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功率穩定可調LD驅動電路的設計
摘 要：功率穩定可調的激光二極管（LD）在精密光電檢測和光纖通信系統中應用廣泛。介紹了一種單片機控制激光二極管輸出功率的方法，針對SANYO 30mW紅光LD設計了驅動電路，其驅動電流在0～100mA之間可調，zui小可調量<0.01mA。單片機內對監測電流偏差進行了PID調節運行，使激光二極管輸出功率穩定。
關鍵詞：功率穩定可調激光二極管 單片機 驅動電路 PID調節
在精密光電檢測領域中，光源的微小波動會引起被測量的較大偏移，從而產生較大的測量誤差。如在半導體薄膜特性檢測中，常常需要檢測薄膜反射比以求解出其它光電學參量。由于薄膜增長的緩慢（0.1mm級/秒），反射比變化非常小，在這種情況下，對于光源穩定性的要求非常高，達到0.1%。穩定光源在光纖測量中像電子電路測試時用振蕩器作為信號源一樣，要求發出高穩定、光功率可調的光信號。穩定光源是急待開發的光纖系統測試儀器中的一種重要的基礎設備。
國內一些學者對穩定激光光源作了一些研究。有的設計方法使激光器注入電流穩定，并配合使用溫控電路。這種方法雖然對穩定性有一定提高，但對其它影響因素缺乏考慮，不是一種閉環的控制系統。有的對光功率的調節只使用模擬的積分調節，由于積分控制對穩態誤差的消除作用是靠對誤差的積累產生的，故反映不靈敏，且會使系統穩定裕量下降，超調增大，一般不單獨使用。這種方法的共同步是模擬調節。本文設計一種對輸出光功率進行閉環數字PID調節的激光二極管（LD）驅動電路。該電路使用高精度14位A/D、D/A轉換器，理論上對光功率的0.01%變化均可調節，且驅動電流zui小節量<0.01mA，同時可設置初始驅動電流（光功率）。
1 激光二極管封裝及參數
常見激光二極管封裝有兩種形式：共陽極與共陰極型（圖1(a)所示）。LD和監測激光器背向輸出光功率的PIN光電二極管封裝在一起。這里，LD采用SANYO655nm紅光激光二極管，封裝形式為共陽極（LD的正極與PD（光電二極管）的負極連接在一起）。LDzui大輸出光功率為30mW，閾值電流為40mA(25℃),工作電流量大為110mA。PD的監測電流Im與激光器的輸出功率P0在溫度不變的情況下成線性關系（圖1（b）所示），這為后面控制電路的設計提供了依據。
2 電路原理
光電二極管的監測電流經差分放大后變成一個電壓量，經高精度A/D轉換器采樣量化后送入單片機，與單片機內監測電壓參考值（在設定功率條件下，監測電流經差分放大后變成的電壓量的數字表示）之間作差，產生電壓偏差信號；再對偏差信號進行PID運算，運算結果經D/A轉換及電壓-電流（V-I）變換后，成為LD的驅動電路。PID調節是為了使激光二極管輸出功率穩定。這種單片機閉環控制系統框圖如圖2所示。
3 電路模塊選型及計算
3．1 差分放大模塊
由圖1（b）可見，監測電流很小，尤其當激光器輸出功率<10mW時。如果把監測電流通過一電阻接入放大器，則由于放大器的輸入阻抗太小以及電阻的溫漂問題，使放大器的輸入電壓受溫度影響非常大，從而導致A/D轉換器的輸入不準確。因此在設計中應該消除或減小環境溫度對A/D轉換器輸入的影響。設計中使監測電流與參考電流通過一個由四個阻值及溫度系數相等的高精度電阻組成的電橋電路，這樣溫度的影響會在相減中減小。放大器采用TI公司的高輸入阻抗精密差分放大器INA114，其原理圖如圖3所示。
其中，參考電流Iref可由另一INA114和OPA602得到。放大器的輸出電壓可由下式計算：
V0=(Iref-Im) ×R×(1+50k/Rg) (1)
3．2 模/數及數/模轉換器
A/D轉換器選用美信公司的MAX1062，D/A轉換器選用模擬器件公司的AD5551，它們都是14位的串行轉換器，適合于對速度要求不是很高的場合。轉換器的片選信號、時鐘線及數據線直接同單片機的用戶口P1相連。轉換器的位數決定了檢測控制電路的分辨率。14位轉換器可把4.096V量程的電壓量化成2 14份，所以調整差分放大器的增益使其輸出電壓zui大值達到A/D轉換器的滿量程電壓，則理論上對于光功率變化1/12 14均可檢測到，即該驅動電路可以檢測到<0.01%的激光器光功率變化，進而可在單片機中進行調節。同樣設D/A轉換器的輸出電壓經V-I變化后的滿量程電流為150mA，則驅動電流的zui小可調節量為150/2 14=0.01mA。