摘 "要： 為了提高激光器的工作可靠性和穩(wěn)定性，借助TINA?SPICE軟件對(duì)其驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，并通過(guò)電調(diào)制和光電檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)設(shè)計(jì)效果。對(duì)驅(qū)動(dòng)器的恒流輸出電路的幅頻特性和瞬態(tài)響應(yīng)進(jìn)行仿真，預(yù)測(cè)潛在的電流振蕩現(xiàn)象，并提出一種用于補(bǔ)償環(huán)路增益的易用方案。通過(guò)對(duì)比補(bǔ)償前后的仿真曲線，驗(yàn)證了該方案的可行性。在此基礎(chǔ)上，以STM32H743作為中央處理核心，通過(guò)觸摸屏圖形化設(shè)置和監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)電流參數(shù)，從而調(diào)度激光器驅(qū)動(dòng)電路的運(yùn)行。在296 K環(huán)境溫度下，利用該電路進(jìn)行半導(dǎo)體激光器電調(diào)制特性實(shí)驗(yàn)，通過(guò)擬合波長(zhǎng)與電流得到調(diào)制系數(shù)為0.045 cm-1/mA。進(jìn)一步地，將該控制器引入基于紅外光譜吸收技術(shù)的氣體傳感系統(tǒng)，完成了對(duì)甲烷氣體的定量分析。分析結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的電路能穩(wěn)定地驅(qū)動(dòng)激光器并實(shí)現(xiàn)對(duì)波長(zhǎng)的精準(zhǔn)調(diào)制，獲得的氣體傳感系統(tǒng)的檢測(cè)下限低于8 ppm。

關(guān)鍵詞： 半導(dǎo)體激光器； 驅(qū)動(dòng)電路； 壓控電流源； SPICE仿真； 氣體傳感器； 電調(diào)制； 環(huán)路增益

中圖分類(lèi)號(hào)： TN248.4?34 " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A " " " " " " " " " " "文章編號(hào)： 1004?373X（2024）18?0077?06

SPICE simulation of semiconductor laser driver and its application in gas sensing system

CONG Menglong， ZHOU Kunpeng

（College of Physics and Electronic Information， Inner Mongolia Minzu University， Tongliao 028000， China）

Abstract： In order to improve the reliability and stability of laser， TINA?SPICE software is used to assist in the design of its driving circuit， and the design effect is verified by the experiments of electrical modulation and photoelectric detection system. The amplitude frequency characteristics and transient response of the constant current output circuit of the driver are simulated， potential current oscillation phenomena is predicted， and an easy?to?use scheme for compensating loop gain is proposed. The feasibility of this scheme was confirmed by comparing the simulation curves before and after compensation. On this basis， STM32H743 is used as the central processing core to graphically set and monitor the driving current parameters by clicking on the touch screen， thereby scheduling the operation of the laser driving circuit. At the ambient temperature of 296 K， the circuit is used to carry out the modulation characteristic experiment of semiconductor laser， and the modulation coefficient is 0.045 cm-1/mA by fitting the wavelength and current. The controller is introduced into the gas sensing system based on infrared spectral absorption technology to realize the quantitative analysis of methane gas. The analysis results show that the designed circuit can stably drive the laser and realize precise wavelength modulation， and the detection sensitivity of the obtained gas sensing system is lower than 8 ppm.

