半导体激光器的恒流源

半导体激光器的恒流源摘要本文主要介绍恒流源，并分析一种半导体激光器较高稳定度恒流源驱动系统的电路。

恒流源驱动器的电路主要是由电压基准电路，电压电流转换电路和调整电路组成的。

它的整体设计思路是利用高性能斩波稳零运算放大器，运用负反馈原理，使整个闭环反馈系统处于动态的平衡中，从而达到稳定输出电流的目的。

关键字半导体激光器；恒流源；高稳定度；闭环负反馈Abstract: This paper focuses on the analysis of a semiconductor laser to a higher stability constant current source driver circuit. The constant current source drive circuit is mainly composed of the voltage reference circuit, the voltage-current converter circuit and adjust the circuit. It's overall design concept of high-performance chopper-stabilized op amps, the use of the principle of negative feedback, so that the whole closed-loop feedback system is in dynamic equilibrium, so as to achieve stable output current.Keywords:semiconductor laser；constant current source；with high stability；closed-loopnegative feedback1、引言半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的 PN 结为工作物质的一种小型化激光器，是依靠载流子注入而工作的，注入的电流的稳定性对半导体激光器的输出有直接且明显的影响。

在正常条件下使用的半导体激光器有很长的工作寿命。

但是，不适当的工作条件会造成半导体激光器性能的急剧恶化乃至失效（就是PN 结被击穿或用作谐振腔面的解理面遭到破坏，视其击穿或破坏程度而表现为输出光功率减小或无光功率输出）。

它是有极高量子效率的器件，但是对电冲击的承受能力很弱，微小的电流变化都可能会导致器件的参数的变化，这些变化又将会危及半导体激光器的安全使用。

因此要求半导体激光器的电源是个恒流源，且要求具有很高的电流稳定度和很小的波动系数，故半导体激光器恒流源驱动方式的设计与实验研究显得特别重要。

2、恒流源工作原理及稳定性分析恒流源是一种宽频谱，高精度交流稳流电源，具有响应速度快，恒流精度高、能长期稳定工作，适合各种性质负载（阻性、感性、容性）等优点。

主要用于检测热继电器、塑壳断路器、小型短路器及需要设定额定电流、动作电流、短路保护电流等生产场合。

恒流源的实质是利用器件对电流进行反馈，动态调节设备的供电状态，从而使得电流趋于恒定。

只要能够得到电流，就可以有效形成反馈，从而建立恒流源。

恒流源驱动方式是一种常见的半导体激光器驱动方式。

当半导体激光器驱动器工作在恒流状态时，既要求驱动器的输出电流的数值合适又要求输出电流的稳定性很好。

首先介绍恒流源的基本性能指标，为了保证输出激光功率的稳定，对于电源输出的电流稳态性能也有一定的要求。

主要用电流稳定度和输出电流的纹波来衡量恒流源的性能。

2.1 电流稳定度通常以电流稳定度的指标来定义电源保持输出电流稳定的程度。

稳定度r定义为输出电流的相对变化量为式中ΔI0指电流的相对变化值, I0指输出电流的平均值2.2 输出电流的纹波稳流电源的另一个重要指标是纹波,通常用纹波分量的峰值来表示纹波的指标。

输出电流中有直流分量和交流分量，此交流分量称为纹波分量，交流分量是叠加在直流分量上的，叠加的结果是直流分量加纹波的正峰值，减去纹波的负峰值。

因此采用±P（纹波的峰值）可以清楚地表示出纹波分量对输出电流的影响。

2.3 恒流源原理分析基于负反馈在恒流源电路中的广范应用，下面对负反馈作简单介绍：将输出量（输出电压和输出电流）的一部分或全部通过一定的电路形式作用到输入回路，用来影响其输入量（放大电路的输入电压或输入电流）的措施称为反馈，如果回授到输入端的反馈信号削弱了外加输入信号，这种反馈称为负反馈。

负反馈放大电路的电路模型如下图：- 图① 负反馈放大电路的电路模型图中X 表示一般信号量，既可表示电压 ，又可表示电流，其中X i 为输入信号，X f 为反馈信号，X'i 为净输入信号，X o 环节，A 为基本放大器的放大倍数，F 为反馈网络的反馈系数。

接入负反馈以后，放大电路的放大倍数是无反馈时放大倍数的 1/(1+AF),通常把|1+AF|称为反馈深度。

负反馈虽然使放大器增益下降，但它对运算放大器增益的稳定性有较好的改善。

把负反馈原理应用到本论文的实验中，得出的电路图如下：图② 恒流源驱动方式电路图（晶体管为PNP 型）具体的电路分析如下：设取样电阻R O 上下两端电势分别为U A 、U B ，显然二者都为负，由(U B -U A /2)/R=(U A /2- U C )/R ，知第一个运放的输出电压U C = U B -U A ；图中的电容C 也有滤波作用，加上C 可以减小高频增益。

