功率稳定可调功率稳定可调LD驱动电路的设计驱动电路的设计
摘要:功率稳定可调的激光二极管(LD)在精密光电检测和光纤通信系统中应用广泛。介绍了一种单片机控制
激光二极管输出功率的方法,针对SANYO 30mW红光LD设计了驱动电路,其驱动电流在0~100mA之间可调,
最小可调量<0.01mA。单片机内对监测电流偏差进行了PID调节运行,使激光二极管输出功率稳定。 关键词:
功率稳定可调激光二极管 单片机 驱动电路 PID调节 在精密光电检测领域中,光源的微小波动会引起被测量的较
大偏移,从而产生较大的测量误差。如在半导体薄膜特性检测中,常常需要检测薄膜反射比以求解出其它光电
学参量。由于薄膜增长的缓慢(0.1mm级/秒),反射比变化非常小,在这种情况下,
摘要:摘要:功率稳定可调的激光二极管(LD)在精密光电检测和光纤通信系统中应用广泛。介绍了一种单片机控制激光二极管输
出功率的方法,针对SANYO 30mW红光LD设计了驱动电路,其驱动电流在0~100mA之间可调,最小可调量<0.01mA。单片
机内对监测电流偏差进行了PID调节运行,使激光二极管输出功率稳定。
关键词:关键词:功率稳定可调激光二极管 单片机 驱动电路 PID调节
在精密光电检测领域中,光源的微小波动会引起被测量的较大偏移,从而产生较大的测量误差。如在半导体薄膜特性检测
中,常常需要检测薄膜反射比以求解出其它光电学参量。由于薄膜增长的缓慢(0.1mm级/秒),反射比变化非常小,在这种
情况下,对于光源稳定性的要求非常高,达到0.1%。稳定光源在光纤测量中像电子电路测试时用振荡器作为信号源一样,要
求发出高稳定、光功率可调的光信号。稳定光源是急待开发的光纤系统测试仪器中的一种重要的基础设备。
国内一些学者对稳定激光光源作了一些研究。有的设计方法使激光器注入电流稳定,并配合使用温控电路。这种方法虽然
对稳定性有一定提高,但对其它影响因素缺乏考虑,不是一种闭环的控制系统。有的对光功率的调节只使用模拟的积分调节,
由于积分控制对稳态误差的消除作用是靠对误差的积累产生的,故反映不灵敏,且会使系统稳定裕量下降,超调增大,一般不
单独使用。这种方法的共同步是模拟调节。本文设计一种对输出光功率进行闭环数字PID调节的激光二极管(LD)驱动电路。
该电路使用高精度14位A/D、D/A转换器,理论上对光功率的0.01%变化均可调节,且驱动电流最小节量<0.01mA,同时可精
确设置初始驱动电流(光功率)。
图图1
1 驱动电路设计驱动电路设计
1.1 激光二极管封装及参数
常见激光二极管封装有两种形式:共阳极与共阴极型(图1(a)所示)。LD和监测激光器背向输出光功率的PIN光电二极管
封装在一起。这里,LD采用SANYO655nm红光激光二极管,封装形式为共阳极(LD的正极与PD(光电二极管)的负极连接
在一起)。LD最大输出光功率为30mW,阈值电流为40mA(25℃),工作电流量大为110mA。PD的监测电流Im与激光器的输出
功率P0在温度不变的情况下成线性关系(图1(b)所示),这为后面控制电路的设计提供了依据。
1.2 电路原理
光电二极管的监测电流经差分放大后变成一个电压量,经高精度A/D转换器采样量化后送入单片机,与单片机内监测电压
参考值(在设定功率条件下,监测电流经差分放大后变成的电压量的数字表示)之间作差,产生电压偏差信号;再对偏差信号
进行PID运算,运算结果经D/A转换及电压-电流(V-I)变换后,成为LD的驱动电路。PID调节是为了使激光二极管输出功率稳
定。这种单片机闭环控制系统框图如图2所示。
1.3 电路模块选型及计算
1.3.1 差分放大模块
由图1(b)可见,监测电流很小,尤其当激光器输出功率<10mW时。如果把监测电流通过一电阻接入放大器,则由于放
大器的输入阻抗太小以及电阻的温漂问题,使放大器的输入电压受温度影响非常大,从而导致A/D转换器的输入不准确。因此
在设计中应该消除或减小环境温度对A/D转换器输入的影响。设计中使监测电流与参考电流通过一个由四个阻值及温度系数相
等的高精度电阻组成的电桥电路,这样温度的影响会在相减中减小。放大器采用TI公司的高输入阻抗精密差分放大器
INA114,其原理图如图3所示。
其中,参考电流Iref可由另一INA114和OPA602得到。放大器的输出电压可由下式计算:
V0=(Iref-Im) ×R×(1+50k/Rg) (1)
1.3.2 模/数及数/模转换器
A/D转换器选用美信公司的MAX1062,D/A转换器选用模拟器件公司的AD5551,它们都是14位的串行转换器,适合于对
速度要求不是很高的场合。转换器的片选信号、时钟线及数据线直接同单片机的用户口P1相连。转换器的位数决定了检测控
制电路的分辨率。14位转换器可把4.096V量程的电压量化成2 14份,所以调整差分放大器的增益使其输出电压最大值达到A/D
转换器的满量程电压,则理论上对于光功率变化1/12 14均可检测到,即该驱动电路可以检测到<0.01%的激光器光功率变化,
进而可在单片机中进行调节。同样设D/A转换器的输出电压经V-I变化后的满量程电流为150mA,则驱动电流的最小可调节量
为150/2 14=0.01mA。
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