SLED激光器驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

摘要：激光驅(qū)動(dòng)電流的穩(wěn)定性是影響激光驅(qū)動(dòng)器性能的重要參數(shù)，但激光驅(qū)動(dòng)器的高電流值難以維持穩(wěn)定。此外，驅(qū)動(dòng)電流的范圍應(yīng)盡可能地寬以適用于不同種類的激光器。針對(duì)以上問題，文章以超輻射發(fā)光二極管(SLED)激光驅(qū)動(dòng)器為應(yīng)用實(shí)例，并采用閉環(huán)控制技術(shù)以保持驅(qū)動(dòng)電流穩(wěn)定，該系統(tǒng)能夠產(chǎn)生4mA至200mA隨外部電阻值變化的穩(wěn)定的電流。

關(guān)鍵詞：激光驅(qū)動(dòng)器;穩(wěn)定電流;功率控制

1 前言

超輻射發(fā)光二極管(SLED)產(chǎn)生的寬波段光具有高的光功率，波長(zhǎng)范圍1.53nm至1.56nm，光功率可超過5mW。光纖傳感器是由2Km長(zhǎng)的保偏 (PM)光纖緊貼組合而成的線圈，PM線圈檢測(cè)到機(jī)械系統(tǒng)的振動(dòng)并將其轉(zhuǎn)換到集成光學(xué)芯片，由芯片處理的信號(hào)被耦合到信號(hào)檢測(cè)器，并轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)。光學(xué)功率噪聲檢測(cè)器被用來檢測(cè)該光功率的噪聲信號(hào)，并用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)來過濾噪聲。用這種高光功率源，該系統(tǒng)的信號(hào)噪聲比(SNR)被由光源產(chǎn)生的噪聲，而不是分散的噪聲所限制。光功率源是光纖陀螺儀的關(guān)鍵部件，它必須提供穩(wěn)定，充足的光功率。在實(shí)踐中，它通常是一個(gè)通過一定的電流驅(qū)動(dòng)的SLED。

SLED具有電流輸入光功率輸出的傳遞函數(shù)，如圖1所示。當(dāng)SLED的驅(qū)動(dòng)電流超過ITH，SLED的光功率將正比于驅(qū)動(dòng)電流。因此，該SLED的光功率可以很好地通過控制SLED的驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行控制。

2 電路設(shè)計(jì)

該激光驅(qū)動(dòng)器電路可提供輸出從4mA到200mA范圍的一個(gè)穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電流。

2.1 功率控制器構(gòu)建

該功率控制器的構(gòu)建塊如圖2所示，其設(shè)計(jì)是基于光電反饋理論。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后，電源控制器提供給SLED穩(wěn)定的電流，從而使SLED的光功率恒定。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，輸出電流由外部電阻決定;當(dāng)外部環(huán)境變化時(shí)，光纖系統(tǒng)的光功率改變，從而導(dǎo)致由監(jiān)控二極管產(chǎn)生的變化的電流。然后，光電流被反饋到功率控制器，并經(jīng)由外部電阻轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓值，用它與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。比較的結(jié)果經(jīng)放大器傳送到驅(qū)動(dòng)電流的控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)電流源的驅(qū)動(dòng)電流，使得電流源陣列變化的輸出電流相應(yīng)地變化。通過這種方式，SLED的驅(qū)動(dòng)電流可保持不變，這意味著當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)光纖系統(tǒng)的光功率保持恒定。

如圖2，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流IOUT的電流值由外部電阻REXT確定。假定I2/I1，I3/I2，IOUT/I3是B1，B2和B3，那么IOUT 的值可通過改變N2，N3，P1，P2，Q1/Q3和Q2/Q4的值很容易地實(shí)現(xiàn)。IM對(duì)B4的比值是由所使用的監(jiān)控二極管的規(guī)格確定。REXT和 IOUT之間的關(guān)系如(1)至(5)五個(gè)方程，其中有6個(gè)變量(包括REXT)，這意味著REXT與IOUT一一對(duì)應(yīng)，式(6)為傳輸函數(shù)。在公式中，監(jiān)控電流的變化由式(7)決定：

其中AOC為A1的共模增益，AOD為A1的差模增益，并且gmN1是N1的跨導(dǎo)。在設(shè)計(jì)中，A1和A2是單級(jí)級(jí)聯(lián)放大器，這樣系統(tǒng)的極點(diǎn)是由放大器的輸出和電流鏡產(chǎn)生的。由電流鏡產(chǎn)生的磁極為fT(2+B)，這是非常高的頻率值，其中B是電流鏡的增益。要獲得一個(gè)足夠的相位裕度，A1的輸出是由一個(gè)高電容和高電阻連接到地，所以A1的輸出是主極點(diǎn)。

2.2 輸出級(jí)

