多路半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

梅劍春,葉 青，田建國(guó)

(1.南開(kāi)大學(xué) 現(xiàn)代應(yīng)用技術(shù)研究院，天津 300071； 2.南開(kāi)大學(xué) 物理科學(xué)學(xué)院，天津 300071；3. 南開(kāi)大學(xué) 弱光非線性光子學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300071)

引 言

半導(dǎo)體激光器(laser diode，LD)也稱激光二極管，是一種以半導(dǎo)體材料為工作物質(zhì)的激光器[1]，具有體積小、效率高、可靠性強(qiáng)、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在光存儲(chǔ)、光通訊、激光打印、精密測(cè)距、水質(zhì)分析、食品分析、農(nóng)藥殘留分析、空氣污染物分析等領(lǐng)域[2-5]。在光傳感分析或者其它科學(xué)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，不僅要求光源有很高的穩(wěn)定性，而且由于不同應(yīng)用所需的波長(zhǎng)各不相同[6-7]，經(jīng)常要求切換波長(zhǎng)，需要多個(gè)波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器分時(shí)切換工作[8]。半導(dǎo)體激光器輸出的波長(zhǎng)展布在一個(gè)很寬的范圍上，其波長(zhǎng)范圍在0.3μm～34μm之間[9]，常見(jiàn)的波長(zhǎng)有375nm,405nm,450nm,473nm,520nm,635nm,660nm,685nm,785nm,830nm,850nm,1310nm和1550nm等。雖然成本比發(fā)光二極管(light emitting diode，LED)要高很多，但半導(dǎo)體激光器發(fā)射光的單色性、方向性和亮度都要更好。

作者設(shè)計(jì)了一種可以分時(shí)切換的多路半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電路，可以支持多個(gè)半導(dǎo)體激光器。與之前每個(gè)驅(qū)動(dòng)電路只能驅(qū)動(dòng)一個(gè)激光器相比[10-11]，極大地降低了驅(qū)動(dòng)電路的體積。該電路通過(guò)多路選擇開(kāi)關(guān)和多路模擬開(kāi)關(guān)分別實(shí)現(xiàn)LD和光敏二極管(photodiode，PD)的切換，由數(shù)模(digital to analog,DA)設(shè)置不同的工作點(diǎn)電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同型號(hào)激光二極管的驅(qū)動(dòng)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

為了保持半導(dǎo)體激光器輸出功率的穩(wěn)定性，不能僅采用恒流控制。由于每個(gè)激光管的特性曲線不完全一致，相同的工作電流驅(qū)動(dòng)下的輸出光功率并不相同。而且，半導(dǎo)體激光器長(zhǎng)期運(yùn)用之后 ,外微分量子效率將發(fā)生變化,從而影響其輸出特性[12-13]。為了提高輸出光的穩(wěn)定性，半導(dǎo)體激光器一般的封裝內(nèi)部都會(huì)有一個(gè)PD[14]用來(lái)反饋輸出光的功率。輸出光功率越大，PD輸出電流越大，輸出光功率越小，PD輸出電流越小。只要保持PD輸出電流的穩(wěn)定，即可保持LD輸出光功率的穩(wěn)定性。

驅(qū)動(dòng)電路的原理框圖如圖1所示。從電源開(kāi)始分成3條路徑流至恒流源，一條流經(jīng)三極管Q1，一條流經(jīng)金屬-氧化物半導(dǎo)體(metal-oxide-semiconductor,MOS)場(chǎng)效應(yīng)管Q2，最后一條通過(guò)多路選擇開(kāi)關(guān)流經(jīng)指定的激光二極管。為了保證恒流源工作的穩(wěn)定性，恒流源一直保持在打開(kāi)狀態(tài)。恒流源輸出的電流通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DA2設(shè)置為對(duì)應(yīng)激光器的最大驅(qū)動(dòng)電流，防止電流過(guò)大損壞激光器。

Fig.1 Block diagram of driving circuit

緩啟動(dòng)電路用來(lái)調(diào)節(jié)MOS管Q2的柵極電壓，當(dāng)柵極電壓為高電平時(shí)，Q2導(dǎo)通。由于MOS導(dǎo)通電阻極小，恒流源全部電流從Q2流過(guò)，LD被旁路，所以LD處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)需要打開(kāi)LD時(shí)，Q2的柵極電壓逐漸降低，流經(jīng)Q2的電流逐漸減小，所以流經(jīng)LD的電流逐漸增大。這樣可以保證LD被緩慢點(diǎn)亮，防止沖擊電流對(duì)其壽命產(chǎn)生影響。

