摘 要： 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)（DTS）中的激光二極管驅(qū)動(dòng)電源。首先研究激光二極管對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的要求及技術(shù)指標(biāo)，比較目前幾種設(shè)計(jì)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，分析雪崩三極管的工作原理和參數(shù)選擇因素，并選擇雪崩三極管ZTX415，最后由同步觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生電路、預(yù)雪崩電路、雪崩電路三部分設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了激光二極管的驅(qū)動(dòng)電源。其中預(yù)雪崩電路采用開關(guān)三極管獲得納秒級(jí)脈沖并進(jìn)行功率放大，降低了對(duì)雪崩三極管的參數(shù)要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)合理，參數(shù)正確，并已成功應(yīng)用于光纖測(cè)溫系統(tǒng)中。

關(guān)鍵詞： DTS； 激光二極管； 雪崩三極管； 觸發(fā)信號(hào)

中圖分類號(hào)： TN86?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）24?0159?04

Design of driving power for laser diode

ZHAO Tao， CHEN Yumin

（School of Information Engineering， Harbin Institute of Technology （Weihai Branch）， Weihai 264209， China）

Abstract： The driving power for laser diode in distributed optical fiber temperature measuring system （DTS） was designed and implemented. The requirements and specifications of the drive power for laser diode are researched. The advantages and disadvantages of several current design methods are compared. The working principle and the preference factors of the avalanche transistor are analyzed， and the avalanche transistor ZTX415 is selected. The driving power of laser diode was designed and implemented with producing circuit of synchronous trigger signal， preliminary avalanche circuit and avalanche circuit. The nanosecond pulse is obtained and power amplification is achieved by switching transistor in preliminary avalanche circuit， which reduces the parameter requirement to avalanche transistor. The experimental results show that the design is reasonable， and the parameters are correct. The design has been successfully applied in DTS.

Keywords： DTS； laser diode； avalanche transistor； trigger signal

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)基于光的時(shí)域反射和背向拉曼散射溫度效應(yīng)成為先進(jìn)的遠(yuǎn)距離溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[1]。該系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)光源、激光二極管、光纖、光電轉(zhuǎn)換器、高速A/D采集及數(shù)據(jù)處理五部分組成。激光二極管在驅(qū)動(dòng)電源作用下產(chǎn)生激光注入光纖，光纖作為光的載體和傳感元件，光電轉(zhuǎn)換器把接收的散射及反射激光變換為電信號(hào)輸出，經(jīng)高速采集后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。本文利用雪崩三極管設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)電源。

1 激光二極管驅(qū)動(dòng)電源的要求

當(dāng)激光二極管工作在受激輻射狀態(tài)且工作電流大于閾值電流時(shí)，光子獲得凈增益并在腔內(nèi)振蕩發(fā)射出激光，光輸出功率隨電流陡峻上升。由于反射和散射回來(lái)的光功率非常低，僅相當(dāng)于入射光的10-7左右，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成光電流后不過(guò)幾微安，因此系統(tǒng)要求盡量高的入射光功率[2?3]。同時(shí)光脈沖的寬度直接影響了空間分辨率，1 m的空間分辨率需要的光脈沖脈寬要小于10 ns。因此激光二極管的驅(qū)動(dòng)電源要滿足幾點(diǎn)要求：

（1） 激光器產(chǎn)生的峰值功率為6 W，要求驅(qū)動(dòng)電流在8.5 A左右，電流的穩(wěn)定性提出了很高的要求。

（2） 系統(tǒng)要求空間分辨率小于3 m，光脈沖寬度小于30 ns，脈沖的上升沿和下降沿都在5 ns以內(nèi)。

（3） 系統(tǒng)的測(cè)溫時(shí)間越短越好，在綜合考慮測(cè)溫精度及測(cè)試距離的影響下，脈沖光的重復(fù)頻率為3.65 kHz。

（4） 散熱迅速，不累積熱量，以免對(duì)激光管產(chǎn)生不可恢復(fù)的損壞。

目前產(chǎn)生納秒級(jí)電脈沖的方法有數(shù)字電路、功率開關(guān)管、階躍恢復(fù)二極管、閘流管和雪崩晶體管等[4?7]。數(shù)字電路產(chǎn)生納秒脈沖一般由振蕩源和整形電路組成，振蕩源提供觸發(fā)脈沖，整形電路在觸發(fā)脈沖作用下產(chǎn)生輸出脈沖的寬度，一般大于50 ns，并且電流幅值很低；MOS場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)特性比較好，但是上升沿和下降沿也至少5 ns，輸出電流也不能很大。階躍恢復(fù)二極管利用階躍恢復(fù)的特點(diǎn)來(lái)產(chǎn)生高速窄脈沖，可以產(chǎn)生脈沖寬度小于10 ns，幅值也能大于3 A，但是價(jià)格較高，具體的電路設(shè)計(jì)也有一定難度。

