激光二极管驱动电源的设计

激光二极管驱动电源的设计作者：赵涛陈玉敏

来源：《现代电子技术》2015年第24期

摘要：设计实现了分布式光纤测温系统（DTS）中的激光二极管驱动电源。首先研究激光二极管对驱动电源的要求及技术指标，比较目前几种设计方法的优缺点，分析雪崩三极管的工作原理和参数选择因素，并选择雪崩三极管ZTX415，最后由同步触发信号产生电路、预雪崩电路、雪崩电路三部分设计实现了激光二极管的驱动电源。其中预雪崩电路采用开关三极管获得纳秒级脉冲并进行功率放大，降低了对雪崩三极管的参数要求。实验结果表明，设计合理，参数正确，并已成功应用于光纤测温系统中。

关键词： DTS；激光二极管；雪崩三极管；触发信号

中图分类号： TN86⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2015）24⁃0159⁃04 Design of driving power for laser diode

ZHAO Tao， CHEN Yumin

（School of Information Engineering， Harbin Institute of Technology （Weihai Branch），Weihai 264209， China）

Abstract： The driving power for laser diode in distributed optical fiber temperature measuring system （DTS） was designed and implemented. The requirements and specifications of the drive power for laser diode are researched. The advantages and disadvantages of several current design methods are compared. The working principle and the preference factors of the avalanche transistor are analyzed， and the avalanche transistor ZTX415 is selected. The driving power of laser diode was designed and implemented with producing circuit of synchronous trigger signal， preliminary avalanche circuit and avalanche circuit. The nanosecond pulse is obtained and power amplification is achieved by switching transistor in preliminary avalanche circuit， which reduces the parameter requirement to avalanche transistor. The experimental results show that the design is reasonable， and the parameters are correct. The design has been successfully applied in DTS.

Keywords： DTS； laser diode； avalanche transistor； trigger signal

分布式光纤测温系统基于光的时域反射和背向拉曼散射温度效应成为先进的远距离温度监测系统[1]。该系统由驱动光源、激光二极管、光纤、光电转换器、高速A/D采集及数据处理五部分组成。激光二极管在驱动电源作用下产生激光注入光纤，光纤作为光的载体和传感元件，光电转换器把接收的散射及反射激光变换为电信号输出，经高速采集后进行数据处理。本文利用雪崩三极管设计了驱动电源。

1 激光二极管驱动电源的要求

当激光二极管工作在受激辐射状态且工作电流大于阈值电流时，光子获得净增益并在腔内振荡发射出激光，光输出功率随电流陡峻上升。由于反射和散射回来的光功率非常低，仅相当于入射光的10-7左右，经光电转换器转换成光电流后不过几微安，因此系统要求尽量高的入射光功率[2⁃3]。同时光脉冲的宽度直接影响了空间分辨率，1 m的空间分辨率需要的光脉冲脉宽要小于10 ns。因此激光二极管的驱动电源要满足几点要求：

（1）激光器产生的峰值功率为6 W，要求驱动电流在8.5 A左右，电流的稳定性提出了很高的要求。

（2）系统要求空间分辨率小于3 m，光脉冲宽度小于30 ns，脉冲的上升沿和下降沿都在5 ns以内。

（3）系统的测温时间越短越好，在综合考虑测温精度及测试距离的影响下，脉冲光的重复频率为3.65 kHz。

（4）散热迅速，不累积热量，以免对激光管产生不可恢复的损坏。

目前产生纳秒级电脉冲的方法有数字电路、功率开关管、阶跃恢复二极管、闸流管和雪崩晶体管等[4⁃7]。数字电路产生纳秒脉冲一般由振荡源和整形电路组成，振荡源提供触发脉冲，整形电路在触发脉冲作用下产生输出脉冲的宽度，一般大于50 ns，并且电流幅值很低；MOS场效应管开关特性比较好，但是上升沿和下降沿也至少5 ns，输出电流也不能很大。阶跃恢复二极管利用阶跃恢复的特点来产生高速窄脉冲，可以产生脉冲宽度小于10 ns，幅值也能大于3 A，但是价格较高，具体的电路设计也有一定难度。

雪崩晶体管能同时提供快速响应和较大的峰值功率[8⁃9]，电路设计不复杂，广泛应用在大电流窄脉冲产生电路中，本设计采用了雪崩三极管。

2 雪崩三极管的选择

在晶体管的集电极加上比正常使用大许多倍的电压，使集电极的载流子被强电场加速而获得很大的能量，这些被加速的载流子与晶格发生碰撞产生新的电子⁃空穴对，这些电子⁃空穴对又被强电场加速，重复上述过程，流过集电极的电流便像“雪崩”一样迅速增长，这种现象被叫做晶体管的雪崩效应。具有雪崩效应的晶体管称为雪崩晶体管。NPN型雪崩三极管共发射极输出特性如图1所示。

图1 NPN型雪崩三极管共发射极输出特性

雪崩管在雪崩区形成负阻特性，负阻区处于BUCEO与BUCBO之间，当电流再继续加大时，则会出现二次击穿现象，如图2所示。

图2 雪崩三极管二次击穿曲线

雪崩晶体管在集电极⁃发射极端对外电路呈现电流控制的“S”型负阻特性，即内部存在强烈的正反馈。它与一般消耗能量的正阻相反，负阻在动态形式下可以存储与释放能量，这就是运用晶体管的雪崩特性产生大电流、高速脉冲的根本原因。

当雪崩过程发生时，集电极电流Ic与射极电流Ie之间的关系为：

[Ic=α∗Ie=αMIE]

[M=11-UcBUcbon]

式中：[α]为雪崩前晶体管的共基极电流增益；[α∗]为雪崩效应后的晶体管的共基极电流增益；M为雪崩倍增因子；n为与晶体材料有关的密勒指数，通常硅材料为3～4。