高精度半导体激光器驱动电源系统的设计
用于TDLAS气体检测的DFB激光器驱动电路设计
现代电子技术Modern Electronics TechniqueJan. 2024Vol. 47 No. 22024年1月15日第47卷第2期0 引 言可调谐半导体激光吸收光谱（Tunable Diode LaserAbsorption Spectroscopy, TDLAS ）技术具有灵敏度高、通用性强、响应时间短等特点，在大气污染物监测、矿井气体浓度检测等方面取得了广泛应用[1‐4]。
TDLAS 气体检测通常利用含有低频锯齿波和高频正弦波的电流信号对激光器调制，以使出射激光扫描待测气体的吸收谱线，激光被待测气体吸收后光强减弱，从而形成气体吸收峰，吸收峰幅值与气体浓度呈正相关，从而可以反演出待测气体浓度[5‐7]。
DOI ：10.16652/j.issn.1004‐373x.2024.02.017引用格式：徐鹏飞，李炜楠，陈红岩，等.用于TDLAS 气体检测的DFB 激光器驱动电路设计[J].现代电子技术，2024，47（2）：89‐94.用于TDLAS 气体检测的DFB 激光器驱动电路设计徐鹏飞1， 李炜楠1， 陈红岩2， 叶有祥2（1.中国计量大学 机电工程学院， 浙江 杭州 310018； 2.中国计量大学 现代科技学院， 浙江 义乌 322000）摘 要： 分布反馈（DFB ）激光器作为可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS ）技术的常用光源之一，在实际应用中应当同时对驱动电流和温度进行控制，以减小出光质量对气体浓度检测结果的影响。
为了解决上述问题，文中设计一种高精度激光器驱动电路。
由STM32F103RCT6控制AD9834和DAC8560分别产生正弦波和锯齿波信号，对两个信号输入至OP27GS 构成的信号叠加电路进行叠加后，输出至由OP27GS 、AD8065和IRF520场效应管组成的具有限流功能的压控恒流源电路，将电压信号转变为激光器的驱动电流；同时采用MAX1978温控芯片对激光器进行温度控制。
半导体激光器驱动及温度控制电路
电路设计报告（姓名：_________学号：________）一、半导体激光器驱动电路激光二极管广泛用作于光纤通信中的光源，采用恒流驱动方式。
电路中，VT 1和VT 2构成恒流源，稳压二极管VD Z 为恒流源提供稳定的基准电压，RP 1限制该电路的电流，RP 2调节最佳工作点。
当电流很小时，激光二极管VD 1不发光，光电二极管VD 2检测不到光功率。
这时，比较器A 1输出高电平，监视发光二级管LED 不发光显示。
调节电路中电流使其超过激光二极管的阈值电平时，激光二极管获得足够大的功率而发光，VD 2中有光电流流过，LED 发光显示。
123456ABCD654321D CBATit leN u mb er Rev isio nSize B D ate:5-A p r-2012Sh eet o fFil e:E:\ED A\半导体激光器驱动电路.d d b D raw n By 0.1μF0.1μF100K Ω2K Ω10K Ω820Ω200Ω10K Ω22Ω10ΩRP2500ΩRP11K ΩLED9013V T1V T225C3039A 1LM339A 2LM339V D2PH OTO3.6VV DzV D1LDV CCV CCTTL 输入二、半导体激光器温度控制电路这种驱动电路也可作为热电冷却器TEC 中温度控制电路，如下图。
TEC 控制电路是基于比较器A 1的反馈系统。
若温度高于设定值，A 1反相输入端电压低于其低阈值电平，A 1输出高电平，通过R 1、VT 1和VT 2驱动TEC 。
TEC 电流由VD 1进行限制。
当TEC 被驱动导通时，它使激光制冷，A 1反相输入端电压增大到超过其高阈值电平，A 2输出低电平TEC 截止不工作。