雪崩晶體管能同時(shí)提供快速響應(yīng)和較大的峰值功率[8?9]，電路設(shè)計(jì)不復(fù)雜，廣泛應(yīng)用在大電流窄脈沖產(chǎn)生電路中，本設(shè)計(jì)采用了雪崩三極管。

2 雪崩三極管的選擇

在晶體管的集電極加上比正常使用大許多倍的電壓，使集電極的載流子被強(qiáng)電場(chǎng)加速而獲得很大的能量，這些被加速的載流子與晶格發(fā)生碰撞產(chǎn)生新的電子?空穴對(duì)，這些電子?空穴對(duì)又被強(qiáng)電場(chǎng)加速，重復(fù)上述過(guò)程，流過(guò)集電極的電流便像“雪崩”一樣迅速增長(zhǎng)，這種現(xiàn)象被叫做晶體管的雪崩效應(yīng)。具有雪崩效應(yīng)的晶體管稱為雪崩晶體管。NPN型雪崩三極管共發(fā)射極輸出特性如圖1所示。

圖1 NPN型雪崩三極管共發(fā)射極輸出特性

雪崩管在雪崩區(qū)形成負(fù)阻特性，負(fù)阻區(qū)處于BUCEO與BUCBO之間，當(dāng)電流再繼續(xù)加大時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)二次擊穿現(xiàn)象，如圖2所示。

圖2 雪崩三極管二次擊穿曲線

雪崩晶體管在集電極?發(fā)射極端對(duì)外電路呈現(xiàn)電流控制的“S”型負(fù)阻特性，即內(nèi)部存在強(qiáng)烈的正反饋。它與一般消耗能量的正阻相反，負(fù)阻在動(dòng)態(tài)形式下可以存儲(chǔ)與釋放能量，這就是運(yùn)用晶體管的雪崩特性產(chǎn)生大電流、高速脈沖的根本原因。

當(dāng)雪崩過(guò)程發(fā)生時(shí)，集電極電流Ic與射極電流Ie之間的關(guān)系為：

[Ic=α?Ie=αMIE]

[M=11-UcBUcbon]

式中：[α]為雪崩前晶體管的共基極電流增益；[α?]為雪崩效應(yīng)后的晶體管的共基極電流增益；M為雪崩倍增因子；n為與晶體材料有關(guān)的密勒指數(shù)，通常硅材料為3～4。

從上式可以看出，雪崩狀態(tài)下集電極電流隨電壓變化比較急劇。

雪崩晶體管的主要參數(shù)是雪崩上升時(shí)間和雪崩脈沖幅值。擊穿電壓較低的雪崩管具有更快的雪崩上升時(shí)間和較高的脈沖重復(fù)周期，但是脈沖幅度較低，需要正確選擇雪崩管。

（1） BUceo較高且能在圖示儀上看到負(fù)阻或二次擊穿；

（2） BUceo較高且雪崩區(qū)盡量寬一些的管子；

（3） β值要盡量大；

（4） 特性頻率fT盡量高或者開關(guān)時(shí)間盡量?。?/p>

（5） 飽和壓降盡量小。

單級(jí)雪崩電路一般無(wú)法滿足輸出功率的要求，需要多級(jí)并聯(lián)，此時(shí)需要解決同步觸發(fā)問(wèn)題，否則會(huì)加大脈沖寬度。

綜合比較常用雪崩三極管的參數(shù)，最終選擇了ZETEX的雪崩管[8]ZTX415，參數(shù)如表1所示。

表1 ZTX415主要參數(shù)

3 驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)

激光二極管驅(qū)動(dòng)電源的構(gòu)成如圖3所示。觸發(fā)脈沖電路在一定頻率方波作用下觸發(fā)雪崩三極管產(chǎn)生窄脈沖，經(jīng)過(guò)功率放大驅(qū)動(dòng)激光二極管，同時(shí)輸出觸發(fā)脈沖作為系統(tǒng)的同步信號(hào)；溫度控制部分對(duì)激光二極管進(jìn)行恒溫控制，以避免溫度過(guò)高而損壞；低壓、高壓直流電源提供工作電壓。電路分為三級(jí)：同步觸發(fā)信號(hào)、預(yù)雪崩級(jí)、雪崩級(jí)。

