調制型半導體激光器恒流驅動電路設計

摘 要:半導體激光器驅動電流的微小變化將直接導致其輸出光強的波動。為實現半導體激光器的穩定功率輸出，基于電壓負反饋原理設計了包含軟啟動和限流保護電路的恒流驅動電路;同時針對為消除背景光的影響而對光源進行調制的需要，設計了包括晶體振蕩電路和分頻電路的集成激光器調制電路。制作具體電路并完成了相關實驗。實驗結果表明該電路能夠提供高穩定度的驅動電流，電流穩定度達0.05%;軟啟動和限流保護電路可保護半導體激光器并提高其抗沖擊能力。調制電路產生半導體激光器調制所需的載波信號并直接完成輸出光調制，通過開關可方便地實現從256 Hz~512 kHz范圍內12種常用調制頻率的選擇。

關鍵詞:半導體激光器; 驅動電路; 恒流; 調制

中圖分類號:TN248.4 文獻標識碼:A

文章編號: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

半導體激光器以其超小型、高效率、結構簡單等優良特性被廣泛應用于科研、國防、醫療、加工等領域，其相應的驅動技術也顯得越來越重要[1]。半導體激光器是理想的電子-光子直接轉換器件，有很高的量子效率，微小的電流變化都將導致其輸出光強的很大變化，因此，半導體激光器的驅動電流要求非常高。半導體激光器的驅動技術通常采用恒流驅動方式，在此工作方式下，通過負反饋原理控制回路，直接提供驅動電流的有效控制[2]。此外，瞬態的電流或電壓尖峰脈沖，以及過流、過壓都會損壞半導體激光器，因此驅動電路中還應考慮特殊的抗電沖擊措施和保護電路[3]。

在一些測量應用中，直流驅動的半導體激光器產生的直流光在測量過程中容易受到緩慢變化的環境光的干擾，導致無法從環境光中分離出所需直流光信號，本文系統信噪比過小，因此要對其進行調制[4]。當半導體激光器進行高速調制時，會出現很復雜的動態特性，如馳豫振蕩、自脈動以及多脈沖等現象。本文對其低頻調制特性進行了實驗研究。

半導體激光器輸出有足夠的穩定性，且可直接調制，它已在光纖系統中得到普遍應用，是傳感器系統的首選光源。本文為光纖系統的光源設計了一種高穩定度驅動電流、可調制、操作簡單且成本低廉的驅動電路。

1 調制型恒流驅動電路方案

本文設計的半導體激光器驅動調制電路由四大部分組成，包括恒流電路、軟啟動、限流保護和調制信號產生電路[5]。恒流電路產生高穩定度驅動電流。軟啟動的作用是消除電路中可能存在的浪涌，防止浪涌對激光器的危害。為避免由于過流等因素引起半導體激光器不可恢復的損壞，則在驅動電路中加入限流保護。調制信號產生電路實現調制和頻率可調。整體電路設計框圖如圖1所示。

圖1 整體電路設計框圖

恒流電路采用電壓負反饋調整電路來實現恒定電流，電路的工作原理見圖2。首先由基準電路產生一個高精度高穩定的電壓基準，當輸入電壓增大或負載變化使得輸出電流發生變化時，取樣電路將獲取一定比例的輸出電壓誤差信息;然后將其與電壓基準比較后，誤差放大電路把放大了的誤差信號施加到調整電路調整輸出電流，從而形成一個深度負反饋的閉環系統，實現對輸出的調節，達到穩定電流的目的[6，7]。

圖2 恒流電路原理圖

2 調制型恒流驅動電路設計

2.1 恒流電路

實際的恒流電路見圖3，基準電壓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。該輸出電流通過取樣電阻Rs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比較，通過三極管Q2對輸出電壓進行調整，進而對半導體激光器的輸出電流進行調整，使整個閉環反饋系統處于動態的平衡中[8]。

圖3 恒流電路圖

2.2 軟啟動

由于在電源開關開啟的瞬間會產生電壓、電流浪涌沖擊，以及外界干擾產生的浪涌影響都有可能造成半導體激光器的擊穿和損壞，因此必須在激光器驅動電路中設計軟啟動電路，即利用RC電路的充放電，實現時間上的延遲，具體電路如圖4所示。開關S1閉合后，電流經電阻R1向電容C3充電，三極管Q基極電壓逐漸升高。隨著電容的充電以及三極管的導通，輸出電壓Vo實現了從0到最大的緩慢上升，直到電容充電飽和后，此時電壓和電流趨于穩定。當電源斷開時，上述過程反向，從而實現電流和電壓的緩慢下降。

