半导体激光器自动功率控制电路设计

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  半导体激光器具备光学特性优异、单色性好、体积小和寿命长等一系列的长处,伴随着科技的发展,已被广泛运用于国防、通信、医疗和测量等领域中。半导体激光器需要专用的驱动电路,普遍均选用恒流源电路。市场上专业的激光器驱动设备特性和功能好,功能强盛,但是价格昂贵,体积较大,对产品开发来讲,一款小巧、功能简单、特性和功能稳定、价格低廉的激光器驱动电路很具备适用价值。

  在传感和检测等应用领域,常常需要激光器工作在恒定功率状態,而半导体激光器是非线性器件,受温度等影响较大,电路中电阻等元器件的老化也会改变半导体激光器的特性,因此需要赔偿各种因素产生的影响。而在发射阈值电流以上时,半导体激光器的发光功率与驱动电流成线性关系,这让经过控制驱动电流来调剂发光功率成可能。

  电路工作原理剖析

  图1所示为激光器自动功率控制系统原理框图,全体电路产生一个闭合环路,经过负反馈机制稳定激光器的输出功率。该驱动电路由电压比较器、电容充放电模块、恒流源和反馈回路构成,电容充放电模块按照比较器输出电压的高低循环跳变来对电容进行充放电,终究将其电压值稳定在某预设值,从而间接控制恒流源的输入电压,并进一步控制激光器电流,恒流源直接驱动LD激光器,它的输入电压和激光器驱动电流成正比例关系。

半导体激光器自动功率控制电路设计

图1 激光器自动功率控制系统原理图

  系统上电后,电压比较器的正端设定正电压值VSET,负端电压假设为0,则比较器输出的低电平导致电容充放电模块对电容充电,伴随着电容电压的迟缓上涨,恒流源的驱动电流不断升高,激光器输出光强不断升高,PIN探测电流变大,从而导致反馈回路输出电压升高,直至高过比较器正端电压VSET后,比较器输出由低电平跳变成高电平,接着执行上述过程的反过程:电容放电、激光器功率减小,由此循环来去,终究稳定激光器发光功率。

  恒流源

  半导体激光器的可靠稳定工作需要精密电流源,设计使用电流源电路源自于负反馈运算放大电流电路,该电路具备结构简单、噪音小等长处,其结构如图2所示。

半导体激光器自动功率控制电路设计

图2 具备关断功能的阴极共地型激光器电流源

  电路经过BIN输入端电压控制1欧姆电阻电压来控制激光器电流,由LT1789的固定增益输出反馈给LT1006反相输入端而产生闭环,LT1789的引入使激光器阴极得以共地,便于测试。另外,增加了激光器电流关断控制电路,ENABLE使能端经过将Q1的基极电位拉地来关断激光器电流,相当于激光器开关封闭,而当开关打开时,可实现激光器电流迟缓地上涨至预订值。元器件选用上,LT1006运算放大器和LT1789仪表放大器均是单电源供电型放大器,可以满足单电源供电的需求。电路工作中,LT1789的放大倍数为A=10,流经激光器电流I与输入电压U的关系为:

  I=0.1U (1)

  其中,I的单位为毫安,U的单位为伏特,即当输入电压由0V改变到2.5V时,可实现激光器电流由0mA到250mA的线性改变。



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