圖3 激光器二極管驅(qū)動(dòng)電源框圖

同步觸發(fā)信號(hào)采用555多諧振蕩器產(chǎn)生，如圖4所示。二極管D1和D2使C1的充放電回路不同，改變R1和R2可以調(diào)整占空比。電路中R1=2 kΩ，R2=10 kΩ，C1=0.033 μF，則充電時(shí)間T1≈230 μs，放電時(shí)間T2≈46 μs。

圖4 觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生電路

預(yù)雪崩級(jí)選用雪崩電壓較低的開關(guān)晶體管，獲得峰峰值電流為幾百毫安上升時(shí)間為幾納秒的窄脈沖，提高觸發(fā)脈沖的電流，使雪崩級(jí)的晶體管快速導(dǎo)通以獲得陡峭的脈沖上升沿。電路如圖5所示，觸發(fā)信號(hào)下降沿時(shí)Q1導(dǎo)通，其集電極電流通過(guò)快恢復(fù)二極管D3后經(jīng)過(guò)RC微分電路輸入到預(yù)雪崩管的基極，觸發(fā)信號(hào)上升沿時(shí)Q1截止，微分電容經(jīng)過(guò)R7，R8和R9放電，這樣觸發(fā)信號(hào)經(jīng)過(guò)RC微分電路加速后上升沿更加陡峭。調(diào)整C3的值在一定范圍內(nèi)改變觸發(fā)脈沖的形狀?？旎謴?fù)二極管D3防止雪崩級(jí)對(duì)Q1的影響。從實(shí)際測(cè)試的波形可以看出，預(yù)雪崩級(jí)產(chǎn)生了寬度20 ns，幅值8.5 V的窄脈沖。

雪崩級(jí)是由核心器件ZTX415構(gòu)成的，如圖6所示，所加的HV高壓電源為120 V。其工作原理是：高壓電源通過(guò)R10，D2和R11給C4充電到120 V，觸發(fā)脈沖輸入到雪崩管Q2的基極，雪崩管導(dǎo)通后出現(xiàn)負(fù)阻特性，即電流快速增大而兩端電壓快速下降，電容C4通過(guò)雪崩管和激光管LD放電。隨著雪崩過(guò)程的進(jìn)行，流過(guò)雪崩管和LD的電流逐漸增大，電容兩端的電壓逐漸減小。雪崩電流達(dá)到最高點(diǎn)后，隨著電容電壓的下降雪崩管和LD的電流逐漸減小。雪崩過(guò)程結(jié)束后高壓電源通過(guò)電阻R10對(duì)電容C4充電，等待下一個(gè)雪崩觸發(fā)脈沖的到來(lái)。

圖5 預(yù)雪崩電路

圖6 雪崩電路

選定了雪崩三極管后，電路中應(yīng)選擇的參數(shù)是充電電容C4和充電電阻R10。C4太大輸出脈沖寬度加寬且電路恢復(fù)期加長(zhǎng)；C4太小輸出脈沖幅值減小且分布電容影響增大，選用33 pF的云母電容。R10不能選得太小，以防雪崩三極管因功耗過(guò)大而燒壞，選為12 Ω。R10也不能太大，應(yīng)保證雪崩電路在靜止期內(nèi)恢復(fù)完畢，即：

[（3～5）?（R10+R11）?C4≤TS]

式中TS為觸發(fā)脈沖重復(fù)周期。

4 設(shè)計(jì)結(jié)果測(cè)試

由于脈沖達(dá)到了納秒級(jí)，對(duì)測(cè)試設(shè)備提出了較高的要求。測(cè)試用示波器是安捷倫的MSO6104A，帶寬為1 GHz，測(cè)試用表筆帶寬為200 MHz，測(cè)試誤差為2～3 ns。設(shè)計(jì)結(jié)果測(cè)試如圖7所示。

可以看出，雪崩管輸出的脈沖寬度約為20 ns，去除測(cè)試誤差實(shí)際脈沖寬度約為17～18 ns，幅值為40 V。以LD的等效電阻為5 Ω計(jì)算，輸出的峰值電流約為8 A，滿足了設(shè)計(jì)要求。

圖7 脈沖測(cè)試波形

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種激光二極管的驅(qū)動(dòng)電源。分析了雪崩三極管的工作原理和特性，設(shè)計(jì)了脈沖產(chǎn)生、預(yù)雪崩、雪崩電路，目前已成功應(yīng)用于工程中。

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