被點(diǎn)亮的激光二極管中的PD反饋電流通過(guò)多路模擬開(kāi)關(guān)之后，進(jìn)入電流-電壓(I-V)轉(zhuǎn)換，變成電壓信號(hào)。該電壓信號(hào)與用戶控制的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DA輸出的工作點(diǎn)電壓進(jìn)行比較，之后通過(guò)比較器來(lái)調(diào)整PNP三極管Q1的基極電壓。當(dāng)LD亮度降低時(shí)，PD反饋電流降低，I-V轉(zhuǎn)換之后的電壓小于DA設(shè)置的工作點(diǎn)電壓，Q1的基極電壓升高，流經(jīng)Q1的電流減小。正常工作時(shí)，Q2處于完全截止?fàn)顟B(tài)，恒流源電流不變，所以流經(jīng)LD的電流增加，LD亮度增加,反之亦然。通過(guò)PD電流的反饋實(shí)現(xiàn)了LD輸出光強(qiáng)的恒定。由于不同激光二極管的PD反饋電流不同，切換不同的激光二極管時(shí)，要通過(guò)DA設(shè)置不同的工作點(diǎn)電壓。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 恒流源電路設(shè)計(jì)

恒流源電路如圖2所示。其恒流源部分的主回路是電流從上方流入，流經(jīng)R1和Q3之后回到大地。其中R1是采樣電阻，采用高精度低溫漂的金屬膜電阻，數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DA2用來(lái)調(diào)節(jié)恒流源的工作電流。本電路中，DA2芯片的型號(hào)是TI公司的TLC5615C，是一款10位精度的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，DA2的REFIN端引入的參考電壓為2.5V，是通過(guò)TI公司的REF5025芯片得到的穩(wěn)定參考電壓。R1兩端的電壓首先通過(guò)運(yùn)算放大器進(jìn)行放大。運(yùn)算放大器OP1為電壓跟隨器，運(yùn)算放大器OP2為差分電壓放大電路。放大之后的電壓與DA設(shè)置的電壓進(jìn)行比較積分，最終通過(guò)調(diào)節(jié)Q3的基極電壓來(lái)調(diào)整工作電流。當(dāng)恒流源輸出電流變小時(shí)，R1兩端電壓變小，通過(guò)OP2放大之后的電壓小于DA設(shè)置的電壓，OP3輸出電壓變大，Q3的基極電壓變大，所以流經(jīng)Q3的電流增加，工作電流變大，從而實(shí)現(xiàn)恒流源的反饋調(diào)節(jié)，反之亦然。其中R1取值5Ω,運(yùn)算放大器OP2的放大倍數(shù)是5倍。DA2設(shè)置的參考電壓最大可以取到2.5V，此時(shí)恒流源輸出電流最大，可達(dá)100mA。

Fig.2 Block diagram of source circuit of constant current

2.2 緩啟動(dòng)電路

緩啟動(dòng)電路如圖3所示。緩啟動(dòng)電路的輸入電壓與Vref進(jìn)行比較。當(dāng)輸入電壓大于Vref時(shí)，三極管Q4關(guān)閉，電容放電，輸出電壓緩慢降低，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)LD的緩慢點(diǎn)亮。利用電容的充放電過(guò)程實(shí)現(xiàn)LD的緩慢開(kāi)關(guān)，避免沖擊電流對(duì)器件的破壞。由于運(yùn)算放大器的輸入阻抗很高，可以通過(guò)單片機(jī)的輸入/輸出引腳直接驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)激光器的開(kāi)關(guān)。TTL-3.3或者TTL-5.0電平都大于Vref的2.5V，所以本電路支持通用的單片機(jī)型號(hào)。