RP 用于设定温度值。
123456ABCD654321D CB ATit leN u mb er Rev isio nSize B D ate:5-A p r-2012Sh eet o fFil e:E:\ED A\半导体激光器温度控制电路.d d b D raw n By 0.1μFV T225C3039V T19013A 1LM33920K ΩRP2.2KΩR110K Ω12Ω10K Ω1MΩV D 2.7VTEC热电冷却器参考书目[1]何希才．常用电子电路应用365例．电子工业出版社，2006.其他什么的大家自己写点吧O(∩_∩)O~。
高精度半导体光源驱动源
图２ ， ３ 中 ｕ 采用 高精 度运放 担任恒流源 的调节驱 动单元 ， １ Ｒ 、 Ｄ 、 ２ Ｒ 构成 了电流大 小的调节部分 ， 中 Ｒ 采用多 圈精密 电位器 ， ４ 其 ４ 供使用 者调 节 电流 大小 ， 林顿管 Ｑ 担任 了扩流工作 ， ５ 达 １ Ｒ 为取样 电组 ， 因为 其阻值为 １ 欧姆 ， 则其非地端 电压在数值上等于通过 Ｒ 的电流 ， 电压 ５ 该 直 接送 到 三位 半数 字 表头 ， 以对 当前 的工 作 电流 提供 直观 显示 。 可
１ 引言 ．
在一 般的实验 室 ， 常见 的电源是恒压 源 ， 也就是稳 压 电源 ， 出的 输 是 可调节 的稳定 电压 ， 但恒压 源在很多 实验 中使 用不方便 。而恒 流源 是众 多实验 、 试场合必不 可少 的检测 工具 。恒流 源是模拟集 成 电路 测 中广泛使用 的一种单元 电路 ， 在实 际中也有着广泛 的应用 。 在实验 教学中 ， 传统 的光 源是 Ｈ — ｅ 体激光器， 源不仅体积 ｅＮ 气 该光 大， 价格不 菲， 最令人头痛 的是该光源稳定度非 常低， 光功率 的波动最大 可 以超过 ３ ％， ０ 显然， 这样的稳定性是无法满足相关实验要求的 。 对 于 光 电技 术 的实 验 教 学 ， 已大 量 采 用 半 导体 激 光 器 来 取 代 Ｈ— ｅ ｅ Ｎ 气体激光器 。由于半导体 激光器 （ Ｄ 属 电流驱 动器件 ， 用恒 Ｌ ） 采 压源驱动 时 ， 常发 生烧坏 Ｌ 时 Ｄ的事 情 ， 实验教学带来 不便 。针 对这 给 问题 ， 我们研发 了第 一代 高精度半导体光源驱动源 ， 较好地 解决 了烧
科技信息
博士． 专家论坛
高精度半导傩光源驱动源
重庆大学光电技 术及应 用教 育部重点实验 室
激光器及其驱动器电路原理与光模块核心电路设计讲解
激光器及其驱动器电路原理与光模块核心电路设计武汉电信器件有限公司模块开发部王松摘要：本文描述了激光器及其驱动、APC及消光比温度补偿电路原理与光模块核心电路设计技术，并简单介绍了半导体激光器的基本结构类型和各自应用特性，着重论述了激光器驱动电路、APC电路、消光比温度补偿电路原理与应用技术，对激光器调制输出接口电路信号与系统也进行了详细的分析计算。
关键词：半导体激光器，驱动，调制电路，APC，温度补偿，阻抗匹配，信号分析，系统1. 引言随着全球信息化的高速发展，人们的工作、学习和生活越来越离不开承载着大量信息的网络，对网络带宽的要求还在不断提高，光载波拥有无比巨大的通信容量，预计光通信的容量可以达到40Tb/s，并且和其他通信手段相比，具有无与伦比的优越性，未来有线传输一定会更多的采用光纤进行信息传递。
近几年以来，干线传输、城域网、接入网、以太网、局域网等越来越多的采用了光纤进行传输，光纤到路边FTTC、光纤到大楼FTTB、光纤到户FTTH、光纤到桌面FTTD 正在不断的发展，光接点离我们越来越近。
在每个光接点上，都需要一个光纤收发模块，模块的接收端用来将接收到的光信号转化为电信号，以便作进一步的处理和识别。
