無線激光通信系統(tǒng)驅動與前置放大電路設計

　　通信激光發(fā)射模塊工作原理：將編碼后電信號作為調制信號，經(jīng)過半導體激光驅動器，改變半導體激光器的輸入電流，從而使半導體激光器輸出激光的功率隨調制信號而改變，即產(chǎn)生調制的光信號。調制光信號經(jīng)光纖準直器耦合進入光學發(fā)射天線，光學發(fā)射天線壓縮光束發(fā)散角，使其達到系統(tǒng)要求的指標，然后將光束發(fā)射出去。

　　信標激光發(fā)射模塊為激光通信鏈路的建立提供用來對準的信標光，為了方便激光發(fā)射和接收部分的對準，要求信標光的光束具有較大的柬散角和較高的輸出功率。 驅動部分是由基準電壓源產(chǎn)生基準電壓，然后將激光器（LD）輸出電流轉換為電壓進行取樣，經(jīng)過反饋環(huán)路與基準電壓進行比較，利用反饋量來控制驅動電流大小，使供給激光器電流恒定，從而實現(xiàn)恒流控制；將檢測二極管（PD）電流大小反饋給驅動，實現(xiàn)功率自動控制；溫度控制部分是由內部熱敏電阻通過電橋電路放大供給后續(xù)的TEC電路，利用TEC處理芯片實現(xiàn)溫度監(jiān)測和控制。此外由脈沖信號源生成一定周期的時鐘頻率信號，作為發(fā)射模塊控制頻率，從而達到實現(xiàn)脈沖輸出。

　　激光器驅動電路設計，激光器驅動電路如圖2所示，電路設計中，主要采用運算放大器和自動增益控制電路。在該圖中電路主要分成兩個部分，圖中的上半部分電路主要為脈沖驅動，下半部分電路主要為自動增益控制電壓電路。

　　在上半部分電路中，P1為SMA接頭，采用50 Ω阻抗匹配將脈沖控制信號接入作為調制激光器驅動的調制信號，通過后續(xù)比較器和驅動電路實現(xiàn)開關控制。VD7為穩(wěn)壓二極管提供穩(wěn)定電壓，通過調整滑動變阻器來實現(xiàn)比較器負輸入端參考電壓的設定。U8為MAX953集成芯片，內部集成了比較器和放大器。在該部分設計中，通過比較器實現(xiàn)脈沖控制電壓和參考電壓的比較，將比較信號送入后續(xù)由MAX953芯片內的放大器構成的電壓跟隨器正向輸入端。在電壓跟隨器的正向輸入端外接參考電壓的上拉電阻相接，比較器輸出開關信號來控制電壓跟隨器正向輸入端的電壓大小實現(xiàn)開關功能，以便完成后續(xù)供給場效應管VQ10的開啟和導通，從而實現(xiàn)脈沖開光信號的整體控制。通過反饋電壓控制電壓跟隨器的上拉電壓達到電流恒定驅動的目的。

　　在下半部分電路中，將恒電流反饋或恒功率反饋控制信號通過運放放大，其中運放仍采用U10中的內部放大器，將該運放作為電壓跟隨器，輸出信號進入運放 U11A的正向輸入端實現(xiàn)放大。U11B為運放減法電路，將上級放大輸出信號與參考電壓進行比較輸出，VD10為穩(wěn)壓二極管提供穩(wěn)定電壓，調整滑動變阻器 R77和R70構成的分壓電路來實現(xiàn)比較器負輸入端參考電壓的設定。在該部分電路設計中，自動增益控制電路中的放大器選取帶寬較窄、轉換速度不能過快的放大器為宜。由于調制頻率為kHz數(shù)量級，因此帶寬過大會有很大的噪聲干擾，為了使自動增益控制電壓維持恒定，必須使該電壓變換緩慢，所以選取轉變速度較為緩慢的運算放大器。R61為恒電流模式中的采樣電阻，即它將LD的電流轉換為電壓信號，通過反饋回路作為恒流控制信號，將該小信號放大供給后續(xù)反饋回路。 由于LD的輸出功率與驅動電流有關，所以驅動電流的穩(wěn)定性是決定LD的輸出光功率穩(wěn)定與否的一個關鍵因素。

　　熱敏電阻前置放大電路設計

　　設計熱敏電阻前置放大電路如圖3所示。U14為將+5 V轉變?yōu)?2．5 V的高精準參考電壓源，該參考源有極低的噪聲、低的溫度系數(shù)，減少了該放大電路輸出端由于電源引起的噪聲干擾。R2、R3、R4和激光器內部負溫度系數(shù)熱敏電阻組成橋式放大電路的4個橋壁，當熱敏電阻隨溫度變化阻值發(fā)生變化時，橋壁輸出一個跟隨溫度變化的電壓差，放大器輸出的電壓反映的正是放大了的熱敏電阻阻值隨溫度變化情況。

　　熱電制冷（TEC）控制電路設計 溫度控制采用專用的TEC集成控制電路芯片，減少了傳統(tǒng)所采用的積分微分電路，使得設計簡單，電路調試方便，可以直接硬件實現(xiàn)。其關鍵控制電路設計如圖4所示。

　　芯片引腳IN+為熱敏電阻經(jīng)過前置放大后的輸出電壓信號，R9和R12為分壓電阻，為引腳IN-提供一個穩(wěn)定的電壓。引腳IN+端輸入電壓與引腳IN-端電壓進行比較，當IN+端電壓引腳大于IN-端引腳時，由該芯片資料知輸出為制冷模式，反之為制熱模式。該電路通過負溫度系數(shù)熱敏電阻輸入端電壓大小來控制整個反饋環(huán)路，當溫度升高時熱敏電阻阻值減小，由圖3知，熱敏電阻端電壓降低，使得OPA1177輸出比較電壓升高，從而使輸入到DRV953的IN+ 端電壓升高，當該電壓大于IN-端相電壓時，使得該芯片輸出電壓翻轉控制激光器半導體制冷器由制熱模式轉變?yōu)橹评淠Ｊ?，通過這樣一個負反饋網(wǎng)絡實現(xiàn)溫度自動控制。同理，當溫度降低時同樣遵循該負反饋原理。