功率稳定可调LD驱动电路的设计

!# "
!$%& + , ’ ( ! " *
"# ) ./0++1
$-
进 行 通 信 # 采 用 的 LI(’( 收 发 器 为 D0E’(’( $ 计 算 机 通 过 串 口 可 对 H= 的 初 始 驱 动 电 流 & 参 考 监 测 电 压 进 行 设 置 # 还 可 以 对 3.= 数 字 调 节 器 的 比 例 & 积 分 & 微 分 系 数 进 行 设 定#这 样可 以方 便快捷 地整 定出调 节器 的参 数 $ 存储 器中 存 放 一 些 设 定 参 数 以 及 暂 存 3.= 运 算 的 中 间 结 果 $
* 6 - 5, 封 装
*/-监 测 电 流 与 输 出 功 率 的 特 性 曲 线
图 ’ 5, 封 装 及 监 测 电 流 与 输 出 功 率 的 特 性 曲 线
大 为 ’’!24 % +, 的 监 测 电 流 &2 与 激 光 器 的 输 出 功 率 %! 在 温 度 不 变 的 情 况 下 成 线 性 关 系 ’ 图 ’ ’/$ 所 示 $! 这 为 后面控制电路的设计提供了依据%
+1
+ M * C? ,- ) M * C! ,!
!) M ! C .! ! ,
4 /
*
&
.) M * C .*
!’ "
为了实现编程#将上式写成离散化#可写出第 / 次 采 样 式 3.= 的 输 出 表 达 式 为 N *O %
0 M / C? ,- 1M / C! ,! " 1 M 2 C! ,& N 1 M / C" 1 M / "+CO
+, 监 测
驱 动 5,
图 & 5, 的 单 片 机 闭 环 控 制 驱 动 电 路 框 图
%C
自动化与仪器仪表
!"# 电 路 模 块 选 型 及 计 算 !"#"! 差 分 放 大 模 块
由 图 + !:" 可 见 # 监 测 电 流 很 小 # 尤 其 当 激 光 器 输 出 功 率 ;+4#< 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 09= 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 09= 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均相等的高精度电阻 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 >. 公 司 的 高 输 入 阻 抗 精 密 差 分 放 大 器 ./0++1 # 其 原理图如图 ’ 所示$
0 M / C? 0- M / C! 0! M / C! 0& M / C
!)"
式 ! ) " 即 为 离 散 化 的 位 置 型 3.= 编 程 公 式 # 一 般 采 用 浮 点 运 算 $ 当 ,3 & ,! & ,& 分 别 给 出 且 存 放 在 指 定 的 内 部 L0D 中 时 # 则 完 成 式 ! ) " 位 置 型 浮 点 运 算 3.= 运 算 程 序 的 流 程 图 如 图 * 所 示 ! 初 始 化 程 序 设 置 初 值 使 1 M / "+C
图 1 电压9电流的转换电路
*8 !&’ ) 2345
$+
’ (
! "
+ 6 *7! + 6 *7! "%
程 电 流 为 +*4#0 $ 由 于 H= 正 常 工 作 时 # 其 压 降 为 (8 左 右 # 所 以 这 样 设 计 驱 动 电 流 最 大 值 不 会 超 过 +44#0 # 对 H= 可 以 起 到 保 护 作 用 $ 故 驱 动 电 流 在 4 # +44#0 之 间 可 调 $ 由 上 式 可 见 # 最 大 驱 动 电 流 可 以 通 过 调 节 "K 的 大 小 来得到 #设计 灵活性 较大 $ 此 外 # 电 路 中 单 片 机 与 计 算 机 间 通 过 LI(’( 串 行 口
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 9 & " %: ! 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 9 ’: ! 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" 这两种方法的共同点是模拟调节" 本文设计一 种 对 输 出 光 功 率 进 行 闭 环 数 字 +;, 调 节 的 激 光 二 极 管 ’ 5, $ 驱 动 电 路 " 该 电 路 使 用 高 精 度 ’$ 位 4 1, & , 14 转 换 器 ! 理 论 上 对 光 功 率 的 !"!’ 8 变 化 均 可 调 节 ! 且 驱 动 电 流 最 小 调 节 量 <!"!’24 ! 同 时 可 精 确 设 置 初 始 驱 动 电 流’光 功率 $"
自动化与仪器仪表
功率稳定可调 $% 驱动电路的设计
西 安 电 子 科 技 大 学 技 术 物 理 学 院 *B’!!B’胡志敏 林晓春 严绍辉 安毓英
摘 要 ! 功 率 稳 定 可 调 的 激 光 二 极 管 ! 5, " 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 >4=?@ %!23 红 光 5, 设 计 了 驱 动 电 路 $ 其 驱 动 电 流 在 ! " ’!!24 之 间 可 调 $ 最 小 可 调 量 <!"!’24 # 单 片 机 片 内 对 监 测 电 流 偏 差 进 行 了 +;, 调 节 运 算 $ 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 +;, 调 节
