中心議題：

• LD驅(qū)動電源的電路結(jié)構(gòu)及原理
• LC驅(qū)動電源電路的設計

解決方案：

• 基準電壓源電路的設計
• 恒流源電路的設計
• 脈沖控制電路的設計

LD(激光二極管)不僅具有一般激光器高單色性、高相干性、高方向性和準直性的特點，還具有尺寸小、重量輕、低電壓驅(qū)動、直接調(diào)制等特性，因而廣泛應用于國防、科研、醫(yī)療、光通信等領域。然而，由于LD是一種高功率密度并具有極高量子效率的器件，對于電沖擊的承受能力差，微小的電流波動將導致光功率輸出的極大變化和器件參數(shù)的變化，這些變化直接危及器件的安全使用，因而在實際應用中對驅(qū)動電源的性能和安全保護有著很高的要求。在驅(qū)動電源的設計過程中，同時考慮對LD進行安全有效保護，如防止浪涌沖擊，慢啟動等問題。

1 電路結(jié)構(gòu)及原理

LD是依靠載流子直接注入而工作的，注入電流的穩(wěn)定性對激光器的輸出有直接、明顯的影響，因此，LD驅(qū)動電源需要為LD提供一個紋波小，毛刺少的穩(wěn)恒電流。該LD驅(qū)動電源包括4部分：基準電壓源，恒流源電路，脈沖控制電路，保護電路。結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1．1 基準電壓源電路
基準電壓源電路構(gòu)成如圖2所示，其作用是為恒流源電路提供一個高精度，低溫漂的電壓參考，同時，為電路中的集成電路(如光耦合器、運算放大器、反相器等)提供穩(wěn)定工作電壓。

LM317是美國國家半導體公司的三端可調(diào)正穩(wěn)壓器集成電路，輸出電壓范圍是1．2～37 V，負載電流最大為1．5 A，使用簡單。其工作過程如下：輸出電壓Vout通過R1、VQ1，對C2充電，開始時VQ1飽和導通，Vout最低(約1．5 V)。隨著C2上電壓的升高，VQ1逐漸退出飽和并趨于截止，Vout逐漸升高至額定電壓。改變R1、C2的常數(shù)可改變軟啟動的時間。改變可變電阻R2的值，可調(diào)整輸出電壓Vout的值。VD1用于關機后使C2上的電荷快速泄放。其輸出電壓為：

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1．2 恒流源電路
為了實現(xiàn)高的電流穩(wěn)定度，驅(qū)動電路大多采用負反饋的控制方法，恒流控制原理如圖3所示。穩(wěn)流電路由基準電壓電路、電壓-電流轉(zhuǎn)換電路、恒流輸出電路和反饋電路組成。電路工作時，基準電壓經(jīng)過適當放大后送入運放A1的同相端，運放A1控制VQ1基極電流的大小，從而獲得相應的輸出電流，輸出電流在取樣電阻R上產(chǎn)生取樣電壓，該取樣電壓經(jīng)A2放大后作為反饋電壓反饋回電壓放大器A1的反相輸入端，并與同相輸入端的電壓進行比較，對輸出電壓進行調(diào)整，進而對VQ1基極的輸出電流進行調(diào)整，使整個閉環(huán)反饋系統(tǒng)處于動態(tài)的平衡中，以達到穩(wěn)定輸出電流的目的。

但在實際情況下電阻的溫度系數(shù)和基準電壓的溫度系數(shù)將影響輸出電流的穩(wěn)定性。對式(2)進行全微分并化簡可得電流穩(wěn)定度的表達式：

輸出電流I與設定的基準電壓Vc的關系可由負反饋原理得到：

式中，Vc為基準電壓，Ra、Rb為反饋網(wǎng)絡中的電阻，R為取樣電阻，在理想情況下R、Ra、Rb恒定不變。

由式(2)可知，輸出電流I與基準電壓Vc呈線性關系。



由于選取的取樣電阻R為歐姆級，而(Ra+Rb)為數(shù)十千歐姆級，因此有：μ2>μ1>μ3≈μ4，這說明影響輸出電流穩(wěn)定度的主要因素是取樣電阻的溫度系數(shù)和電壓基準的穩(wěn)定度。在本恒流源中，選用取樣電阻精度是0．1％，溫度系數(shù)是±2．5×10-5／℃，電壓基準的溫度系數(shù)小于1×10-6／℃。
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1．3 脈沖控制電路
對許多LD應用來說，有時希望脈沖輸出，因為脈沖輸出時LD結(jié)發(fā)熱很小。LD工作在低占空比和短脈寬狀態(tài)時允許比CW電流電平高得多的脈沖電流電平，而且多數(shù)不需要制冷。

脈沖LD電源控制技術(shù)的關鍵在于對電流脈沖波形的控制，外控調(diào)制信號采用TTL方波，LD輸出跟隨控制信號以開關方式輸出。

根據(jù)上述設計思想設計脈沖控制接口電路，其原理圖如圖4所示。由非門單元，晶體管VQ3，光電耦合器組成。當脈沖為高電平時，非門輸出低電壓，使光電耦合器截止，光電耦合器輸出低電平，使晶體管VQ3截止，VQ3集電極輸出高電平使VQ1、VQ2導通，LD正常工作；反之，光電耦合器導通，使VQ3導通，VQ3集電極輸出低電平，使VQl、VQ2截止，LD不工作。在沒有外控脈沖控制信號時，接口懸空，非門輸入高電平，輸出低電壓，光電耦合器不工作，晶體管VQ3截止，VQ3集電極為高電平，使VQ1導通，保證LD的正常連續(xù)發(fā)光。

1．4 保護電路
考慮到LD的易損性，在穩(wěn)流控制中保護電路的設計也是很重要的一個方面。本設計中，選用供電電壓波動較小，內(nèi)部具有慢啟動、過流、過熱保護、尖峰電流限制功能的集成直流穩(wěn)壓器，只需在LD兩端反向并聯(lián)一個普通二極管以防止反向過壓，同時并聯(lián)小容量電容防止回路電流毛刺損壞管芯。

2 結(jié)果與分析

表1是該電路驅(qū)動波長650 nm，功率200 mW的LD連續(xù)工作時，基準電壓與輸出電流的測試結(jié)果，其電壓-電流關系如圖5所示。

圖5結(jié)果表明基準電壓與輸出電流成正比例關系，通過調(diào)節(jié)基準電壓，可以改變LD的輸出功率，即LD輸出功率連續(xù)可調(diào)。
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圖6顯示了該驅(qū)動電源輸出的脈沖波形。曲線Input為輸入控制脈沖信號，曲線Output為LD上電壓脈沖。結(jié)果表明：LD上電壓脈沖的上升和下降時間都很短，中間段電壓的穩(wěn)定使輸出電流恒定，恒定的電流幅度保證了LD輸出功率的穩(wěn)定。通過改變輸入脈沖的頻率、脈寬，可得到所需的LD激光脈沖信號。

3 結(jié)論

本文提出了可用于連續(xù)或脈沖輸出的半導體激光器驅(qū)動電源的設計方法，測試結(jié)果表明：1)驅(qū)動波長范圍為650～980 nm：2)輸出功率0～300 mW連續(xù)可調(diào)；3)連續(xù)或脈沖輸出可選。電源穩(wěn)定、可靠、控制簡單，功率連續(xù)可調(diào)，可廣泛地用于對半導體激光驅(qū)動電源體積要求較小的應用中。