模块的发射端将需要发送的高速电信号转化为光信号，并耦合到光纤中进行传输，发射端需要一个高速驱动电路和一个发射光器件，发射光器件主要有发光二极管（LED）和半导体激光器（LD）。
LED 和LD 的驱动电路有很大的区别，常用的半导体激光器有FP、DFB 和VCSEL 三种。
WTD光模块通常所用发射光器件为FP 和DFB 激光器。
2. 半导体激光器半导体激光器作为常用的光发射器件，其体积小、高频响应好、调制效率高、调谐方便，且大部分激光器无需制冷，是光纤通信系统理想的光源。
激光器有两种基本结构类型：（1）边缘发射激光器，有FP（Fabry-Perot）激光器和分布反馈式（DFB）激光器。
FP激光器是应用最广的一种激光器，但是其噪声大，高频响应较慢，出光功率小，因此FP 激光器多用于短距离光纤通信。
高精度输出半导体激光器的温度控制系统设计
输
体光的度制统计 激器温控 系设
章朝阳
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喜 嚣
堂
Ｔ ｅ Ｄ ｓ ９ ｆ ｒ ａ Ｈ ９ ｒ ｃ ｓ ０ ｅ ｐ ｒ ｔ ｒ ｙ ｔ ｍ ｈ ｅ ｉ ｎ ｏ ｉ ｈ Ｐ ｅ ｉ ｉ ｎ Ｔ ｍ ｅ ａ ｕ ｅ Ｓ ｓ ｅ
汁
Ｋｅ ｗｏ ｄ ：Ｌ ｓ ｔ Ｄ ｏ ｅ： Ｔ ｍ ｅ ａ ｕ ｅ Ｃ ｎ ｒ ｌ ｇ ｖ ｒｓ ａ ｅ ｉ ｄ ｅ ｐ ｒ ｔ ｒ ｏ ｔ ｏ ｉ １ｎ
０ 弓言 Ｉ 随着光纤通信向着小型化、 集成化发展， 掺铒光纤放大 器 （ Ｆ） ＲＭＮ 大器 的பைடு நூலகம்用越来越广泛， Ｅ Ａ和 ＡＡ 放 Ｄ 要求半导体激
将Ｌ 的温度反馈到输入端， Ｄ 经过差动放大和缓冲隔离后送入 ＰＤ Ｉ控制器， 通过控温执行元件实现温度控制【。 ２ 测温部分用 】 具有高灵敏 度的负温度系数的热敏电阻 （Ｔ） Ｎ Ｃ作为温度传感
器， 将实际温度与设置温度值相减 ， 差值送 ＰＤ 制器 驱动 Ｉ控 温控执行部分 。用 Ｔ Ｃ Ｅ 作为 制冷器件 ，Ｔ Ｃ用乙类双电源互 Ｅ 补对称 功率放 大电路 驱动。 １ １温度 ／ ． 电压 转换 电路 进行精 密温控的前提条件是能够高精 度高分辨率的检测 温度值 。 本文 中的温控装置用于激光器 ， 温控 精度要求达到 ±Ｏ０１，因此相 应的测温分辨率至少应高 出一个数量级 。 ．２ Ｃ 通 常的集成温度传 感器或半 导体温度传感 器达不 到如此精 度， 热敏 电阻具有较高的温度系数 ， 但非线性很大 。由于 Ｌ Ｄ体积 非常小 ， 以，测温器件也要很小 。 所 采用半导体工艺 制成的薄膜铂热敏电阻器 ， 不仅体积 小 （ 以做 到２Ｏ ｍ ｘ 可 ．ｍ ２５ ． ｍｍ １１ ｘ ．ｍｍ） 而且具有很好的灵敏度和 稳定性 ， ， 它 将 温度的变化转化 为电阻值的变化， 在不 太宽的温度范围 内 （０ １ ２ ０Ｃ以下） ，其 电阻与温度的关系可 以表示 为 ： Ｒ Ｒ ［一ｏ （ ＝ 。 １ 【 ０， ０ ） 】 式中 ： 。 ０ Ｒ 为 时的电阻值 （ ： 为选 定温度，一般 Ｑ） ０。 为 ０Ｃ ０ 时的 电阻值 ； ｏ １ ；Ｒ 为 。 【 为温度系数 。测温电路如 图一所示， 采用桥路放 大采样。 为了很好 的使 热敏 电阻 （ｔ Ｒ） 的变化与输出的电压 线性化， 电路 中设计 ＴＲ与 Ｒ 并联。 ｔ 电 桥由 Ｒ 、Ｒ 、Ｒ 、Ｒ 、Ｒ 组成。因此，Ｒ 上的电压变化就 １ ２ ３ ４ ｔ ｔ
激光驱动电路
激光器驱动电路及其外部接口的设计摘要近几年以来，随着全球信息化的高速发展，干线传输、城域网、接入网、以太网、局域网等越来越多的采用了光纤进行传输，光纤到路边FTTC、光纤到大楼FTTB、光纤到户FTTH、光纤到桌面FTTD正在不断的发展，光接点离我们越来越近。
在每个光接点上，都需要一个光纤收发模块，模块的接收端用来将接收到的光信号转化为电信号，以便作进一步的处理和识别。
