低功耗窄脈沖編碼激光器驅動設計探討

盧唯實　張梓威

摘要：高速窄脈沖激光器因為其高功率密度和高時間分辨率，在激光測距和激光探測領域被廣泛應用。文章介紹了窄脈沖激光器的工作原理，設計出基于特定半導體激光二極管的驅動電路。便攜式移動設備多為電池供電，低功耗是設計的另一個主要方向。通過仿真和樣機測試，證明其可行性。

關鍵詞：半導體激光二極管；窄脈沖激光器；低功耗便攜激光器；激光測距；激光探測 文獻標識碼：A

中圖分類號：TN242 文章編號：1009-2374（2015）12-0024-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.12.012

半導體激光器具有體積小、質量輕、驅動功率較低等特點，在激光制導、測距領域都得到重要應用。由于在激光探測、激光測距領域，激光脈沖質量直接影響其識別能力、抗干擾能力和測距精度。激光脈沖質量和特性取決于所使用的激光二極管和配套的驅動電路的設計。普通的驅動電路通常采用三極管設計，滿足了高速開關的要求，但是驅動能力有限。目前射頻領域高速MOSFET發展迅速，開關速度可以達到納秒級，而且瞬間導通電流大。本文參考了已有設計實例，在總結了相關設計思想的基礎上，通過相關計算，設計出了基于TC1412N和FDS3692的激光器驅動。通過采集和分析實際探測數據，證實了這一設計思路的可行性。

1 總體結構及工作原理

半導體激光器是依靠載流子直接注入而工作的，當驅動電流小于閾值時，激光器輸出光功率近似為零，在驅動電流大于閥值電流以上的一段區域，驅動電流與輸出光功率近似呈線性關系。這樣就可通過調制驅動電流來對LD的輸出光進行直接調制。而且輸出脈沖寬度越小，允許最大輸出功率越大。因此，驅動模塊要能夠提供較大的峰值電流和較窄的電流脈寬。

工作原理如圖1，由控制電路產生觸發信號，觸發信號經過脈沖整形作為功率放大電路的開關信號，脈沖電流經由放電回路激發半導體激光器。

2 電路設計與參數分析

半導體激光器放電回路是驅動電路的核心，由儲能模塊、MOSFET開關、LD組成。脈沖產生及放大電路的核心采用TC1412N，該芯片是一個峰值輸出達到2A的高速MOSFET驅動器，高容性負載驅動能力：1000PF的負載，輸出脈沖上升時間為18ns，脈寬為36ns。放電回路中MOSFET開關器件是核心，它的導通時間和導通電流直接影響輸出能量和脈寬。本文選用FAIRCHILD公司的FDS3692功率MOSFET，其漏極電壓最大可達100V，脈沖電流最大

可達60A，導通時間為26ns，寄生電感小于2nH。

充電過程：當MOSFET開關斷開時，放電回路斷開，電源模塊的輸出電壓經調制后給儲能模塊充電。電壓調制模塊可以改變儲能模塊的充電電壓，進而改變激光脈沖的能量和脈沖寬度。充電過程中，電壓調制模塊還可以穩定輸入電壓，保護電池模塊不受大電流損傷。

經分析圖4可知，影響脈沖質量的主要因素是寄生電感，而電路中寄生電感主要產生于LD的封裝形式。

完成仿真后，通過實驗驗證仿真結果。由觸發電路控制，輸出激光脈沖信號，采用美國thorlabs公司的硅光電探測器DET10A/M探測輸出的激光脈沖，通過Tectronix公司的DPO3052示波器觀察脈沖波形。

通過調整電路中參數進行了多次實驗，最后實際測量的結果脈寬為15ns。

4 結語

本設計結構簡單緊湊、能量效率較高，實現了窄脈沖激光信號的調制輸出和功率控制，非常適用于高分辨率的便攜式激光測距系統，具有廣泛的應用價值。

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作者簡介：盧唯實（1986-），男，吉林遼源人，中國電子科技集團公司光電研究院助理工程師，研究方向：光電

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（責任編輯：周 瓊）