Keywords： semiconductor laser; driving circuit; voltage?controlled current source; SPICE simualtion; gas sensor; electrical modulation; loop gain

0 "引 "言

半導(dǎo)體激光器因其結(jié)構(gòu)小巧、光電轉(zhuǎn)換率高、成本低廉等優(yōu)勢(shì)，在以光電子和微電子技術(shù)為核心的通信[1]、醫(yī)療[2]、國(guó)防軍事[3]、交通運(yùn)輸[4]以及空間探索[5]等領(lǐng)域具有舉足輕重的作用。與量子級(jí)聯(lián)激光器相比，半導(dǎo)體激光器對(duì)工作條件要求不高，無(wú)需液氮制冷[6]；與固態(tài)可調(diào)諧泵浦激光源相比，半導(dǎo)體激光器緊湊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)使其受機(jī)械振動(dòng)的影響更小，更容易與發(fā)動(dòng)機(jī)組件、脈沖裝置等集成[7]。常規(guī)的分布反饋（DFB）半導(dǎo)體激光器的輸出波長(zhǎng)隨電流變化的典型值[8]為0.036 nm/mA，波長(zhǎng)隨溫度變化的典型值[9]為0.19 nm/℃。半導(dǎo)體激光器的使用壽命與其閾值電流具有密切關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，光纖通信用半導(dǎo)體激光器的閾值電流為8～12 mA，可以連續(xù)工作105 h以上；其他小功率半導(dǎo)體激光器的閾值電流為20～40 mA，連續(xù)工作時(shí)間在2×104～3×104 h；大功率半導(dǎo)體激光器的閾值電流在80～150 mA，連續(xù)工作時(shí)間[6]約5 000 h。然而，半導(dǎo)體激光器對(duì)電沖擊的承受能力很弱，如果工作于超出閾值的非正常條件下，即使時(shí)間很短（如幾納秒）也足以對(duì)其造成永久性損傷[10]。除了外界的干擾信號(hào)，激光器驅(qū)動(dòng)電路本身的設(shè)計(jì)缺陷也是造成這種電沖擊的根源。

半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)一般由模擬電路和數(shù)字電路結(jié)合構(gòu)成，要求精度高且工作性能穩(wěn)定[11]?，F(xiàn)階段半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源的市場(chǎng)主要被外國(guó)公司所壟斷，如AlphaLaser公司、MartekLase公司、Thorlabs公司、Wavelength公司、AnalogTechnologiesInc公司、ILXLightwave公司等。這些公司的產(chǎn)品種類(lèi)豐富且性能優(yōu)良，以Thorlabs公司生產(chǎn)的小功率驅(qū)動(dòng)器LDC220C系列為例，其在0～2 Ａ的電流輸出范圍內(nèi)分辨率為100 mA，無(wú)紋波噪聲[12]小于15 mA；作為德國(guó)AlphaLaser公司的標(biāo)志性產(chǎn)品，LPS1?2T系列激光驅(qū)動(dòng)器的溫度波動(dòng)小于0.1 ℃，電流噪聲[13]不超過(guò)60 mA。國(guó)內(nèi)從事此方面生產(chǎn)研發(fā)的廠商有武漢泰倫特世紀(jì)科技有限公司、西安炬光科技有限公司、深圳市興博科技有限公司以及上海技馳電子科技有限公司等。以武漢泰倫特世紀(jì)科技有限公司設(shè)計(jì)的TLTM?YTH03100型蝶型激光驅(qū)動(dòng)板為例，其電流在500 mA范圍內(nèi)的波動(dòng)約為0.5 mA，控溫誤差[14]為±0.1 ℃。