Fig.3 Circuit with slow start

2.3 激光二極管切換

激光二極管包括內(nèi)部的LD和PD，切換時(shí)LD和PD需要分別切換。其中切換LD用的多路選擇開(kāi)關(guān)芯片型號(hào)是東芝公司的TD62783。這是一款八通道源極驅(qū)動(dòng)器，至少可以切換8路LD，當(dāng)通道更多時(shí)，多增加一個(gè)這款芯片即可。切換PD的模擬開(kāi)關(guān)芯片是ADG508，漏電流較小，采用T型負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)作為I-V轉(zhuǎn)換放大電路，不僅可減小切換穩(wěn)定時(shí)間、加快衰減，而且保證了放大倍數(shù)。詳細(xì)電路參見(jiàn)參考文獻(xiàn)[15]。切換LD和PD之前，首先將緩啟動(dòng)電路的輸入電壓調(diào)整為0V，將Q2導(dǎo)通，使通過(guò)LD的電流為零。然后調(diào)整恒流源的DA2設(shè)置電壓，使恒流源的電流調(diào)整為下一個(gè)要切換的LD對(duì)應(yīng)的最大工作電流。下一步調(diào)整DA設(shè)置的工作點(diǎn)電壓，設(shè)置下一個(gè)LD的工作電流。之后切換LD和PD，最后將緩啟動(dòng)電路的輸入電壓調(diào)高，將新的LD緩慢點(diǎn)亮。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 恒流穩(wěn)定性

調(diào)節(jié)數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DA2，使其輸出電壓達(dá)到最大的2.5V。采用電壓測(cè)量法，測(cè)量采樣電阻R1兩側(cè)的電壓，然后除以R1的阻值計(jì)算恒流源的輸出電流。電路預(yù)熱5min，測(cè)量15min的電壓強(qiáng)度，采樣間隔為1s。測(cè)量結(jié)果如圖4所示。從結(jié)果可知，恒流精度可達(dá)0.005%。

Fig.4 Test results of constant current source stability for 15min

3.2 負(fù)載穩(wěn)定性

利用本文中所研制的驅(qū)動(dòng)電路，對(duì)兩種不同波長(zhǎng)的激光二極管進(jìn)行了測(cè)試。一種是QPHOTONICS公司的830nm激光器，型號(hào)是QSDM-830-2；另外一種是JDS Uniphase公司的1550nm激光器，型號(hào)是CQF915/408-19350。測(cè)試時(shí)，兩種激光器分別開(kāi)機(jī)預(yù)熱5min后，測(cè)量15min穩(wěn)定性，采樣間隔為1s。

測(cè)量時(shí)，由于半導(dǎo)體激光器對(duì)溫度非常敏感，為了避免激光器發(fā)熱及環(huán)境溫度變化的影響[5,12,16]，均外接了溫控電路，利用激光器內(nèi)部的半導(dǎo)體加熱制冷片對(duì)器件進(jìn)行恒溫控制，使溫度穩(wěn)定在25℃。

根據(jù)GB/T 15313[17],輸出功率不穩(wěn)定度ΔP是描述激光光源穩(wěn)定性的重要參量，其計(jì)算公式為：

(1)

式中,ΔPσ是激光輸出功率變化的標(biāo)準(zhǔn)差，P是激光輸出功率的平均值。

在工作范圍之內(nèi)，光敏二極管PD的線性度極好[18]，可以認(rèn)為激光輸出功率正比于激光二極管的PD反饋電流，所以可以通過(guò)測(cè)量激光二極管的PD反饋電流通過(guò)運(yùn)放放大之后的電壓變化來(lái)測(cè)量激光輸出功率的穩(wěn)定性。測(cè)量電壓所用的測(cè)量?jī)x器是Keithley2000，是一款6 1/2位數(shù)字萬(wàn)用表。

測(cè)試結(jié)果如圖5所示。830nm激光二極管的輸出功率不穩(wěn)定度為0.048%;1550nm激光二極管的輸出功率不穩(wěn)定度為0.046%，實(shí)現(xiàn)了光源的穩(wěn)定輸出。

Fig.5 Test results of power stability for 15min

4 結(jié) 論

研制成功一種可以分時(shí)切換的多路激光二極管驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)多路選擇開(kāi)關(guān)和多路模擬開(kāi)關(guān)分別實(shí)現(xiàn)LD和PD的切換，由DA設(shè)置不同的工作點(diǎn)電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同型號(hào)激光二極管的支持。測(cè)試結(jié)果表明，驅(qū)動(dòng)激光二極管光源的穩(wěn)定性符合使用要求。這樣對(duì)于需要切換使用多波長(zhǎng)激光的場(chǎng)合，可以減小驅(qū)動(dòng)電路的體積，縮小器件尺寸。由于激光二極管一般都配套溫度控制器使用，下一步可以繼續(xù)研究多通道溫度控制電路。

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