圖4 軟啟動電路圖

激光器的軟啟動時間與充電電容和相應電阻有關，當電容充電趨于飽和時，軟啟動電路的輸出電壓可以達到最大。設電源電壓為Vi，電容電壓為Vo，電容充電公式為:

Vo=Vi(1-e-tRC)(1)

根據此公式可以計算電路充放電的時間。

2.3 限流保護

半導體激光器同其他器件一樣，都有正常工作電流，如果電流超過這個范圍，激光器將會被損壞，因此必須把激光器的工作電流限制在設定范圍內[9]。

在圖5中，三極管Q2的發射極電壓作為反饋電壓加在運放A3的同相端，當反饋電壓小于限制電壓V時，運放A3輸出低電平，三極管Q1管導通，此時由三極管Q2輸出電壓;當反饋電壓大于限制電壓V時，運放A3輸出高電平，三極管Q1截止，此時限制了三極管Q2發射極電流的增加，而被限制在某一特定值上。因此即使控制電壓Vr所引起的電流超過設定值，又由于三極管Q1和Q2是串聯在一起的，所以總的電流就會被箝制在設定電流值上。

圖5 限流保護電路

2.4 調制信號產生電路

調制信號產生電路由晶體振蕩電路和分頻電路兩部分組成，用于產生頻率穩定度高，占空比穩定的方波信號。晶體振蕩電路直接由有源晶振產生，振蕩頻率為1 MHz。分頻電路由CMOS集成電路4040實現。1 MHz脈沖信號經4040分頻后，從開關選中的管腳輸出一定頻率，占空比為50 %，幅值為5 V的方波信號。經分頻后的調制頻率分別為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種。電路如圖6所示。

圖6 調制信號產生電路

3 實驗結果

3.1 驅動電流穩定度

驅動電路一個重要技術參數為電流穩定度[10]。電流穩定度是在一定時間內，多次測量通過半導體激光器的電流大小，即穩定度為輸出電流的相對變化量與輸入電流的比值，見式(2)，進行穩定度計算，這里將電流相對變化定義為測量最大值與最小值之差，將測量平均值作為輸入電流值。

γ=ΔI×100%=Imax-Imin×100%(2)

為觀察驅動電路穩定性，用萬用表測量半導體激光器的驅動電流隨時間的變化關系，圖7是在電路中串接電流表來測量電流隨時間的變化得到的曲線。

圖7 半導體激光器驅動電流隨時間的變化曲線

由圖7可以看到，在剛開始的10 min內電流變化明顯，大約在半小時后基本穩定，電流在隨后的3 min內變化幅值為0.01 mA。按照電流穩定度計算公式計算電流的長期穩定度為0.05%。

3.2 軟啟動時間

根據式(1)，當Vo上升到Vi的95%時，大約需要3 s的時間，這時激光器可以穩定工作，且電壓趨于穩定。當電源斷開時，由于電容的放電時間大于充電時間，電壓緩降過程略長。軟啟動其電壓變化的時間特性可借助示波器觀察，圖8和圖9是開啟和關閉電源開關觀察到的電壓隨時間的變化曲線。

圖8 電壓緩升過程圖

圖9 電壓緩降過程圖

從兩圖可以得出，電壓緩升時間約為3.5 s，電壓緩降時間約為4.8 s。在這樣的情況下，激光器就能避免直接的沖擊，起到保護作用。

3.3 驅動調制信號波形

將方波信號接入電路中，通過三極管作用于驅動電流，使其隨著方波信號而變化，調制電路產生的信號波形CH1和調制后的輸出信號波形CH2如圖10所示，其調制頻率分別為1 kHz和2 kHz。

圖10 兩種不同頻率的輸出信號

激光器的輸出直流光通過調制變成了隨方波信號變化的調制光，這種信號在光強調制型光纖測量應用中很普遍。

4 結 語

驅動電路基于電壓負反饋原理，通過恒流驅動方式實現了對半導體激光器注入電流和輸出光強的控制，并能夠提供高穩定度的驅動電流，電流穩定度達0.05%。驅動電路中加入了軟啟動、限流保護等輔助電路，減少了由于浪涌擊穿和過電流導致的半導體激光器的損壞，同時將調制電路和驅動電路有效地結合起來，實現了頻率可調的功能，形成一種結構簡單、性能可靠、體積小、成本低廉的調制型半導體激光器恒流驅動電路。經各項性能測試的結果顯示結合相應的參考補償措施，該電路能滿足基于反射式光強調制的光纖傳感位移測量系統對驅動電路的要求。

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