!"# 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 41, 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 +;, 运 算 ! 运 算 结 果 经 ,14 转 换 及 电 压 # 电 流 ’ ’(& $ 变 换 后 ! 成 为 5, 的 驱 动 电 流 % +;, 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 & 所示%
!=I ? $+ ! +6+ ! J + ! + C "K +)wenku.baidu.com*7
1 M / C? $-K%P " $- M / C
!* "
为 程 序 设 计 方 便 # 将 式 !1 " 作 进 一 步 改 进 # 设 比 例 输 出 为 % 03 M / C ? ,-1 M / C # 积 分 项 输 出 为 % 0! M / C ? ,!1 M / C ! -! M / "
$4 ? @ !$%& " !# A ! " ! @+!*479 "BC !"#"$ 模 % 数 及 数 % 模 转 换 器
0 9= 转 换 器 选 用 美 信 公 司 的 D0E+4)( # =90 转 换 器
选 用 模 拟 器 件 公 司 的 0=***+ # 它 们 都 是 +1 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 3+ 相 连 $ 转 换 器 的 位 数 决 定 了 检 测 控 制 电 路 的 分 辨 率 $ +1 位 转 换 器 可 把 1 64F)8 量 程 的 电 压 量 化 成 (+1 份 # 所 以 调 整 差 分 放 大 器 的 增 益 使 其 输 出 电 压 最 大 值 达 到 09= 转 换 器 的 满 量 程 电 压 # 则 理 论 上 对 于 光 功 率 变 化 +9( 均 可
+C # 微 分 项 输 出 为 % 0& M / C ? ,& N 1 M / C " 1 M / "+CO # 那 么 式 ! 1 "
可写成%
!"#"# 电 压 % 电 流 转 换
由 于 上 述 =90 转 换 器 的 输 出 无 缓 冲 # 故 采 用 运 放 与 场效应管组成的共源放大电路$ 其中运放对输出有缓冲 作用$ 图 1 电 路 中 $+ 为 =90 的 输 出 电 压 # 场 效 应 管 的 漏 极 " 源 极 的 电 流 ! 即 H= 的 驱 动 电 流 " 为 %
差分放大
41, 转 换
参数 设定
! 驱动电路设计
!"! 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 ’ ’ 6 $ 所 示 $ % 5, 和 监 测 激 光 器 背 向 输 出 光 功 率 的
监测 电流
存储器
单片机
计算机
,14 转 换
电压1电流转换
&
共阳极型
!"# !"$ ’ 5, % ’ +, 5, % +, !" ( &# ! ) #$ * +, - ( #.
&2 1 24
!"% !"& !"’
&
共阴极型
!
!
’! %0 1 23
&!
%!
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 9’: " 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"
图 ’ 监测电流的差分放大电路原理图
$ 数 字 &’( 调 节
3.= 调 节 器 控 制 结 构 简 单 # 参 数 容 易 调 整 # 不 必 求 出
被 控 对 象 的 数 学 模 型 便 可 调 节 $ 其 输 入 )M*C 与 输 出 +@*C !+ " 间 的 关 系 为 N 1O %
其 中 # 参 考 电 流 !$%& 可 由 另 一 ./0++1 和 230)4( 得 到$ 放大器的输出电压可由下式计算%
2?4
!1 "
式 中 #1M/C 为 第 / 次 采 样 式 的 偏 差 值 $ 设 监 测 电 压 设 定 值 为 $4K%P # 差 分 放 大 器 第 / 次 输 出 的 采 样 值 为 $4 ! / " # 则%
检 测 到 # 即 该 驱 动 电 路 可 以 检 测 到 ;464+G 的 激 光 器 光 功 率 变 化 # 进 而 可 在 单 片 机 中 进 行 调 节 $ 同 样 设 =90 转 换 器 的 输 出 电 压 经 $(! 变 化 后 的 满 量 程 电 流 为 +*4#0 # 则 驱 动 电 流 的 最 小 可 调 节 量 为 +*49(+1 ?464+#0 $
+;= 光 电 二 极 管 封 装 在 一 起 % 这 里 ! 5, 采 用 >4=?@ A##72 红 光 激 光 二 极 管 ! 封 装 形 式 为 共 阳 极 ’ 5, 的 正 极
与 +, ’ 光 电 二 极 管 $ 的 负 极 连 接 在 一 起 $ % 5, 最 大 输 出 光 功 率 为 %!23 ! 阈 值 电 流 为 $!24 ’ &# ! ) $ ! 工 作 电 流 最
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 # !"’72 级 1 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 !"’8 % 稳 定 光 源 在 光 纤