半导体激光器驱动电路设计及环路噪声抑制分析
发布时间：2021-01-01 02:24
为了防止驱动电流的波动会影响半导体激光器激射波长及发光功率,设计了一款具有较强抗干扰能力的半导体激光器驱动电路。该驱动电路以深度负反馈架构为核心,通过STM32控制器调节输出电流直流信号的大小以及调制波信号的频率与幅值。对整个环路进行一阶人工分析,并且结合Tina-TI仿真引入参数可调的噪声抑制网络,保证目标设置频率下环路响应能力的同时具有较强的抗干扰能力。实验表明,该激光器电流驱动电路对目标频率10倍频程以上环路噪声的抑制可达到20 dB以上,并且对目标频率的调制波响应良好,频率的输出值与设定值最大偏差为0.001 Hz,控制线性度为0.999 9,直流偏置下驱动电流2 h短期稳定度优于0.005 6%,63 h长期稳定度优于0.011%,激光器功率控制线性度为0.999 4,标准误差为0.092 87。
【文章来源】：红外与激光工程. 2020年06期 北大核心
【文章页数】：10 页
【图文】：
Tina-TI仿真图Fig.5Tina-TIsimulationdiagram
出电流值，并在上位机进行显示。为了保证激光器运行的安全性，设计了慢启动单元，对ACC模块进行延时上电，并且在激光二极管(LaserDiode，LD)两端反向并联肖特基二极管，防止电路产生反向电流对LD造成破坏。该电路采用电源分组提供，PCB数字模拟地分开布局单点接地的方式减小相互干扰。图1整体框图Fig.1Overallblockdiagram1.2自动电流控制模块自动电流控制模块以运放和MOSFET为核心构成深度负反馈系统，如图2所示，通过采样电阻Rsample将电流值转换为电压值，该电压值作为运放U1的负输入端，设置电压作为U1的正输入端，通过比较器U1改变MOS管Q1的基极电压来控制MOS管的导通程度，从而使输出电流稳定在设定值上。其中，Rg为Q1基极的限流电阻，Rg的存在不仅有利于后面环路的分析，也为噪声抑制网络的引入提供了接口。其中，由于设置电压的交流分量较小，而直流分量由DAC提供，在0~3.3V之间，为了保证在0~110mA内的控制精度，选用30Ω，精度为0.1%，温漂系数为25ppm/℃的高精度采样电阻。首先对整个环路建立小信号简化模型，如图3所示。频率调节范围的设计目标为0~50kHz，采用带宽较宽的运放将会增加噪声抑制网络的复杂性，因此在这里采用型号为OP07CDR的运放，该款运放单位增益带宽为600kHz，压摆率为0.3V/μs，满足使用要求，MOS管Q1选取IRF540[1415]。根据OP07的数据手册，其低频主极点fpL为1Hz，高频主极点fpH为4MHz左右，开环输出电阻Ro为60Ω，以此为U1的建模依据进行建模。图3中，Rin为运放U1的输入电阻，V
出电流值，并在上位机进行显示。为了保证激光器运行的安全性，设计了慢启动单元，对ACC模块进行延时上电，并且在激光二极管(LaserDiode，LD)两端反向并联肖特基二极管，防止电路产生反向电流对LD造成破坏。该电路采用电源分组提供，PCB数字模拟地分开布局单点接地的方式减小相互干扰。图1整体框图Fig.1Overallblockdiagram1.2自动电流控制模块自动电流控制模块以运放和MOSFET为核心构成深度负反馈系统，如图2所示，通过采样电阻Rsample将电流值转换为电压值，该电压值作为运放U1的负输入端，设置电压作为U1的正输入端，通过比较器U1改变MOS管Q1的基极电压来控制MOS管的导通程度，从而使输出电流稳定在设定值上。其中，Rg为Q1基极的限流电阻，Rg的存在不仅有利于后面环路的分析，也为噪声抑制网络的引入提供了接口。