作為實(shí)現(xiàn)精確穩(wěn)定氣體傳感的先進(jìn)方法，可調(diào)諧二極管激光吸收光譜（TDLAS）[15?17]通過(guò)主動(dòng)調(diào)諧光學(xué)波長(zhǎng)來(lái)訪問(wèn)所選吸收躍遷的峰值位置，再根據(jù)激光強(qiáng)度的衰減量來(lái)計(jì)算目標(biāo)氣體的濃度。盡管系統(tǒng)框架和工作機(jī)制簡(jiǎn)潔明了，但直接吸收光譜法仍然存在一個(gè)明顯的缺點(diǎn)：因?yàn)門(mén)DLAS中使用的激光源的發(fā)射波長(zhǎng)主要對(duì)應(yīng)于氣體吸收的泛頻或組合頻振動(dòng)躍遷，其光譜吸收強(qiáng)度比那些對(duì)應(yīng)于基本振動(dòng)帶躍遷的吸收強(qiáng)度弱幾個(gè)數(shù)量級(jí)。故而，將伴隨諧波檢測(cè)的波長(zhǎng)調(diào)制光譜（WMS）引入TDLAS，以此獲得比直接吸收光譜更高的檢測(cè)靈敏度[18]?；诩t外光譜吸收技術(shù)的氣體傳感系統(tǒng)由電路和光路系統(tǒng)構(gòu)成，而用于激勵(lì)激光器發(fā)光并對(duì)其激射波長(zhǎng)進(jìn)行主動(dòng)調(diào)制的激光器驅(qū)動(dòng)器則是電路系統(tǒng)的核心，其精度和穩(wěn)定性對(duì)后續(xù)的光電檢測(cè)以及信號(hào)處理環(huán)節(jié)具有重要影響。

考慮到半導(dǎo)體激光器的激射波長(zhǎng)和光功率對(duì)于驅(qū)動(dòng)電信號(hào)的高度依賴(lài)性，以及其在氣體傳感器系統(tǒng)所處的重要地位，決定針對(duì)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)和應(yīng)用開(kāi)展研發(fā)工作。首先，對(duì)以STM32H743[19]為核心的激光器驅(qū)動(dòng)器整體架構(gòu)進(jìn)行介紹；再結(jié)合理論分析與TINA?SPICE仿真對(duì)壓控電流源的工作穩(wěn)定性進(jìn)行詳細(xì)論證，并提出針對(duì)振蕩現(xiàn)象的補(bǔ)償方案；然后，闡述該激光器驅(qū)動(dòng)器的主要功能及操作方式；最后，利用此激光器驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)DFB半導(dǎo)體激光器，在室溫條件下測(cè)試其電調(diào)制特性，并將之應(yīng)用于氣體傳感實(shí)驗(yàn)。

1 "激光器驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

1.1 "整體架構(gòu)

圖1所示為激光器驅(qū)動(dòng)器的原理框圖。源自于外部電網(wǎng)的電源VCC在給激光器供電之前，先經(jīng)過(guò)慢啟動(dòng)電路以避免瞬時(shí)的浪涌沖擊激光器。流經(jīng)激光器的電流被采樣和放大后，同電壓基準(zhǔn)相比較，利用比較結(jié)果控制功率器件的導(dǎo)通程度，從而使驅(qū)動(dòng)電流趨于預(yù)定的目標(biāo)值。激光器發(fā)出的光被探測(cè)器轉(zhuǎn)為電信號(hào)后，經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入數(shù)控核心STM32H743，從而實(shí)現(xiàn)光功率的監(jiān)測(cè)。此外，數(shù)控核心還負(fù)責(zé)控制指令的輸入和顯示信息的輸出。

1.2 "關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)與仿真

1.2.1 "壓控電流源電路設(shè)計(jì)

圖1中通過(guò)電壓基準(zhǔn)信號(hào)和采樣放大信號(hào)的比較實(shí)現(xiàn)了激光器驅(qū)動(dòng)電路的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，從而構(gòu)成了電壓控制的恒定電流源。此壓控電流源電路的典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。輸入三極管T1基極的電流決定著流過(guò)激光器LD和采樣電阻R5的電流。電阻R1負(fù)責(zé)限制流入T1基極的電流以保護(hù)三極管。從電阻R5采樣得到的電壓值被運(yùn)放U2放大后，再輸入到運(yùn)放U1的反相端并與參考電壓Vref比較，利用比較結(jié)果控制輸入T1基極的電流，構(gòu)成閉環(huán)。假設(shè)電源端LD_Power受到外部干擾，流過(guò)激光器的電流Is突然增大，則R5的電壓升高，U1輸出電壓下降，進(jìn)而導(dǎo)致Is下降。Vref與Is的關(guān)系為：