也就是说，输出端的高频信号有一部分会通过C 返回到输入端。

不过，返回回来的信号跟输入的信号是不同相的。

所以，就会有一部分高频信号被抵消掉了。

最后反映到输出端的现象就是低频增益变大。

第二个运放可视为积分电路，简单计算后，U 1=-当由于电源波动等原因，流过电阻R O 的电流I O 升高，则| U B |升高，| U B -U A |也升高，U 1（为负值）也升高，由于U B 和U 1的数值都升高，所以保持了PNP 型晶体管中偏置电压相对稳定来达到稳定电流的作用。

即电路图中的反馈为闭环负反馈。

我们可以推导出R O 与I O 的关系如下：下来我们分析稳定性，恒流源提供的输出电流要足够稳定，因为微小的电流变化将会导致光功率输出的极大变化和器件参数(如激射波长，噪声性能，模式跳动等)的变化，这些变化直接影响器件的性能甚至危及器件的安全使用。

只有尽可能地消除影响电流稳定度的各种因素，才能提高输出电流的稳定度。

下面根据输出电流 Io 和控制电压U C 之间的关系来分析。

对上式全微分得：这说明影响输出电流稳定度的主要因素是采样电阻的温度系数和电压基准的稳定度。

此外。

运算放大器的失调电压、温度漂移将直接叠加在基准电压上，从而影响电流稳定。

这就涉及到器件选择对输出电流的影响及其具体选择的问题。

2.4 器件选择对于取样电阻而言，精度自然十分重要，它会直接影响到驱动器性能。

由于温度变化和时效变化都会使电阻阻值发生变化，所谓“固定阻值”实际上是不存在的。

解决的办法是选取温度参数和时效变化小的电阻材料并采用适当的工艺措施以减小温度和时效变化的影R U I OC O响。

由于采样电阻上的输出电流相对较大，所以采样电阻的选择对于恒流源设计显得尤为重要。

再说电压基准，在恒流源电路中输出电流的大小直接由预置信号和限制电流决定，因此预置端的稳定性和温度漂移直接影响恒流源输出电流的稳定性。

如果该信号的漂移很大，使控制环境恶化，从而导致LD 的输出特性恶化。

因此对预置端的基准电压要求其温度系数要足够小，电压值要准确，内阻要小，否则由于使用电流的增加会使基准电压下降。

基于上述因素的考虑，我们选用了AD581（是一款三引脚、温度补偿式单芯片带隙基准电压源）作为调制电路中的电源。

它的典型性能参数有：1、激光调整到高精度：10.000 V ±5 mV（L和U型）2、经过调整的温度系数：5 ppm/°C（最大值，0°C至70°C，L型）10 ppm/°C（最大值，−55°C至+125°C，U型）3、出色的长期稳定性：25 ppm/1000小时（非累积）基于以上的探究，我们初步设计出一个半导体激光器的恒流源电路。

Multism软件是电路设计的重要软件,能够对所设计的电路的性能进行检测,对所设计的电路的特性进行仿真计算。

Multism软件包含的常见的虚拟电子测量仪器能够对电路的特性进行实时准确的测量。

介于Multism软件有这些功能，我们学习并利用此软件画出原理图，下图为PCB板的3D图。

图③Multism软件画的原理图3、总结与展望本论文主要阐述了半导体激光器的的恒流源，首先简单介绍了半导体激光器对恒流源的要求及恒流源的性能指标，接下来详细分析了恒流源电路的原理图并探讨了影响恒流源稳定性的相关器件，最后初步设计出一种半导体激光器的恒流源并且用Multism软件画出其原理图和PCB板的3D图。

虽然我们初步设计了一种恒流源电路，但是我们还没有对其性能进行测试，接下来我们要利用Multism软件进行一些仿真实验对其性能测试，并对我们的电路改进。

我们还将会考虑设计恒流源电路的温度反馈电路、热保护电路。

4、致谢在本学期结束之际，我要向在我本学期研究性实验给予我帮助、支持和鼓励的老师、同学们致以由衷的感谢，是你们的关怀与鼓舞，使我在研究性实验期间收获人生中最珍贵的经验与财富。

首先，我要感谢我的导师王彦华教授。

王老师平易近人的性格，丰富的科研经验、严谨的治学态度、忘我的工作精神以及对待科学研究一丝不苟的态度给我留下了深刻印象并深受感染，激发了我的进取精神，也为我将来的科研学习和工作做出了杰出的榜样。

在此对王老师在学习上和生活上给予我的指导和帮助，表示深深的敬意和感激。

另外，还要感谢研究性实验的小组同学，感谢他们对我工作上的支持、学习上的帮助和生活上的关怀，我们在一起共同奋斗、共同做实验的日日夜夜，我将永远记住。

和你们一起讨论问题、解决问题的过程中使我受益匪浅。

正是由于你们的帮助，我的论文才能顺利地完成，谢谢你们!参考文献[1] 刘芸焦明星半导体激光器用电流源的设计应用光学2005[2] 顾廉楚主编电力半导体器件原理机械工业出版社[3] 李维晖新光源半导体激光器. 当代科学仪器2001[4] 徐庆扬陈少武可调谐半导体激光器研究及进展[5] 梁明理电子线路高等教育出版社2008。