模块的发射端将需要发送的高速电信号转化为光信号，并耦合到光纤中进行传输，发射端需要一个高速驱动电路和一个发射光器件，发射光器件主要有发光二极管（LED）和半导体激光器（LD）。
LED和LD的驱动电路有很大的区别，常用的半导体激光器有FP、DFB 和VCSEL三种。
激光器驱动电路调制输出接口电路是光模块核心电路之一，它主要包括激光器调制输出终端匹配和旁路RC匹配滤波以及激光器直流偏置三个部分电路，每一部分电路的设计将直接关系到模块光信号的输出质量。
关键词：激光器；驱动电路；光模块；温度控制；外部接口电路目录第1章半导体激光器概述第2章激光发射模块2.1 激光发射模块概述2.2 信标光发射模块的设计2.2.1 激光器驱动电路设计2.2.2 温度控制（ATC）电路设计第3章激光器驱动电路外部接口3.1 激光器驱动电路直流BLAS输出隔离3.2 激光器驱动电路调制匹配3.2.1 激光器直流耦合驱动3.2.2 激光器交流耦合驱动3.2.3 激光器直耦与交耦驱动方式的比较第4章激光器驱动电路调制输出信号分析与接口电路设计4.1 传输线理论概述4.2 激光器直流偏置4.3 RC补偿网络第5章结束语参考文献第一章：半导体激光器概述半导体激光器作为常用的光发射器件，其体积小、高频响应好、调制效率高、调谐方便，且大部分激光器无需制冷，是光纤通信系统理想的光源。
激光器有两种基本结构类型：（1）边缘发射激光器，有FP（Fabry-Perot）激光器和分布反馈式（DFB）激光器。
干涉测量用半导体激光器驱动电源
干 涉测 量 用 半 导 体 激 光 器 驱 动 电源
王 哲 ， 曾华 林 ，周 燕 ，范松 涛 ，谢 福 增
（ 国科 学 院半 导体 研 究 所 光 电子 应 用 技 术 与 系统 开 发 组 ，北 京 １ ０ ８ ） 中 ００ ３
摘 要 ： 设计 了一 种 可调 制 的 高稳 定度 半 导体 激光 器驱 动 电路 。 电路 的直流稳 定度 高达 １ ５ 该 ．× １ ， 出电流在 ０ ０ ０ 输 ～２ ０ｍＡ 内连 续 可调 ， 时 间工作 （２ｈ以上 ） 长 １ 电流 变化 小 于 １ Ａ； 直流基 在 础上 注入 １ ０ｋ ～３ ０ｋ ０ Ｈｚ ０ ＨＺ的调 制 电流 ， 其调 制 深度 为０ ０ ～１ ０ｍＡ 连 续可调 ， 实现在 激光 干 涉 可
维普资讯
第２ 卷 第 ６ ８ 期
２０ ０ ７年 １ 月 １
文章 编 号 ： ０ ２ ２ ８ （ ０ ７ ０ — ６ ９ ０ １０ —０ ２ ２ ０ ）６０ ８—４
应
用 光 学
Ｖｏ１ ２８ Ｎ ｏ． ． ６
Ｎ ＯＶ ２０ ． ０７
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＡｐ ｌ ｄ Ｏｐ ｉｓ ｏ ｒ ａ ｐ ｉ ｔ ｏ ｅ ｃ
完 成 了对 远 距 离微 小振 动 （ 米 量 级 ） 测 量 。 纳 的
关键词 ： 半导体 激光 器 ； 高稳 定度 电路 ； 调制 深度 ； 涉测 量 干
中 图分 类 号 ：Ｔ ４ ． Ｎ２ ８ ４ 文 献 标 志 码 ：Ａ
Ｄｒ ｖ ｒ ｃ ｒ ｕ ｔｏ ｅ ｉ ｏ ｉ ｅ ｉ ｃ ｉ ｆ ｓ ｍ ｃ ｎｄｕ ｔ ｒ ｌ ｓ ｒ ｆ ｒ ｉ ｅ ｆ ｒ ｍ ｅ ｒ ｃ ｏ ａ ｅ ｏ ｎｔ ｒ ｅ ｏ ｔｙ
测 量 中对 光 波 频 率 和 光 波 强 度 的 调 制 。 该 电路 驱 动 的 光 栅 外 腔 半 导 体 激 光 器 和 辅 助 温 度 控 制 电 将
大功率半导体激光器脉冲驱动电源研制