激光器輸出級(jí)如圖3所示，它提供電流來驅(qū)動(dòng)激光器，并直接影響SLED的輸出。

輸出晶體管被設(shè)置為10*10的雙極級(jí)聯(lián)陣列。為提供足夠的電流，輸出晶體管的基極電流需要足夠大，基極電流由Q2和M9提供。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，輸出電流為 200毫安，假設(shè)雙極性的β電流增益是100，因此，基極電流至少為200mA/β。M8/M7和Q2/Q1等于4，這意味著I3等于 16I1，M3/M1，M4/M2，M5/M1和M6/M2等于2。所以Q3的基極電流的電流是14，這限制了最大輸出電流，并且Q3應(yīng)大于2 mA。的最小值為2mA/14，它是142μA。所以，基極電流大于142μA經(jīng)常被用來確保輸出晶體管保持在正向有源區(qū)的，這里基極電流是155μA。

所述Vbias1，Vbias2，和Vbias3和由偏置電路產(chǎn)生，如圖4所示。通過經(jīng)典低電壓級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生Vbias2和Vbias3，Vbias1由放大器產(chǎn)的。電壓被反饋到放大器的負(fù)端口，以產(chǎn)生穩(wěn)定的偏置電壓，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，一個(gè)電容被用于增加點(diǎn)A的阻抗，使得它成為主極點(diǎn)。運(yùn)算放大器被設(shè)計(jì)成一個(gè)單級(jí)級(jí)聯(lián)放大器，這確保了系統(tǒng)更好的穩(wěn)定性。

2.3 校準(zhǔn)參考電流

在該設(shè)計(jì)中，輸出是一個(gè)電流，并且許多偏置電壓通過基準(zhǔn)電流產(chǎn)生。這樣，參考電流的精度對(duì)于激光驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)能力，穩(wěn)定性和精度非常重要。

參考電壓是由一個(gè)簡(jiǎn)單的一階補(bǔ)償電路產(chǎn)生，基于參考電壓，所述參考電流產(chǎn)生并在圖5校準(zhǔn)。它是由一個(gè)誤差放大器，一個(gè)參考電壓源，一個(gè)比較器，一個(gè)逐次逼近寄存器(SAR)的邏輯電路，和一個(gè)6位數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)組成。

參考電流是通過由基準(zhǔn)電壓電路，埃羅放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的反饋電路產(chǎn)生的。電壓被反饋到誤差放大器的正極端口與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，誤差放大器放大該差壓到M1的柵極電壓，以這種方式，產(chǎn)生一定的電流。為獲得更高精度的電流，消除誤差的校準(zhǔn)是必需的。

校準(zhǔn)是通過一個(gè)特區(qū)邏輯電路和一個(gè)6位的DAC。當(dāng)校準(zhǔn)開始時(shí)，6位的DAC輸入數(shù)據(jù)被定義為011111，或半滿刻度。特區(qū)邏輯將修改DAC的輸入數(shù)據(jù)，并改變其輸出電流，直到該參考電流值可以等于IREF，如果參考電流等于IREF，校準(zhǔn)停止。

3 仿真結(jié)果

該激光驅(qū)動(dòng)器輸出能力的仿真結(jié)果示于圖6，這是不同條件下的仿真結(jié)果圖：(a)常溫(25℃)下激光驅(qū)動(dòng)器隨外部電阻值變化的輸出仿真結(jié)果;(b)低溫 (-40℃)中激光驅(qū)動(dòng)器隨外部電阻值變化的輸出仿真結(jié)果;(c)高溫(125℃)中激光驅(qū)動(dòng)器隨外部電阻值變化的輸出仿真結(jié)果;(d)電壓4.5V，溫度-40℃時(shí)激光驅(qū)動(dòng)器隨外部電阻值變化的輸出仿真結(jié)果。通過對(duì)在不同條件下仿真結(jié)果圖的對(duì)比可得，該系統(tǒng)能夠產(chǎn)生隨外部電阻值變化的穩(wěn)定電流。圖中y是外部電阻的值，單位是kΩ，Y0是輸出電流，單位mA。

4 結(jié)論

所述系統(tǒng)設(shè)計(jì)出一個(gè)以閉環(huán)控制技術(shù)來維持激光驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電流穩(wěn)定的SLED激光驅(qū)動(dòng)器，并基于光電反饋理論設(shè)計(jì)了功率控制器，可實(shí)現(xiàn)激光器自動(dòng)功率控制。該系統(tǒng)的電路詳細(xì)，在初始設(shè)置后能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的范圍從4mA到200mA的電流。設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果表明，在不同的外部條件下該系統(tǒng)能夠產(chǎn)生隨外部電阻值變化的穩(wěn)定電流。實(shí)驗(yàn)表明該設(shè)計(jì)可以很好地工作，在穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)激光器的前提下，還可以使激光器安全長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。