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高稳定半导体激光器驱动电路
作者:刘富成
来源:《电子技术与软件工程》2016年第11期
摘 要
半导体激光器的稳定性取决于驱动电源,电流的起伏会引起光功率的变化,从而影响激光器的性能。为确保半导体激光器安全可靠地工作,本文深入分析了半导体激光器电源工作原理,确定了驱动电源的主要环节的技术实施方案,设计高稳定半导体激光器的驱动电流源。这种设计电源实际上主要就是利用取样电路、调整电路、误差放大电路等电压来实现负反馈电路,针对设计的要求为各个模块选择了合适的器件,它能够对激光器提供一个稳定的受控电流,并能实时监视。为了使激光器稳定可靠的工作还设计了温控电路,激光器保护电路等。 【关键词】半导体激光器 慢启动 受控恒流源 TEC温度控制 1 半导体激光器的P-I特性
半导体激光器的P-I特性(又称L-I特性),这种设备实际上就是用来描述随注入电流IF不断改变和实际变化规律的激光器光功率P,是设计和应用半导体激光器的根本依据。只有在其PN结上合理加入正向电压,半导体激光器进入足够大电流的过程中,才可以形成激光,如图1所示为理想的输出P-I特性曲线。
从半导体激光器理论角度来说,如果在额定范围内运行半导体激光器的时候,注入电流IF和输出光功率P需要充分满足线性的关系,其一阶微分曲线是类似于水平的一条直线。如果一阶微分曲线上形成相对比较明显的拐点,或者是出现不是十分平滑的曲线,此时就可以表明半导体激光器上存在一定问题和缺陷。也可以说,如果在拐点驱动电流范围内运行半导体激光器的时候,注入电流值和输出光功率之间没有形成线性比例的关系。 2 激光器驱动电路设计
在仔细分析了半导体激光器的工作特性和它在使用过程中提出的具体技术指标后,设计出了以下电路方案: 2.1 慢启动电路
在没有慢启动措施的基础上就把半导体激光器驱动电源进行电路的接通和断开,此时电路中出现过渡的过程,也就是说在开启电源的过程中,出现很大幅度的驱动电流过冲,然后在经过过渡过程以后开始慢慢稳定。这种驱动电流过冲问题十分容易导致电击穿PN节。即使浪涌出现很长时间或者存在很大强度,也不保证会在第一次开启电源的过程中就完全丧失使激光器的作用,但在实际操作的时候因为多次受到浪涌的冲击,从而也会导致提高退化半导体激光器
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性能的速度,并且最终导致电源失效。所以,为防止此半导体激光器遭到电流的破坏,此时需要缓慢启动激光器驱动电源电路,保证能够缓慢上升电流输出额定值,以便于确保能够及时进入到正常工作区,这样可以有效地消除电源开或关时产生的浪涌冲击。本设计中用单片机延时后控制继电器U10B打开,并将激光器T10接入控制电路中,可有效的消除上电瞬间浪涌对激光器的冲击。具体电路如图2所示。 2.2 积分电路
根据结构原理如图2所示,U15B与电阻R123,电容C123构成典型的积分电路,上电后即先对C123进行充电,输出电压对时间的积分,输出电压达到最大之后受直流电源的限制,致使运算放大器进入饱和状态,输出电压保持不变,而停止积分。通过该积分电路,调整MOS管的栅极电压,达到设定电流为恒流输出的目的。 2.3 取样及放大电路
电路中以功率器件MOS管(IRF740)作为调整管,通过控制MOS管栅极电压,实现对激光管的电流进行控制,采样电阻连接到MOS管的源极(低端取样)。输出电流I0可由下式计算: I0=*Vi
式中Vi为输入电压,R为取样电阻,F为反馈网络的反馈系数。由公式可知,要实现电路中激光器驱动电流的高稳定性关键要选择高稳定低温票电压基准,低温票系数取样电阻和低温票反馈网络。在本恒流源中采用精度是±1.0%的取样电阻,±215×10-5