ｒ ｅ ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｌ ｙ ． Ｔ ｈ ｅ ｐ ａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｔ ｔ ｒ ｉ ｇ ｇ ｅ ｒ ａ ｒ ｅ ａ ｄ ｊ ｕ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｅ ． Ｔ ｈ ｅ ｐ ｅ ａ ｋ ｐ ｏ ｗｅ ｒ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｄ ｉ ｏ ｄ ｅ ｉ ｓ ７ ５ Ｗ，
Ｍｅ ｔ ａ ｌ ｌ ｉ ｃ Ｏｘ ｉ ｄ ｅ Ｓ ｅ ｍｉ ｃ ｏ ｎ ｄ ｕ ｃ ｔ ｏ ｒ Ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ Ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ Ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｉ ｓ ｔ ｏ ｒ （ ＭＯ Ｓ Ｆ Ｅ Ｔ ）ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｄ ｒ ｉ ｖ ｅ ｒ ｐ ｒ ｏ ｖ ｉ ｄ ｅ ｓ ａ ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｔ ｔ ｒ ｉ ｇ ｇ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ
ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｄ ｉ ｏ ｄ ｅ ， ｗ ｈ ｏ ｓ ｅ ｒ ｉ ｓ ｅ — ｔ ｉ ｍｅ ， Ｆ ｕ ｌ ｌ Ｗｉ ｄ ｔ ｈ Ｈａ ｌ ｆ Ｍａ ｘ ｉ ｍｕ ｍ（ Ｆ Ｗ ＨＭ） ａ ｎ ｄ ｐ ｅ ａ ｋ ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｔ ａ ｒ ｅ １ ． ２ ｎ ｓ ， １ ５ ｎ ｓ ａ ｎ ｄ ７ ２ Ａ，
Ｌａ ｓ ｅ ｒ ｄ ｉ ｏ ｄ ｅ ｄ ｒ ｉ ｖ ｅ ｒ ｕ ｓ ｅ ｄ ｆ ｏ ｒ ｔ ｒ ｉ ｇ ｇ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｐ ｈ ｏ ｔ ｏ ｃ ｏ ｎ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ Ｓ ｅ ｍｉ ｃ ｏ ｎ ｄ ｕ ｃ ｔ ｏ ｒ Ｓ ｗｉ ｔ ｃ ｈ
ＷＡ ＮＧ Ｗｅ ｉ ，ＸＩ Ａ Ｌ ｉ ａ ｎ — ｓ ｈ ｅ ｎ ｇ ，ＣＨＥ Ｎ Ｙｉ ，Ｌ Ｉ Ｕ Ｙｉ ，Ｓ ＨＩ Ｊ ｉ ｎ － ｓ ｈ ｕ ｉ ，ＤＥＮＧ Ｊ ｉ ａ ｎ — ｊ ｕ ｎ
第１ １ 卷 第１ 期
一种小功率高稳定半导体激光器可调驱动电源
具体使用半导体激光器时 ， 我们对其供 电电路和调 制 电路 的要求相 当严格 。半 导体激 光器 的发光特 性 如 图 ２所示 。从 图 中可 以看 出 ， 在一 定温 度下 ， 当驱 动电流低于阈值电流时 ， 激光器输 出光功率 Ｐ近似 为零 ， 半导体激光器只能发荧光 ， 驱动电流高于阈值
泛 的应用 。在正 常条件 下使 用 的半 导体激 光器 有很 长 的工作 寿命 ， 而 ， 导体 激光器 如果在 不适 当 的 然 半 工作 或存放 条件 下 ， 造成 性 能 的 急剧 恶 化乃 至失 会 效 。在 医疗 器械 中使 用 的半 导体 激 光 器 ， 由于对 输 出功率更是 有着 比较严 格 的要求 ， 为其 设 计 一款 精
１ 引 言
结相 当脆弱 ， 有 电流 冲击 就 会 造 成损 害 。所 以在 稍
半导体 激光 器不仅 具有体 积小 、 质量轻 、 转换 效
