半导体激光器驱动电路设计（两款半导体电路设计）

一。半导体激光器驱动器输出电路的设计

随着科学技术的飞速发展，半导体激光器技术已深入到国民经济和国防建设的各个领域。半导体激光器具有其它激光器无法比拟的特性，比如：常见的激光器如He-Ne激光器，采用高压激发（约1500V），而半导体激光器采用3～5V的低电压激发，相比之下，半导体激光器的激励方式较为安全，并且效率比普通激光器高数十倍；在一些测量仪器中，选用半导体激光器照明，能满足单色性好，相干性好，光束准直，精度高等要求，在远距离通讯、激光雷达、数字信号的存储和恢复、激光测距、机器人、全息应用、医学诊断等方面都有广泛的应用。但半导体激光器对工作条件要求苛刻，在不适当的工作或存放条件下，会造成性能的急剧恶化乃至失效。所以，使激光器正常工作的激光器驱动电源就显得尤为重要。因而在实际应用中对激光器驱动器的性能有着很高的要求。

半导体激光器（LD）具有体积小、重量轻、转换效率高、工作寿命长等优点，在工业、军事、医疗等领域得到了广泛应用。LD是以电流注入作为激励方式的一种激光器，其使用寿命、工作特性在很大程度上取决于所用驱动电源的性能好坏。

半导体激光器本身的性质决定其抗浪涌冲击能力差，这就要求驱动电源的稳定度高，浪涌冲击小，因此驱动电源中需要各种保护电路以满足实际要求。通常用慢启动电路、TVS（瞬态抑制器）吸收电路、限流电路等来防止浪涌冲击及电流过大。但大功率半导体激光器的工作电流较大，并且半导体激光器比较脆弱，传统的慢启动电路、TVS吸收电路不能很好地满足实际要求。

1 半导体激光器驱动器的理论分析

半导体激光器的应用广泛，因而其相应的驱动技术也显得越来越重要。半导体激光器的驱动技术通常采用恒电流驱动方式，在此工作方式中，通过电学反馈控制回路，直接提供驱动电流电平的有效控制，由此获得最低的电流偏差和最高LD（Laser Diode）输出的稳定性。整体的设计思想是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。驱动器的框图如图1所示：

该驱动器由电压基准电路，末级电路（电流驱动），显示电路，调制输入电路，保护电路等部分组成。驱动器工作在恒流的工作方式时，首先由电压基准产生一个精度及稳定度`比较高的基准电压，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，并将其送回电压-电流转换器与基准电压共同控制运放，从而形成一个深度负反馈的闭环系统，使得输出电流保持在设定值上恒定不变［2］。

本文阐述的驱动器采用恒电流驱动，该驱动方式是一种常见的半导体激光器工作方式，当半导体激光器工作在恒电流状态时，对驱动器最主要的要求是输出电流的稳定性，这也是驱动器设计需要解决的主要问题。

2负反馈稳定输出电流的原理

所谓反馈是把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）回送到输入端的过程。如果引入的反馈信号与输入信号极性相反，削弱了输入信号的作用，使放大电路的放大倍数降低，则称为负反馈。在各种放大电路中，利用负反馈的方法来改善各项性能，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2所示： 在放大电路的输出端有取样网络，对输出信号V0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。

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|），即引入反馈后，放大倍数减小了，这种反馈一般称为负反馈。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|）可简化为Af≈1/F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。由于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。

3电流控制原理

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，可以获得合适的输出电流，该驱动器的末级电路（电流驱动）设计如图3所示。

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，并由此获得相应的输出电流，输出电流在取样电阻上产生取样电压，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。

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Vt的关系。

4 仿真结果分析

本文借助于Protel99SE软件进行仿真分析，来验证电路设计的准确性。该软件是以PSPICE为核心，对电子电路不仅能进行直流、交流和瞬态等基本的电路特性分析，还可以进行参数扫描、灵敏度、蒙特卡诺统计、最坏情况和优化分析，并可以将各种仿真分析的结果以波形或图表的方式直观地显示出来，因此它在电子电路的设计中得到了广泛的应用［1］

瞬态特性分析

为了检测输出电流在一定时间范围内是否恒定为250 ，因此有必要对电路进行瞬态特性分析。给输入端的基准电压提供一个阶跃信号。该信号如图4所示：阶跃信号高电平电压为5V，脉冲宽度为30s，时间变化范围为0-50s。观测R上的电流是否是稳定输出电流。从电路原理分析可知，

根据电路原理选定根据所设置的参数若输入基准电压 为5V，经过计算可知输出电流 约为250 。结果如图5所示，经过仿真分析验证了无论时间如何变化，当输入的基准电压为5V，输出电流始终保持250 。

直流扫描分析

因为恒电流驱动电路的输出电流和基准电压的关系为：

由公式可见，当电阻参数不变时，I0随Vr的增加而增加I0与Vr呈线性变化。可以利用直流扫描分析来检验这种输出与输入的关系。因此选择Vr作为扫描对象，观察输出电流随基准电压的变化规律。仿真结果如图6所示：