[Is=VoutR5=VrefR3R3+R4R5] （1）

1.2.2 "壓控電流源的TINA?SPICE仿真

圖2中運(yùn)算放大器U1放大倍數(shù)可以表示為：

[VoutVin=Aol1+Aol?β=Aol1+Aolβ1] （2）

式中：[Aol]為運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益；β為反饋因子；β1為β倒數(shù)。由該表達(dá)式可知，[Aolβ1]是電路穩(wěn)定性的重要判據(jù)。當(dāng)[Aol]與β1幅值相等且相位相反時(shí)，表達(dá)式分母為0，放大倍數(shù)無(wú)窮大。即使電路沒(méi)有輸入也會(huì)產(chǎn)生輸出，此即為自激振蕩現(xiàn)象。根據(jù)模擬電路基本理論，電路的一階零點(diǎn)（或極點(diǎn)）會(huì)導(dǎo)致幅頻特性曲線以20 dB/十倍頻程的斜率上升（或下降）。因此，通過(guò)研究[Aol]和β1的振幅?頻率曲線的閉合速率，即可對(duì)負(fù)反饋電路穩(wěn)定性進(jìn)行圖解分析。

為了仿真[Aol]和β1的振幅?頻率曲線，需要對(duì)圖2的電路圖稍作變形。與圖2相比，變形得到的圖3中增加了1 GF的電容（C1）、1 GH的電感（L1）以及幅值為1 V的交流電壓源（VG1），目的是斷開(kāi)反饋環(huán)路的同時(shí)保留直流工作點(diǎn)。此外，利用直流電壓源V1代替圖2中的參考電壓Vref，使晶體管T1在其實(shí)際工作點(diǎn)附近被偏置，確保交流分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

利用仿真軟件的虛擬電壓探針測(cè)量特定節(jié)點(diǎn)的電壓，并使用TINA?SPICE進(jìn)行后處理，可以獲得[Aol]和β1的幅頻特性：

[Aol=VOAVFB-Vref] （3）

[β1=VloopVFB] （4）

當(dāng)采樣電阻的輸出端Vout和三極管的基極T1之間未加入補(bǔ)償電容Cf時(shí)，對(duì)[Aol]和β1幅頻特性的仿真結(jié)果如圖4所示。由圖4可見(jiàn)，[Aol]和β1在3.497 MHz頻率點(diǎn)處出現(xiàn)了交叉。其中[Aol]曲線以20 dB/十倍頻程的斜率下降，而β1曲線以20 dB/十倍頻程的斜率上升，這說(shuō)明在此之前已經(jīng)出現(xiàn)了[Aol]的極點(diǎn)和β1的零點(diǎn)。

由式（4）可知，β1是反饋因子β的倒數(shù)，而前者的零點(diǎn)即為后者的極點(diǎn)。因此，在掃描頻率值到達(dá)該點(diǎn)之前，環(huán)路增益已歷經(jīng)180°的相移，此時(shí)的電路極易出現(xiàn)振蕩而不穩(wěn)定。

為了能更加直觀地觀察到振蕩現(xiàn)象，仿真了電流源電路的瞬態(tài)特性。當(dāng)圖2中的激勵(lì)信號(hào)Vref被設(shè)置為幅值500 mV、帶有750 mV直流偏置的方波時(shí)，采樣電阻R5上分得的電壓信號(hào)Vout的波形如圖5所示。對(duì)比圖5上方的激勵(lì)信號(hào)Vref和下方的采樣信號(hào)Vout，可以明顯地觀察到輸出信號(hào)Vout出現(xiàn)了振蕩現(xiàn)象，由于R5與激光二極管串聯(lián)，因此這也意味著激光器驅(qū)動(dòng)電流的振蕩。