率高、 省电、 能直接调制等优点 ， 而且半导体激光器 的制 造工艺 与半 导体 电子器件 和集成 电路 的生 产工 艺兼容 ， 便于与其他器件实现单片光电子集成 ， 因此 已经在科研 、 工业 、 事 、 军 医疗 等 领域 得 到 了 日益 广
半 导体 激光 器 的新型 电源 的设 计方 法。 关 键词 ： 导体激 光器 ； 动 电路 ； 半 驱 慢启 动 中图分 类号 ：Ｎ ４ ． Ｔ ２ ８４ 文献标 识码 ： Ａ
Ｓ ａｌＳ ａ ｅ Ｍ ｅ ｉｉ ａ ｗｅ ｅ ｉｏ ｄ ｔ ｒ Ｌａ ｅ ｓ ｍ ｌ ｃ ｌ ｄ ｃｎ ｌＰｏ ｒ Ｓ ｍ ｃ ｎ ｕｃｏ ｓ ｒ
Ｄｒｖ ｎ Ｐｏ ｒ Ｄｅ ｉ ｎ ｉ ｅ ｗｅ ｓｇ
ＹＡＮ ａ — ａ ｇ， Ｉ Ｚｈ ｎ ｑｉｎ Ｌ ＡＮＧ ｎ Ｙｏ ｇ
大功率半导体激光器恒流源设计
一个以ｙ卧，为参考范围（０一～１．２５Ｖ）的电流控制电
电压的采样信号‰与参考电压以的差值经误差放大
器Ｅ放大后，输出电压值为‰，然后Ｅ。山（由‰缓冲
压咋。ｏＧ和输出电流检测电阻尺。，工作，而‰ｏＧ通过分 压电阻Ｒ。和尺砬设定。若取定‰ｏｃ—ＶＫ，＝一０．４Ｖ，
因为ＬＴｌ６２０内部有一个１０倍增益的电流放大器，则
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｃｏｎｓｔａｎｔ－ｃｕｒｒｅｎｔ
ＺＨＡＮＧ
ｓｏｕｒｃｅ
ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ
Ｃｈｅｎ－ｇａｎｇ
Ｒｕｉ－ｆｅｎｇ，ＫＯＮＧ Ｌｉｎｇ—ｈａｎｇ，ＬＶ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｉ舳ｊｉｎ ｈｉ出ｓｔａｂｉｌｉｔｙ
（Ｓｃｈｏｏｌ
ＬＴＣｌ６２５。该电路有两种工作模式：恒压模式和恒流
主开关管Ｍ。工作在关闭状态时，同步开关管Ｍ： 导通，电感￡。两端电压为负，电感电流线性下降，此
时Ｍ：导通压降： 圪“。。）＝ｙｓＷ—ｙＰｃＮＤ＝一厶．Ｒｄ“。） 经检测放大器Ｂ放大后波形如图２左上角中％。 ＭＯＳＦＥＴＳ的漏极Ｄ到源极Ｓ电压通过ＬＴＣｌ６２５ 芯片的ＴＫ，ＳＷ和ＰＧＮＤ管脚来检测。检测放大器Ｔ 和Ｂ只在相应的ＭＯＳＦＥＴ管导通时测量并放大这些 （２）
小电流限制必须设定在由ＬＴｌ６２０控制的预定输出电 流值以上。ＬＴｌ６２０电流检测放大器通过‘。脚控制
２．３．１
恒压模式当电路的输出为开路，或者当负载
电阻阻值大于预设电压与预设电流的比值时，电路就 工作在恒压模式。在此时，ＬＴｌ６２０不控制反馈回路。 输出电压的大小将由输出电压分压器尺。。和Ｒ以控制保
持在固定值ｋ。
２．３．２恒流模式
当负载电阻阻值小于预设电压与 预设电流的比值时，电路就工作在恒流模式。此时，实 际的负载电流，ｌ州等于预设电流乙。 电路选择工作在恒流模式，即ＬＴＣｌ６２５电路的最
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高精度半导体激光器驱动电源系统的设计
0 引 言
半导体激光器(LD)是一种固体光源，由于其具有单色性好，体积小，重量轻，价格低廉，
功耗小等一系列优点，已被广泛应用。LD是理想的电子－光子直接转换器件，有很高的量
子效率，微小的电流和温度变化都将导致其输出光功率的很大变化。因此，LD的驱动电流
要求非常高，必须是低噪声、稳定度高的恒流源，一般电源很难满足要求。此外，瞬态的电
流或电压尖峰脉冲，以及过流、过压都会损坏半导体激光器。这里将以TI公司的DSP芯片
TMS320F2812为控制核心，实现带有多种保护的双闭环高精度半导体激光驱动电源系统。
1 系统总体设计
恒流源一般采用集成运算放大器和一些分立元器件及单片机构成的“压控恒流源”方法实
现，与纯模拟元件构成的恒流源相比，这种方法在恒流精度和线性度上都有明显的提高。但