图6中的曲线反映了基准电压和输出电流的关系。从曲线上可以看出，Vr在0-5V范围内I0随着Vr的增加而增加。如果要改变输出电流的大小可以在其他参数不变的情况下通过改变基准电压来改变输出电流。例如：输出电流为200mA ，则输入电压等于4V时。所以根据仿真实验结果可知，可以由输出电流来确定基准电压的大小。

二。调制型半导体激光器驱动电路设计

半导体激光器是理想的电子-光子直接转换器件，有很高的量子效率，微小的电流变化都将导致其输出光强的很大变化，驱动电源的技术指标及质量直接关系到激光输出功率、效率和寿命。不符合要求的驱动电源会导致激光器的性能急剧恶化乃至失效，因此，作为半导体激光器对电源的要求较高。

（1）半导体激光器是依靠载流子直接注入而工作的，注入电流的稳定性对激光器的输出有直接、明显的影响。因此，要求半导体激光器电源是恒流源，具备很高的电流稳定度和很小的纹波系数，否则会直接影响激光器激光输出功率、波长等的稳定性。

（2）半导体激光器作为一种结型器件，对电流冲击的承受能力很差。因此，半导体激光电源中必须有特殊的抗电流冲击措施和保护电路，具有较高的抗干扰能力和抑制瞬态电流或电压尖峰措施。

（3）对纹波系数要求有特殊要求，能有效抑制谐波干扰和减小电网污染。半导体激光器的驱动技术通常采用电流恒定控制（ACC）、功率恒定控制（APC）和电压恒定控制（AVC），在此工作方式下，通过负反馈原理控制回路，直接提供驱动电流的有效控制。此外，瞬态的电流或电压尖峰脉冲，以及过流、过压都会损坏半导体激光器，因此驱动电路中还应考虑特殊的抗电流冲击措施和保护电路。

基于电流负反馈原理设计了包含调制电路、慢启动电路、保护电路和恒流源的驱动电路。利用运算放大器在交流和直流电压的驱动下对驱动电路加载低频调制信号，降低非线性失真；利用三极管的频带及开关特性对激光器加载高频开关调制信号，使激光器能够在不同调制信号下工作，达到对激光器的调制目的。经过试验验证反馈电阻的反馈电流漂移在0.1mA左右，达到了很好的调整目的。

1调制型半导体激光器驱动电路原理

图1所示为电路原理框图，半导体激光器驱动调制电路由四部分组成，包括恒流电路、慢启动、保护和调制信号产生电路。恒流电路产生高稳定度驱动电流。慢启动的作用是消除电路中可能存在的浪涌，防止浪涌对激光器的危害。为避免由于过流等因素引起半导体激光器不可恢复的损坏，则在驱动电路中加入限流保护。调制信号产生电路实现调制和频率可调。

如图2所示为低频调制电路原理图。利用运算放大器在电路中通过低频信号可以有效降低非线性失真的特性，设计低频调制电路，通过把交流、直流信号配比后来驱动半导体激光器。

在图3为高频开关调制电路图。利用三极管在饱和状态下导通和截止状态下切断的特性，设计半导体激光器的高频调制电路。当三极管的基极电压为0V时，三极管处于截止状态，集电极没有电流通过，当三极管的基极电压为5V时，三极管处于饱和状态，此时通过激光器的电流要分一部分通过三极管的集电极，随着三极管状态的不断变化，使集电极的电流不断发生变化，最终表现在通过LD的电流发生变化。而三极管基极的电压变化由电阻右端的外接输入电路来调整。

由于三极管的频带较宽，同时在低频条件下非线性失真较大，所以互补了运算放大器在高频条件下无法实现理想调制的缺点，综合考虑为激光器设计出一种在高频条件下利用三极管的开关特性的高频开关调制电路。

2系统性能测试

图4为实际作出的激光器驱动电路实物图，所用激光器为带多模光纤耦合输出的可见光635nm半导体激光器，工作电流为50mA，在未加调制时激光器输出光功率稳定，表明电路设计合理。

图5所示为在调制时光电探测器探测的激光器输出光强信号。当用低频正弦调制激光器时，激光器输出光强也正弦变化，而且失真较小。当用高频开关调制光器时激光器输出光强开关变化，但是存在高频失真。

表1是通过观察反馈电阻（阻值为1Ω）的电压变化，可以得到反馈电压的漂移范围在0.1mV范围内，通过反馈电阻的电流漂移就在0.1mA范围内，使反馈的电流能够在很好的范围内稳定。

基于电流负反馈原理设计了包含调制电路、慢启动电路、保护电路和恒流源的驱动电路。利用运算放大器在交流和直流电压的驱动下对驱动电路加载低频调制信号，降低非线性失真；利用三极管的频带及开关特性对激光器加载高频开关调制信号，使激光器能够在不同调制信号下工作，达到对激光器的调制目的。经过试验验证反馈电阻的反馈电流漂移在0.1mA左右，达到了很好的调整目的