其中，由于设置电压的交流分量较小，而直流分量由DAC提供，在0~3.3V之间，为了保证在0~110mA内的控制精度，选用30Ω，精度为0.1%，温漂系数为25ppm/℃的高精度采样电阻。首先对整个环路建立小信号简化模型，如图3所示。频率调节范围的设计目标为0~50kHz，采用带宽较宽的运放将会增加噪声抑制网络的复杂性，因此在这里采用型号为OP07CDR的运放，该款运放单位增益带宽为600kHz，压摆率为0.3V/μs，满足使用要求，MOS管Q1选取IRF540[1415]。根据OP07的数据手册，其低频主极点fpL为1Hz，高频主极点fpH为4MHz左右，开环输出电阻Ro为60Ω，以此为U1的建模依据进行建模。图3中，Rin为运放U1的输入电阻，V
【参考文献】：
期刊论文
[1]蝶形半导体激光器恒流驱动设计与实现[J]. 邢素霞,王睿,郭瑞民,崔文超. 激光与红外. 2019(05)
[2]面向红外气体检测的半导体器件温控系统及应用[J]. 闫万红,周言文,余迪,刘志伟,宋芳,郑传涛,王一丁. 光子学报. 2019(03)
[3]大功率半导体激光器驱动电源及温控系统设计[J]. 张龙,陈建生,高静,檀慧明,武晓东. 红外与激光工程. 2018(10)
[4]注入锁定腔增强拉曼光谱微量气体检测技术[J]. 王品一,万福,王建新,陈伟根,朱承治,刘晔. 光学精密工程. 2018(08)
[5]基于遗传算法的DFB激光器驱动系统设计[J]. 张炜. 沈阳工业大学学报. 2018(05)
[6]用于红外气体检测的高稳定性DFB激光器驱动电源[J]. 蒋荣秋,邓伟芬,汪倩倩,侯月,陈晨. 红外与激光工程. 2018(05)
[7]多路半导体激光器驱动电路设计[J]. 梅剑春,叶青,田建国. 激光技术. 2018(02)
[8]TDLAS直接吸收法测量CO2的基线选择方法[J]. 朱晓睿,卢伟业,饶雨舟,李越胜,卢志民,姚顺春. 中国光学. 2017(04)
[9]采用数模混合双闭环方法的DFB激光器驱动电源[J]. 曲世敏,王明,李楠. 红外与激光工程. 2016(11)
[10]一种空间视觉测量子系统用半导体激光器驱动电路设计[J]. 王东宁,张琳,华宝成,郑岩,龚德铸,赵春晖. 空间控制技术与应用. 2016(02)
本文编号：2950773
【文章来源】：红外与激光工程. 2020年06期 北大核心
【文章页数】：10 页
【图文】：
Tina-TI仿真图Fig.5Tina-TIsimulationdiagram
出电流值，并在上位机进行显示。为了保证激光器运行的安全性，设计了慢启动单元，对ACC模块进行延时上电，并且在激光二极管(LaserDiode，LD)两端反向并联肖特基二极管，防止电路产生反向电流对LD造成破坏。该电路采用电源分组提供，PCB数字模拟地分开布局单点接地的方式减小相互干扰。图1整体框图Fig.1Overallblockdiagram1.2自动电流控制模块自动电流控制模块以运放和MOSFET为核心构成深度负反馈系统，如图2所示，通过采样电阻Rsample将电流值转换为电压值，该电压值作为运放U1的负输入端，设置电压作为U1的正输入端，通过比较器U1改变MOS管Q1的基极电压来控制MOS管的导通程度，从而使输出电流稳定在设定值上。其中，Rg为Q1基极的限流电阻，Rg的存在不仅有利于后面环路的分析，也为噪声抑制网络的引入提供了接口。其中，由于设置电压的交流分量较小，而直流分量由DAC提供，在0~3.3V之间，为了保证在0~110mA内的控制精度，选用30Ω，精度为0.1%，温漂系数为25ppm/℃的高精度采样电阻。首先对整个环路建立小信号简化模型，如图3所示。频率调节范围的设计目标为0~50kHz，采用带宽较宽的运放将会增加噪声抑制网络的复杂性，因此在这里采用型号为OP07CDR的运放，该款运放单位增益带宽为600kHz，压摆率为0.3V/μs，满足使用要求，MOS管Q1选取IRF540[1415]。根据OP07的数据手册，其低频主极点fpL为1Hz，高频主极点fpH为4MHz左右，开环输出电阻Ro为60Ω，以此为U1的建模依据进行建模。图3中，Rin为运放U1的输入电阻，V