是该方法中单片机是用作显示与控制电压的给定，并未对输出电流实时检测和控制，属于开
环控制系统，影响了恒流源的稳定性及精度。该系统由“压控恒流”电路、信号采样和调理电
路、保护电路、键盘、LCD显示、RS 232通信接口以及DSP处理器等环节组成，系统结构
框图如图1所示。
图1 系统结构框图
通过键盘输入给定，并在LCD上显示，同时经F2812运算处理后输出相应占空比的PWM
信号。PWM经低通滤波器、放大调理后实现D／A变换并作为“压控恒流”模块(V-I Constant
Current)的控制电压实现“压控恒流”。F2812实时对输出的电流采样，采样数据经数字滤波、
分析处理后与给定电流值相比较，得到差值作为PI调节算法表达式中的输入量，通过PI运
算得到控制量Uk来调整PWM的输出实现恒流。
2 系统硬件设计
2.1 直流电源模块实现
直流电源模块主要由变压、整流、滤波、稳压和“扩流电路”组成。直流电源模块如图2
所示。+15 V用于“压控恒流模块”和运算放大器供电；-15 V用于运算放大器负电源供电；
+5 V用于数控模块供电。将+5 V用高精度、高稳定性的稳压芯片稳压后再为DSP处理器供
电。
图2 直流电源电路
“扩流电路”由电阻Rp3和大功率达林顿管TIP147组成，调节Rp3可使+15 V电流得到2 A
以上的大电流输出。为减少直流电流中纹波采用RC-π型有源滤波方法，变阻Rp1，Q1，C3
与Rp2，Q2，C4组成两个RC滤波电路分别对+15 V和-15 V电源高效滤波。为NPN型晶
体管，利用晶体管的电流放大作用可以间接增大滤波电容的容值。
假若Q1和Q2放大倍数为β1和β2，则Q1，Q2基极电容C3，C1等效到射极，分别就
为(1+β1)C3和(1+β2)C4，从实现大电阻大电容滤波并减小了电路的体积。图中D5，D6为电
源故障显示，D7和D8起保护稳压器LM7815，LM7915的作用。当输出端有负载时，如果
LM7915稳压器的输入端开路，这时LM7915无输出，+15 V经负载加到LM7915的输出端
以致损坏LM7915。LM7815的保护原理相同。
2.3 恒流源模块实现
“压控恒流”是通过控制输入电压的变化控制输出电流。恒流源电路原理如图3所示。通
过硬件电路实现闭环负反馈，即内闭环。图3中电阻Rs，R4，R5，Rf和运放U5构成反馈
网络。假若运放U4是理想的，设输入电压为Vs，输出电压为Uo。由运放“虚短”可得：
Rs，R5，Rf不变时，输入电压Vs恒定输出电流Io恒定。运放U4，U5，电阻Rs，R5，
Rf自身的稳定性恒流源的稳定性起决定性作用。因此，U4，U5选用高精度运放OP-27，其
漂移仅为O.2μV／℃，最大噪声电压为O.25μV。R5，Rf选用温漂系数低、精度较高的电阻。
采样电阻Rs选用阻值为0.01 Ω大功率锰铜丝电阻，其精度为1％。Q5为大功率达林顿管
2SD1559，由于集成运算放大器一般工作在小电流状态，因此用一个小功率晶体管Q4(9014)
驱动Q5。C15,C16，D9，L1构成低通滤波以减少电源中高次谐波对LD的影响，D5在Q5
截止时起到扼制流作用。
图3 恒流源与信号调理电路
2.3 A／D与D／A模块实现
F2812芯片内置12位ADC(模／数转换器)，输入电压为0～3 V，12位的ADC采样的分
辨率为(3.0 V-O V)／212=0.73mV。F2812根据预置的电流值对PGA103的A1A0引脚置位
(A1A0=OO，A1A0=01，A1A0=10分别对应的放大倍数为1，10，100)，信号调理如图3所
示。F2812内没有配置DAC模块，要实现D／A功能需要外接D／A转换芯片，转换精度
与芯片的价格成正比关系，这无疑增加了硬件成本。F2812芯片提供的PWM信号，是一种
