SLED激光器驅(qū)動設(shè)計
摘要:激光驅(qū)動電流的穩(wěn)定性是影響激光驅(qū)動器性能的重要參數(shù),但激光驅(qū)動器的高電流值難以維持穩(wěn)定。此外,驅(qū)動電流的范圍應盡可能地寬以適用于不同種類的激光器。針對以上問題,文章以超輻射發(fā)光二極管(SLED)激光驅(qū)動器為應用實例,并采用閉環(huán)控制技術(shù)以保持驅(qū)動電流穩(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。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201808/387043.htm關(guān)鍵詞:激光驅(qū)動器;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,波長范圍1.53nm至1.56nm,光功率可超過5mW。光纖傳感器是由2Km長的保偏 (PM)光纖緊貼組合而成的線圈,PM線圈檢測到機械系統(tǒng)的振動并將其轉(zhuǎn)換到集成光學芯片,由芯片處理的信號被耦合到信號檢測器,并轉(zhuǎn)換為電子信號。光學功率噪聲檢測器被用來檢測該光功率的噪聲信號,并用數(shù)字信號處理器(DSP)來過濾噪聲。用這種高光功率源,該系統(tǒng)的信號噪聲比(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。在實踐中,它通常是一個通過一定的電流驅(qū)動的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SLED的驅(qū)動電流超過ITH,SLED的光功率將正比于驅(qū)動電流。因此,該SLED的光功率可以很好地通過控制SLED的驅(qū)動電流進行控制。
2 電路設(shè)計
該激光驅(qū)動器電路可提供輸出從4mA到200mA范圍的一個穩(wěn)定的驅(qū)動電流。
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)計是基于光電反饋理論。當系統(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。當系統(tǒng)穩(wěn)定時,輸出電流由外部電阻決定;當外部環(huán)境變化時,光纖系統(tǒng)的光功率改變,從而導致由監(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)換成相應的電壓值,用它與基準電壓進行比較。比較的結(jié)果經(jīng)放大器傳送到驅(qū)動電流的控制系統(tǒng),調(diào)節(jié)電流源的驅(qū)動電流,使得電流源陣列變化的輸出電流相應地變化。通過這種方式,SLED的驅(qū)動電流可保持不變,這意味著當環(huán)境發(fā)生變化時光纖系統(tǒng)的光功率保持恒定。
如圖2,當系統(tǒng)穩(wěn)定時,驅(qū)動電流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的值很容易地實現(xiàn)。IM對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)五個方程,其中有6個變量(包括REXT),這意味著REXT與IOUT一一對應,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。在設(shè)計中,A1和A2是單級級聯(lián)放大器,這樣系統(tǒng)的極點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。要獲得一個足夠的相位裕度,A1的輸出是由一個高電容和高電阻連接到地,所以A1的輸出是主極點。
2.2 輸出級
激光器輸出級如圖3所示,它提供電流來驅(qū)動激光器,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。在這個設(shè)計中,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,一個電容被用于增加點A的阻抗,使得它成為主極點。運算放大器被設(shè)計成一個單級級聯(lián)放大器,這確保了系統(tǒng)更好的穩(wěn)定性。
2.3 校準參考電流
在該設(shè)計中,輸出是一個電流,并且許多偏置電壓通過基準電流產(chǎn)生。這樣,參考電流的精度對于激光驅(qū)動器的驅(qū)動能力,穩(wěn)定性和精度非常重要。
參考電壓是由一個簡單的一階補償電路產(chǎn)生,基于參考電壓,所述參考電流產(chǎn)生并在圖5校準。它是由一個誤差放大器,一個參考電壓源,一個比較器,一個逐次逼近寄存器(SAR)的邏輯電路,和一個6位數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)組成。
參考電流是通過由基準電壓電路,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電壓進行比較,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,消除誤差的校準是必需的。
校準是通過一個特區(qū)邏輯電路和一個6位的DAC。當校準開始時,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,校準停止。
3 仿真結(jié)果
該激光驅(qū)動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℃時激光驅(qū)動器隨外部電阻值變化的輸出仿真結(jié)果。通過對在不同條件下仿真結(jié)果圖的對比可得,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)計出一個以閉環(huán)控制技術(shù)來維持激光驅(qū)動器驅(qū)動電流穩(wěn)定的SLED激光驅(qū)動器,并基于光電反饋理論設(shè)計了功率控制器,可實現(xiàn)激光器自動功率控制。該系統(tǒng)的電路詳細,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。實驗表明該設(shè)計可以很好地工作,在穩(wěn)定驅(qū)動激光器的前提下,還可以使激光器安全長時間運行。
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