從式（2）可知，當(dāng)[Aol]與β1乘積的幅值為1且相位為180°時(shí)，電路將發(fā)生自激振蕩。在理論分析基礎(chǔ)上，利用圖4和圖5的仿真結(jié)果進(jìn)一步佐證了該結(jié)論。考慮到自激振蕩現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是圖4中[Aol]與β1曲線的閉合速度是-40 dB/十倍頻程，擬在反饋回路中引入電容元件Cf，構(gòu)造出β1曲線的極點(diǎn)，從而使β1曲線上平行于x軸的部分與[Aol]相交。為了找到Cf的最合理取值，在仿真過(guò)程中開(kāi)啟了參數(shù)掃描功能。當(dāng)設(shè)定的Cf取值分別是10 nF、100 nF、1 μF、2 μF和10 μF時(shí)，仿真得到的[Aol]與β1曲線如圖6所示。在圖6中，當(dāng)補(bǔ)償電容取值為1 μF、2 μF和10 μF時(shí)，[Aol]與β1曲線的平坦部分交叉，此時(shí)兩條曲線的閉合速度為-20 dB/十倍頻程，可以避免自激振蕩。雖然電容取值越大，β1曲線的平坦部分延伸越遠(yuǎn)，但是交叉點(diǎn)位置并未發(fā)生明顯變化。另一方面，考慮到Cf電容取值過(guò)大勢(shì)必影響電路響應(yīng)帶寬，因此將最佳的補(bǔ)償電容值確定為1 μF。

在圖7所示的補(bǔ)償后的瞬態(tài)特性仿真波形中，能夠更為直觀地觀察到補(bǔ)償電容對(duì)電路瞬態(tài)特性的改善。與圖5相比，發(fā)現(xiàn)采樣電阻上的電壓Vout已無(wú)振蕩波形，僅存在少量過(guò)沖。圖7與圖6的仿真結(jié)果互相印證，表明這種電路補(bǔ)償方法是可行的，補(bǔ)償元器件取值是合理的。

1.3 "驅(qū)動(dòng)器功能與使用

在使用軟件仿真分析壓控電流源電路理論可行性的基礎(chǔ)上，引入STM32H743微控制器和TFT液晶顯示屏，構(gòu)成如圖8所示的數(shù)字化激光器驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器包括母板、驅(qū)動(dòng)板、核心板以及觸摸屏四部分。核心板產(chǎn)生的電壓基準(zhǔn)信號(hào)由母板送入驅(qū)動(dòng)板，進(jìn)而控制驅(qū)動(dòng)板輸出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電流。核心板經(jīng)過(guò)FFC柔性扁平線連接觸摸屏。除了激光器夾具座和電源接口，驅(qū)動(dòng)板上還擴(kuò)展了溫度采集、溫度控制等接口。母板的引入增加了設(shè)計(jì)靈活性，使得調(diào)制信號(hào)既可利用核心板產(chǎn)生，也可通過(guò)母板的接口從外部引入。上電之后，激光器驅(qū)動(dòng)器的顯示界面包括：波形監(jiān)測(cè)窗口、用于調(diào)整輸出電流直流偏置和幅值的滑塊、波形選擇按鈕以及設(shè)置頻率的小鍵盤(pán)區(qū)。長(zhǎng)按顯示界面左上方齒輪可完成屏幕截屏（存儲(chǔ)于核心板的板載FLASH），點(diǎn)擊右側(cè)箭頭可以使所有參數(shù)恢復(fù)默認(rèn)值。當(dāng)所有參數(shù)設(shè)置完畢后，點(diǎn)擊“Output”即可啟動(dòng)激光器驅(qū)動(dòng)器工作。

2 "實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 "DFB激光器電調(diào)制實(shí)驗(yàn)