周期和占空比均可变、高电平VH=3．3 V，低电平VL=O V的脉宽调制(PWM)信号。由傅
里叶变换可知，对于以时间轴原点为对称点的、单极性的PWM信号可写成表达式：
式中：T为信号周期；n=±1，±2，±3±…；An，Bn为各自独立的傅里叶系数。
由式(3)可知只要将高频直流分量An滤除，改变PWM信号占空比q(q=O～1)时，可以得
到输出电压O～3.3 V。由于三阶低通滤波器较之于一阶与二阶低通滤波器有更好的性能。
采用“归一化”方法设计一个Butterworth三阶反馈有源低通滤波器，如图4所示。低通滤波
器的传递函数表示为：
式中：G，bn-1，…，b0为适当选择的常数。图4低通滤波器要满足式(4)必须具备以下
条件：
式中：
由归一化方法可得，将截止频率fc(Hz)和电容C21都归一化，所以电阻系数为K=100／
fcC，C是以μF为单位的C21值，要使增益G=2时。由文献[6]中表2-54可知，K=1时所对
应电阻R6～R10电容C22～C23(μF)的系数分别为2.491，2.339，0.692，11．043，11.043，
C21，C21。选择fc=1 000，C=O.01时，图4中R6～R10，C21～C23分别为24.49l，23.39，
6.92，110.43，110.43，O.01，O.01，O.01。经EWB仿真软件仿真可知该三阶滤波电路得到
很好的滤波性能，ButterWorth滤波在通带内没有纹波，这使得PWM到D／A变换精度上
得到保证，仿真结果如图5所示。
图4 三阶反馈有源低通滤波器
图5 三阶反馈有源滤波幅频特性
2.4 键盘与显示实现
键盘的功能是输入预置电流值并且可以实时修改。键盘采用16个键，“0～9”和“?”键用于
数字输入；“ENTER”，“CANCLE”键表示确认、取消；“↑”，“↓”键表示步进量增加、减少；
“NUM”键表示步进量选择。预置电流步进量分为±10 mA和±1 mA，可以输入10～2 500 mA
范围内电流值，预置电流输入按下“EN-TER”键后即可在LCD上显示。数据显示选择常用的
液晶显示LCD1602A，将预置输出电流值和实时采样电流值分成两行显示。
2.5 LD保护电路
半导体激光器LD的PN结非常脆弱，极容易损坏。瞬时的电流突变，容易使半导体激光
器两端面腔镜产生损伤造成激光器永久性损坏。慢速启动(也称为软启动)是指驱动电源开启
后，控制电压Vs不突然加在整个恒流电路上，而是在设定的时间内从零逐渐升至Vs。将几
个前向导通的二极管与激光器LD串联可以有效延长LD管的使用寿命，因为当发生大的前
向电压时，这些二极管导通，电流将不会从激光管LD通过，从而避免损坏LD管。在LD
两端并联一个小电容，同时并联一个反向二极管防止LD受到过大的反向电压而损坏。为防
止过电流，可采用软件和硬件保护，即采样的电流值经处理后与限流值比较，大于限流值时，
将开关管Q6导通，V4被箝为0 V使调整管截止达到限流的目的。
3 系统软件设计
软件采用汇编语言编写，可以通过键盘实时修改电流的给定值，同时LCD可以显示给定
值和实测值。为方便调试系统软件采用模块化设计，主要包括主程序，给定给定、LCD显
示及PI调节等子程序。
系统的初始化包括DSP外围接口芯片和电流给定的初始化，键盘扫描包括给定和步进量
的调整。系统主程序与外环调节程序流程图如图6所示。
图6 主程序与外环调节程序流程图
4 结 语
在该设计中，采用硬件闭环负反馈与数字闭环结合的方法，构成双闭环恒流电源。硬件
闭环负反馈具有很强的恒流特性，并降低数字闭环工作量。数字闭环主要起精细调整作用，
使系统恒流精度得到提高。此外，充分利用F2812内置资源简化了外围芯片设计复杂性，
同时，16路的ADC通道和PWM输出可以对多个恒流电源测控。因此该系统可以广泛用于
光纤传感、光纤通信以及有源电流互感器的激光供能等多方面，有着良好的应用前景。