出电流值，并在上位机进行显示。为了保证激光器运行的安全性，设计了慢启动单元，对ACC模块进行延时上电，并且在激光二极管(LaserDiode，LD)两端反向并联肖特基二极管，防止电路产生反向电流对LD造成破坏。该电路采用电源分组提供，PCB数字模拟地分开布局单点接地的方式减小相互干扰。图1整体框图Fig.1Overallblockdiagram1.2自动电流控制模块自动电流控制模块以运放和MOSFET为核心构成深度负反馈系统，如图2所示，通过采样电阻Rsample将电流值转换为电压值，该电压值作为运放U1的负输入端，设置电压作为U1的正输入端，通过比较器U1改变MOS管Q1的基极电压来控制MOS管的导通程度，从而使输出电流稳定在设定值上。其中，Rg为Q1基极的限流电阻，Rg的存在不仅有利于后面环路的分析，也为噪声抑制网络的引入提供了接口。其中，由于设置电压的交流分量较小，而直流分量由DAC提供，在0~3.3V之间，为了保证在0~110mA内的控制精度，选用30Ω，精度为0.1%，温漂系数为25ppm/℃的高精度采样电阻。首先对整个环路建立小信号简化模型，如图3所示。频率调节范围的设计目标为0~50kHz，采用带宽较宽的运放将会增加噪声抑制网络的复杂性，因此在这里采用型号为OP07CDR的运放，该款运放单位增益带宽为600kHz，压摆率为0.3V/μs，满足使用要求，MOS管Q1选取IRF540[1415]。根据OP07的数据手册，其低频主极点fpL为1Hz，高频主极点fpH为4MHz左右，开环输出电阻Ro为60Ω，以此为U1的建模依据进行建模。图3中，Rin为运放U1的输入电阻，V
【参考文献】：
期刊论文
[1]蝶形半导体激光器恒流驱动设计与实现[J]. 邢素霞,王睿,郭瑞民,崔文超. 激光与红外. 2019(05)
[2]面向红外气体检测的半导体器件温控系统及应用[J]. 闫万红,周言文,余迪,刘志伟,宋芳,郑传涛,王一丁. 光子学报. 2019(03)
[3]大功率半导体激光器驱动电源及温控系统设计[J]. 张龙,陈建生,高静,檀慧明,武晓东. 红外与激光工程. 2018(10)
[4]注入锁定腔增强拉曼光谱微量气体检测技术[J]. 王品一,万福,王建新,陈伟根,朱承治,刘晔. 光学精密工程. 2018(08)
[5]基于遗传算法的DFB激光器驱动系统设计[J]. 张炜. 沈阳工业大学学报. 2018(05)
[6]用于红外气体检测的高稳定性DFB激光器驱动电源[J]. 蒋荣秋,邓伟芬,汪倩倩,侯月,陈晨. 红外与激光工程. 2018(05)
[7]多路半导体激光器驱动电路设计[J]. 梅剑春,叶青,田建国. 激光技术. 2018(02)
[8]TDLAS直接吸收法测量CO2的基线选择方法[J]. 朱晓睿,卢伟业,饶雨舟,李越胜,卢志民,姚顺春. 中国光学. 2017(04)
[9]采用数模混合双闭环方法的DFB激光器驱动电源[J]. 曲世敏,王明,李楠. 红外与激光工程. 2016(11)
[10]一种空间视觉测量子系统用半导体激光器驱动电路设计[J]. 王东宁,张琳,华宝成,郑岩,龚德铸,赵春晖. 空间控制技术与应用. 2016(02)
本文编号：2950773
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