的電流與VO與MD的電壓差值成比例。從而抵消掉MD引腳電壓變化帶來的影響，經(jīng)過R2的電流僅依賴于REF - MD，一個穩(wěn)定的0.2V，以及DS1859的阻值。經(jīng)過光電二極管的電流等于經(jīng)過R1的電流(803μA) + 經(jīng)過R2的電流。光電二極管電流是電位器阻值的線性函數(shù)。此電路可以使用任意阻值的電位器，并可提供任意范圍的電流。唯一的限制是運放MAX4245的電流驅(qū)動能力。

運放輸出電壓(VO)可通過下面的公式計算得出。請確認VO電壓不超過運放的最大輸出擺幅。

VO = REF × - (DS1859/R3) + MD × (1 + DS1859/R3)

VO = -REF × DS1859/R3 + MD + MD × DS1859/R3

VO = MD + (MD - REF) × DS1859/R3

VO = MD - 0.2V × DS1859/R3

VO = 1.0V (最小) - 0.2V × 1K (DS1859最小)/10K = 0.98V

VO = 1.0V (最小) - 0.2V × 50K (DS1859最大)/10K = 0V

VO = 2.0V (最大) - 0.2V × 1K (DS1859最小)/10K = 1.98V

VO = 2.0V (最大) - 0.2V × 50K (DS1859最大)/10K = 1.0V

經(jīng)過R2的電流值可通過下面的公式計算得出：

I(R2) = (VO - MD)/R2

I(R2) = VO/R2 - MD/R2

I(R2) = (MD - 0.2V × DS1859/R3)/R2 - MD/R2

I(R2) = MD/R2 - 0.2V × DS1859/R2 × R3 - MD/R2

I(R2) = -0.2V × DS1859/R2 × R3

I(R2) = -DS1859/62,000,000

I(R2) = -1K(DS1859最小)/62,000,000 = -16μA

I(R2) = -50K(DS1859最大)/62,000,000 = -806μA

圖7. 方案#3的原理圖

圖8. 方案#3的仿真結(jié)果(X軸為以Ω表示的DS1859電阻值

圖9. 對方案#3的總結(jié)

總結(jié)

本文介紹了三種用來控制MAX3740A激光驅(qū)動器功率等級的方案。方案#1和#2非常簡單，但是用降低性能換取的。方案#3通過增加了一個運放獲得了非常好的線性控制，而且對器件的變化不敏感。設計者都可以根據(jù)自己的需要挑選最佳的方案。

審核編輯：郭婷