張佳薇　高峰東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

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SLED激光器驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

張佳薇高峰
東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

摘要：激光驅(qū)動(dòng)電流的穩(wěn)定性是影響激光驅(qū)動(dòng)器性能的重要參數(shù)，但激光驅(qū)動(dòng)器的高電流值難以維持穩(wěn)定。此外，驅(qū)動(dòng)電流的范圍應(yīng)盡可能地寬以適用于不同種類的激光器。針對(duì)以上問(wèn)題，文章以超輻射發(fā)光二極管（SLED）激光驅(qū)動(dòng)器為應(yīng)用實(shí)例，并采用閉環(huán)控制技術(shù)以保持驅(qū)動(dòng)電流穩(wěn)定，該系統(tǒng)能夠產(chǎn)生 4mA至200mA隨外部電阻值變化的穩(wěn)定的電流。

關(guān)鍵字：激光驅(qū)動(dòng)器 穩(wěn)定電流 功率控制

1　前言

超輻射發(fā)光二極管（SLED）產(chǎn)生的寬波段光具有高的光功率，波長(zhǎng)范圍1.53nm至1.56nm，光功率可超過(guò)5mW。光纖傳感器是由2Km長(zhǎng)的保偏（PM）光纖緊貼組合而成的線圈，PM線圈檢測(cè)到機(jī)械系統(tǒng)的振動(dòng)并將其轉(zhuǎn)換到集成光學(xué)芯片，由芯片處理的信號(hào)被耦合到信號(hào)檢測(cè)器，并轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)。光學(xué)功率噪聲檢測(cè)器被用來(lái)檢測(cè)該光功率的噪聲信號(hào)，并用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）來(lái)過(guò)濾噪聲。用這種高光功率源，該系統(tǒng)的信號(hào)噪聲比（SNR）被由光源產(chǎn)生的噪聲，而不是分散的噪聲所限制。光功率源是光纖陀螺儀的關(guān)鍵部件，它必須提供穩(wěn)定，充足的光功率。在實(shí)踐中，它通常是一個(gè)通過(guò)一定的電流驅(qū)動(dòng)的SLED［1］［2］。SLED具有電流輸入光功率輸出的傳遞函數(shù)。當(dāng)SLED的驅(qū)動(dòng)電流超過(guò)，SLED的光功率將正比于驅(qū)動(dòng)電流。因此，該SLED的光功率可以很好地通過(guò)控制SLED的驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行控制。

2　電路設(shè)計(jì)

該激光驅(qū)動(dòng)器電路可提供輸出從4mA到200mA 范圍的一個(gè)穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電流。

2.1功率控制器構(gòu)建

該功率控制器的構(gòu)建塊，其設(shè)計(jì)是基于光電反饋理論。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后，電源控制器提供給SLED穩(wěn)定的電流，從而使SLED的光功率恒定。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，輸出電流由外部電阻決定；當(dāng)外部環(huán)境變化時(shí)，光纖系統(tǒng)的光功率改變，從而導(dǎo)致由監(jiān)控二極管產(chǎn)生的變化的電流。然后，光電流被反饋到功率控制器，并經(jīng)由外部電阻轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓值，用它與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。比較的結(jié)果經(jīng)放大器傳送到驅(qū)動(dòng)電流的控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)電流源的驅(qū)動(dòng)電流，使得電流源陣列變化的輸出電流相應(yīng)地變化。通過(guò)這種方式，SLED的驅(qū)動(dòng)電流可保持不變，這意味著當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)光纖系統(tǒng)的光功率保持恒定。

2.2輸出級(jí)

激光器輸出級(jí)，它提供電流來(lái)驅(qū)動(dòng)激光器，并直接影響SLED的輸出。輸出晶體管被設(shè)置為10*10的雙極級(jí)聯(lián)陣列。為提供足夠的電流，輸出晶體管的基極電流需要足夠大，基極電流提供。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，，輸出電流 為200毫安。

2.3校準(zhǔn)參考電流

在該設(shè)計(jì)中，輸出是一個(gè)電流，并且許多偏置電壓通過(guò)基準(zhǔn)電流產(chǎn)生。這樣，參考電流的精度對(duì)于激光驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)能力，穩(wěn)定性和精度非常重要。參考電壓是由一個(gè)簡(jiǎn)單的一階補(bǔ)償電路產(chǎn)生，基于參考電壓。它是由一個(gè)誤差放大器，一個(gè)參考電壓源，一個(gè)比較器，一個(gè)逐次逼近寄存器（SAR）的邏輯電路，和一 個(gè)6位數(shù)字- 模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）組成。 參考電流是通過(guò)由基準(zhǔn)電壓電路，埃羅放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的反饋電路產(chǎn)生的。電壓被反饋到誤差放大器的正極端口與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，誤差放大器放大該差壓到M1的柵極電壓，以這種方式，產(chǎn)生一定的電流。為獲得更高精度的電流，消除誤差的校準(zhǔn)是必需的。

校準(zhǔn)是通過(guò)一個(gè)特區(qū)邏輯電路和一個(gè)6位的 DAC。當(dāng)校準(zhǔn)開(kāi)始時(shí)，6位的DAC輸入數(shù)據(jù)被定義為011111，或半滿刻度。特區(qū)邏輯將修改DAC的輸入數(shù)據(jù)，并改變其輸出電流。

3　仿真結(jié)果

該激光驅(qū)動(dòng)器輸出能力的仿真結(jié)果，這是不同條件下的仿真結(jié)果圖：（a）常溫（25oC）下激光驅(qū)動(dòng)器隨外部電阻值變化的輸出仿真結(jié)果；（b）低溫（-40oC）中激光驅(qū)動(dòng)器隨外部電阻值變化的輸出仿真結(jié)果；（c）高溫（125oC）中激光驅(qū)動(dòng)器隨外部電阻值變化的輸出仿真結(jié)果；（d）電壓4.5V，溫度-40oC 時(shí)激光驅(qū)動(dòng)器隨外部電阻值變化的輸出仿真結(jié)果。通過(guò)對(duì)在不同條件下仿真結(jié)果圖的對(duì)比可得，該系統(tǒng)夠產(chǎn)生隨外部電阻值變化的穩(wěn)定電流。

4　結(jié)論

所述系統(tǒng)設(shè)計(jì)出一個(gè)以閉環(huán)控制技術(shù)來(lái)維持激光驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電流穩(wěn)定的SLED激光驅(qū)動(dòng)器，并基于光電反饋理論設(shè)計(jì)了功率控制器，可實(shí)現(xiàn)激光器自動(dòng)功率控制。該系統(tǒng)的電路詳細(xì)，在初始設(shè)置后能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的范圍從4mA到200mA的電流。設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果表明，在不同的外部條件下該系統(tǒng)能夠產(chǎn)生隨外部電阻值變化的穩(wěn)定電流。實(shí)驗(yàn)表明該設(shè)計(jì)可以很好地工作，在穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)激光器的前提下，還可以使激光器安全長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

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