功率稳定可调LD驱动电路的设计

摘要：功率稳定可调的激光二极管（LD）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SANYO30mW红光LD设计了驱动电路，其驱动电流在0～100mA之间可调，Z小可调量<0.01mA。单片机内对监测电流偏差进行了PID调节运行，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PID调节

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（0.1mm级/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0.1%。稳定光源在光纤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。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。

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，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，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。这种方法的共同步是模拟调节。本文设计一种对输出光功率进行闭环数字PID调节的激光二极管（LD）驱动电路。该电路使用高精度14位A/D、D/A转换器，理论上对光功率的0.01%变化均可调节，且驱动电流Z小节量<0.01mA，同时可精确设置初始驱动电流（光功率）。

1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1(a)所示）。LD和监测激光器背向输出光功率的PIN光电二极管封装在一起。这里，LD采用SANYO655nm红光激光二极管，封装形式为共阳极（LD的正极与PD（光电二极管）的负极连接在一起）。LDZda输出光功率为30mW，阈值电流为40mA(25℃),工作电流量大为110mA。PD的监测电流Im与激光器的输出功率P0在温度不变的情况下成线性关系（图1（b）所示），这为后面控制电路的设计提供了依据。

2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A/D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PID运算，运算结果经D/A转换及电压-电流（V-I）变换后，成为LD的驱动电路。PID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2所示。

3电路模块选型及计算

3．1差分放大模块

由图1（b）可见，监测电流很小，尤其当激光器输出功率<10mW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A/D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A/D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TI公司的高输入阻抗精密差分放大器INA114，其原理图如图3所示。

其中，参考电流Iref可由另一INA114和OPA602得到。放大器的输出电压可由下式计算：

V0=(Iref-Im)×R×(1+50k/Rg)(1)

3．2模/数及数/模转换器

A/D转换器选用美信公司的MAX1062，D/A转换器选用模拟器件公司的AD5551，它们都是14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P1相连。转换器的位数决定了检测控制电路的分辨率。14位转换器可把4.096V量程的电压量化成214份，所以调整差分放大器的增益使其输出电压Zda值达到A/D转换器的满量程电压，则理论上对于光功率变化1/1214均可检测到，即该驱动电路可以检测到<0.01%的激光器光功率变化，进而可在单片机中进行调节。同样设D/A转换器的输出电压经V-I变化后的满量程电流为150mA，则驱动电流的Z小可调节量为150/214=0.01mA。

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