選取DFB半導(dǎo)體激光器作為測(cè)試對(duì)象，對(duì)其電調(diào)制系數(shù)進(jìn)行測(cè)定。該激光器在溫度296 K、驅(qū)動(dòng)電流25 mA的工作條件下，中心波數(shù)為6 046.8 cm-1。測(cè)定過(guò)程中嚴(yán)格控制激光器的工作溫度，使其穩(wěn)定于296 K。在20～100 mA范圍內(nèi)以20 mA為步進(jìn)量逐漸增加驅(qū)動(dòng)電流，得到的激光器發(fā)射光譜如圖9所示。接下來(lái)以驅(qū)動(dòng)電流為自變量，以發(fā)射光譜的峰位置為因變量做線性回歸分析。結(jié)果表明，此測(cè)試條件下該激光器的電流?波長(zhǎng)調(diào)制系數(shù)為0.045 cm-1/mA，與廠家所提供的原始數(shù)據(jù)較為接近。

2.2 "光譜吸收式氣體傳感實(shí)驗(yàn)

將激光器（Mitsubishi公司，F(xiàn)U?68PDF?V510）及自制驅(qū)動(dòng)器置于TDLAS?WMS系統(tǒng)，如圖10所示。

驅(qū)動(dòng)器發(fā)出有偏置的1 Hz三角波，使激光波長(zhǎng)掃過(guò)甲烷2v3泛頻帶R（3）吸收線。同時(shí)，激射波長(zhǎng)還被鎖相放大器（Signal Recovery公司，Model 7265）以1 kH正弦調(diào)制，從而構(gòu)造氣體吸收的諧波。采用溫控器（ILX公司，Model LDT?5900C）粗調(diào)激光中心波長(zhǎng)，使其接近譜線峰位值。氣體吸收后的出射光被光電探測(cè)器（Judson公司，J22?18I?R01M）和跨阻放大電路轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)，再利用鎖相放大器提取有關(guān)氣體濃度的諧波。16位分辨率數(shù)據(jù)采集卡（NI公司，USB 6002）將輸出的諧波采集到PC端，經(jīng)過(guò)非線性擬合獲得峰值和噪聲信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差（1 s），二者比值即系統(tǒng)信噪比（RSN）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與N2混合的CH4濃度為100 ppm時(shí)，二次諧波峰值為50.25 mV，擬合標(biāo)準(zhǔn)差為3.75 mV，此時(shí)RSN為13.3。據(jù)此推得理論檢測(cè)下限為[100 ppm13.3]，略低于8 ppm。

3 "結(jié) "論

本文系統(tǒng)地闡述了以STM32H743處理器為核心且通過(guò)圖形用戶界面操控的數(shù)字化激光器驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)。盡管現(xiàn)有研究中已經(jīng)提出了一些類(lèi)似的電路，但大多數(shù)工作都集中在應(yīng)用環(huán)節(jié)，鮮有針對(duì)電路穩(wěn)定性的深入探究。文中立足于運(yùn)算放大器的工作原理，在TINA?SPICE平臺(tái)進(jìn)行幅頻特性和瞬態(tài)響應(yīng)仿真，分析了激光驅(qū)動(dòng)電路的穩(wěn)定性。

仿真得到的環(huán)路增益和采樣電阻輸出電位曲線直觀地揭示了潛在的振蕩風(fēng)險(xiǎn)。在此基礎(chǔ)上提出了于功率器件基極和發(fā)射極之間引入電容的補(bǔ)償方法，并利用TINA?SPICE的參數(shù)掃描功能來(lái)確定補(bǔ)償電容的合理取值。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)效果，使用此激光器驅(qū)動(dòng)器與光源等組件配合，開(kāi)展了激光器電調(diào)制和光譜吸收式氣體傳感實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)測(cè)得的電調(diào)制參數(shù)接近廠家所給數(shù)值，氣體傳感系統(tǒng)檢測(cè)下限達(dá)到了預(yù)期效果?；趯?shí)驗(yàn)檢驗(yàn)可知，該方案合理且易實(shí)現(xiàn)，具有一定指導(dǎo)意義。

注：本文通訊作者為叢夢(mèng)龍。

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