半导体激光器驱动电源的设计及仿真

李晓雷，蒲南江，李小虎，刘洋，李文超

（中北大学 信息与通信工程学院 太原 030051）

0 引言

半导体激光器具有转换效率高，体积小，重量轻，可靠性高，能直接调制等优点。由于激光器的这些优良特性，因而越来越广泛地被用于国防、科研、医疗、光通信等领域。半导体激光器的抗上电冲击的能力很差，微小的电流变化都会导致光功率的极大变化以及器件参数的变化。这就对半导体激光器的驱动电源有着极高的要求。半导体激光器的驱动电源应具备以下特点：恒流源提供的输出电流要稳定；恒流源要提供足够的保护措施，因为电源的瞬间启动会影响激光器的性能，甚至损坏器件[1]。

1 半导体激光器驱动电源理论分析

我们要求驱动电源输出电流时，首先由电压基准产生一个高精度、高稳定的基准电压，然后由电位器对基准电压进行取样，并将取样值送入电压——电流转换器，由此获得受取样电压控制的输出电流，由于该输出电流不稳定，因此我们需要从电流放大器的输出电流中进行电压取样并送回电压——电流转换器，与基准电压共同作用，从而形成一个深度负反馈的闭环系统，使得输出电流维持在设定值上恒定不变。

在恒定电流工作方式中，通过电学反馈控制回路，直接提供驱动电流的有效控制，由此获得最低的电流偏差和稳定性最高的LD电流输出。当LD的温度也受控时，会产生更好的效果[2]。

所谓反馈是指将电子线路的输出量的全部或一部分，从输出端通过一定的路径（反馈网络）回送到输入端，以影响输入电量（电压或电流）的过程。如果引入的反馈信号量起到了削弱了输入信号量的作用，使放大电路的放大倍数降低，则称这种反馈为负反馈[3]。在各种放大电路中，利用负反馈的方法来改善电路各项性能，使电路输出量（电压或电流）的变化反馈到输入端，从而控制输出端的变化，起到自动调节的作用。负反馈放大电路主要由基本放大电路及反馈网络组成，如图1所示： 在放大电路的输出端有取样回路，对输出信号V0进行取样，放大电路输入端有相加网络，用于输入信号与反馈信号的比较，将比较结果作为基本放大电路的输入信号[4]。

图1 基本放大电路

A是无反馈时反馈放大电路的放大倍数；F是反馈系数；Vf和 V0分别是反馈网络的输出和输入。由于F=Vf／V0是反馈系数，因此设Af是加入负反馈网络后的放大倍数。

由上式可见，引入负反馈后，放大倍数改变了，放大倍数Af的大小与(|1+AF|)有关。若(|1+AF|＞1)即引入反馈后，放大倍数减小了，这种反馈称为负反馈。引入负反馈后，当输入信号一定时，负反馈能使输出保持恒定，就是能维持放大倍数恒定。从数学表达式来看，当反馈很深，(|1+AF|＞＞1)可简化为Af≈ 1F这就是说，引入负反馈后，放大器的放大倍数只决定于反馈网络，而与放大器几乎无关。反馈网络一般都由参数比较稳定的无源元件构成，其传输系数十分稳定，只要反馈放大器的环路传输足够大，放大器的闭环增益可基本不受影响[5]。

由于半导体激光器驱动器输出电流在几十毫安至几安之间，因此本文选定输出电流为 作为驱动器的输出电流。由上述分析可知：如果把将负反馈原理应用到驱动器的设计中，可以获得稳定的输出电流，该驱动器的电流驱动基本电路如图2所示。

图2 电流驱动基本电路

基准电压Vr送入运放A1的同相端，该运放控制放大器的导通程度，由此获得相应的输出电流，输出电流在取样电阻上产生相应的取样电压，同时该取样电压经放大后作为反馈电压反馈回电压放大器A1的反相输入端,并与同相输入端的电压（即由基准电压产生并经过前级放大后的电压）比较，对输出电压进行调整，进而对放大器的输出电流进行调整，使整个闭环反馈系统处于动态的平衡中，以达到稳定输出电流的目的[6]。

我们也可以通过公式推倒，可以找出输出电流I0和控制电压Vr的关系。

由上式可见，当Vr一定时I0与Af成正比变化，当AF与R成反比，随着R的增加，输出电流I0逐渐下降，从而达到稳定输出电流的目的[7]。

2 电路设计与仿真

图3为所给半导体激光器的工作参数和特性曲线。

图3 激光器工作参数

本文电路的设计是需要得到一个稳定的电流输出，由参数表可知，我们可以运用1.7A的电流。

运用Multisim做出的电路仿真图如图4所示。

图4 驱动电路仿真图

在仿真中为了方便所用器件全部为理想器件,实际应用中电流表XMM1所在的位置就是要接半导体激光器的地方。

次电路的设计运用了反馈原理，在前面所讲的电流驱动基本电路的基础上进行了具体的设计，在第一个运放的输入端加上了防冲击电路。

在电源接通之前开关J1处在关闭状态，此时电阻R6、R5为并联，电阻小，分得的电压也小，通过电压表测得运放U1的正想输入端电压为1.251V，该运放控制放大器的导通程度也较小，相应的输出电流也较小，当XMM1显示稳定后，即输出电流稳定，得到输出电流为1.126A。然后打开开关J1，此时由于只有电阻R5起作用，所以电阻阻止增加，分得的电压也随之增加，经测量为1.916V，该运放控制放大器的导通程度变大，输出电流也增大，测量的1.725A，达到激光器所需电流，否和要求。在开关打开之前电路已经达到稳定，所以在打开开关之后电路也是稳定的，这就避免了在接通电源的瞬间产生过高的电流，从而烧坏激光器，起到了保护的作用，因而此电路也省去了延时保护电路，更加简化了设计，减少了误差。

3 结束语

本文采用的是恒流源驱动方式，运用负反馈原理稳定输出电流，由此获得最低的电流偏差和最高的电流输出稳定性，运用负反馈与原理能够使电路更加易于调试，半导体激光器的价格普遍较高，而且抗上电冲击能力很差，所以在设计电路时要考虑到对半导体激光器的保护。本文涉及的电路简单实用，同时并使用了Multisim软件对电路进行了仿真，得到了需要的数据，验证了电路的准确性。

[1]栖原敏明.半导体激光器基础[M].周南生 译.北京:科学出版社,2002.

[2]黄德修.半导体激光器及其应用.北京:国防工业出版社,1999.

[3]童诗白.模拟电子技术第三版 [M].北京:高等教育出版社,2001.

[4]马场清太郎.运算放大器应用电路设计[M].北京:科学出版社, 2007.

[5]范珩,田小建.半导体激光器驱动器输出电路的设计[M].电子测量技术,2007,30(10).

[6]邓军.大功率半导体激光器驱动器的研究与设计[D].长春:吉林大学,2003.

[7]彭军.运算放大器及其应用[M].北京:科学出版社,2008.

[8]蒋卓勤.Multisim2001及其在电子设计中的应用[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2003.