幾種脈沖恒流源實現形式的研究

荊云波　侯云海　劉東東

摘 要：研究了雪崩管放大電路、儲能網絡配合開關電路、恒流源電路配合高速開關3種用于半導體激光器電源的脈沖恒流源的實現形式，并分析其性能特點。高速放大電路可以獲取納秒級脈寬的脈沖電流；儲能網絡配合開關電路能獲得比較高幅度的脈沖電流；恒流源電路配合高速開關相對于前兩種實現形式，脈沖電流具有更小的紋波，更加穩定。脈沖恒流源作為半導體激光電源的核心部分，對其性能有很大的影響，具有實際的研究價值。

關鍵詞：半導體激光器；恒流源；脈沖電流；窄脈寬

中圖分類號：TN248.4 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.19.009

相對于連續驅動的形式，脈沖驅動使半導體激光器具有更高的光功率，并且激光器脈沖輸出結發熱效應很小，極大地降低了散熱的設計壓力。其獨特的優勢使其在各個領域得到了廣泛的應用。作為半導體激光器驅動電源的核心部分，脈沖恒流源提供高質量的脈沖電流，進而極大地提升了半導體激光器的性能。

脈沖恒流源有多種實現形式，可通過線性放大、儲能網絡配合高速開關管等方式實現。本文將列舉幾種脈沖恒流源的設計方案，著重分析其脈沖電流產生形式，并闡述其對半導體激光器性能的影響。

1 脈沖恒流源的實現

1.1 雪崩管放大電路實現脈沖恒流源

該形式是通過對一定頻率的方波進行整形而獲得所需占空比的脈沖，并用該脈沖觸發下一級的放大電路，從而產生激光二極管所需的脈沖電流。

信號發生器產生的脈沖信號可由74LS123構成的單穩態諧振蕩電路整形，以增強其驅動能力。

脈沖放大電路是由雪崩電路和Marx Bank電路組成的。它采用雪崩晶體管構成前級電路，用于加強觸發脈沖的驅動能力。其電路如圖1所示。

運用這種形式，重復頻率和脈寬指標可以達到比較高的要求。但是，鑒于雪崩晶體管的特性，單個晶體管難以產生較大的脈沖電流，多個并聯使用需要解決數個晶體管同步觸發的問題，以及需要成熟的均流技術。但是，與電壓型控制器件相比，雪崩晶體管的控制難度更高。

1.2 儲能網絡實現脈沖恒流源

采用儲能網絡時，可以通過高速開關電路的通斷實現脈沖輸出。74LS123組成的單穩態觸發器可用于整形555定時器在多諧振蕩模式下產生的周期性方波，從而獲取所需脈寬和頻率的觸發脈沖。

儲能電路主要用于形成脈沖電流，電路設計需保證其在開關器件關閉的時間內完成充能。其電路原理如圖3所示。

圖3中，L1、L2為寄生電感，R1為充電電阻，RL為放電電阻，C1、C2為儲能電容。

儲能電容完全充電的前提是：T≥T1.

為了能夠切出盡量完整的矩形脈沖，則要求脈沖寬度必須小于放電時間。這種制約關系是設計電路是需要重點考慮的。

當充電限流電阻R1=l，放電限流電阻RL=1，儲能電容為C時，充電回路的時間關系可以近似地由經驗公式計算出來。

由式（8）可知，在放電電阻和電容一定的情況下，脈沖電流將由初始電壓U0和脈寬決定。

在納秒級脈寬的前提下，這種形式的脈沖恒流源可獲得高達數十安甚至更高的脈沖電流。其重復頻率由高速開關的觸發脈沖頻率決定，同時，電路實現形式相對簡單。但是，鑒于其儲能電路的放電特性，難以切割出低紋波、高穩定性的脈沖電流。雖然在脈沖幅度上能有所提高，當激光器負載對脈沖電流紋波提出比較高的要求時，很容易對負載造成不可逆的損毀。

1.3 恒流源配合高速開關實現脈沖恒流源

恒流源通過開關電路的高速通斷產生脈沖電流。恒流源的核心電路如圖4所示。

將參考電壓轉化為電流放大器件的電流信號，并將該信號通過放大器進一步放大，將取樣電阻上的電壓反饋給輸出端用于穩流，以提高系統的穩定性。

功率三極管的冗余并聯不僅能獲取大電流，也有均流的性能。為了增強恒流源的驅動能力，采用復合達林頓結構進一步提高輸出電流，同時，也進一步提高了反饋深度和系統運行的穩定性。

當α和β確定后，管T1的基極電流與輸出電流I0成線性關系。至此，控制電壓即可調節輸出電流。

采用這種形式可以獲得高穩定性的脈沖輸出電流，并且脈沖電流從零可調，其觸發脈沖的頻率無限制，理論上可以做的很大。其脈沖電流與其他方式相比也更加穩定，可以極大地降低電流紋波的影響。但是，其脈沖的輸出幅度完全取決于恒流源的性能。要想獲得更高的脈沖輸出，就需要性能更好、輸出更高的恒流源。恒流源電路相對復雜，性能與其他形式的脈沖恒流源電路相比也更加困難。

2 結束語

脈沖恒流源的高性能極大地提高了激光器的激光質量。本文分析了3種脈沖恒流源的實現形式，并對比了其性能。雖然雪崩管放大電路可以產生納秒級脈寬的脈沖電流，卻難以獲得更高的脈沖幅度。儲能網絡配合開關電路在脈沖電流的穩定性方面有所欠缺。相比之下，恒流源不僅能獲得高重復率、短脈寬的驅動脈沖，還具有很低的電流紋波。雖然它的電路結構更加復雜，卻能更好地驅動半導體激光器。

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〔編輯：白潔〕