高穩定度半導體激光器恒電流研究論文
摘要：近年來(lái)，隨著(zhù)我國工業(yè)、醫療、軍事等行業(yè)的發(fā)展，半導體激光器也得到了廣泛應用。半導體激光器對于驅動(dòng)電源具有較高的要求，其需要高穩定度、低紋波、高精度、高效率的恒流電源。相比傳統的線(xiàn)性電源來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)電源效率較高，精密度也較高，自身體積小等優(yōu)勢使其在研制成本高、穩定度高的恒流開(kāi)關(guān)電源的研究有著(zhù)重要的積極作用。本文通過(guò)對紋波的種類(lèi)以及其對于設備的影響，分析了常用的紋波抑制，并且對影響低紋波恒流電源硬件的參數設計以及方案實(shí)現展開(kāi)分析，對于系統的穩定性產(chǎn)生的影響進(jìn)行探究，希望能給相關(guān)工作人員提供幫助。
關(guān)鍵詞：高穩定度；半導體；激光器；恒電流；研究
半導體激光器在各個(gè)行業(yè)的應用越來(lái)越多，無(wú)論是作為軍事上的激光武器，還是醫療上的激光醫療設備和工業(yè)方面的激光定位等，半導體激光器都起著(zhù)十分重要的作用，而激光用電源是保證半導體激光器正常工作的重要元件。激光電源的發(fā)展對我國各行業(yè)的發(fā)展起著(zhù)十分重要的作用，半導體激光器的驅動(dòng)電源需要較高穩定度的恒流電源。因為需要載入恒定的載流子，所以載流子注入量直接決定了半導體激光器的功率大小，并且對于半導體激光器的穩定性也十分重要，同時(shí)激光器需要較高的精度，較小的偏差都會(huì )導致嚴重的后果，因此需要對激光用電源提出更高的要求。
1控制系統恒流源電路設計
本文根據半導體激光器在實(shí)際應用中的要求，針對其特殊性設計出了具有較高穩定度的恒流控制系統，該系統是由恒流源電路、恒流控制器以及半導體激光器、保護電路這幾部分共同構成的，利用客戶(hù)端將串口連接，保證半導體激光器的電路能夠輸出高精度的恒流和低紋波電流，因此電路設計是十分重要的。首先需要考慮直流線(xiàn)性電源和低紋波的電源來(lái)實(shí)現供電，根據實(shí)際情況模擬地單點(diǎn)接地和數字接地，或者隔離耦合器件能有效地將數字電路和模擬電路進(jìn)行分隔，在信號輸出過(guò)程中能夠產(chǎn)生諧波耦合到模擬電路中，然后選擇低溫度系數的'電子元件，除此之外還應當綜合考慮半導體激光器的保護電路、制熱電路和制冷電路等電路。在本次設計中將基準電壓源連接了恒流源運算放大器，另一側與接收到的反饋信號端連接，輸出信號控制功率放大器可以直接控制經(jīng)過(guò)的電流，進(jìn)而產(chǎn)生閉環(huán)結構的系統，實(shí)現直接控制。但是有以下幾點(diǎn)因素會(huì )影響系統精度。
�。�1）系統供電電源的穩定性。電源能夠保持高強度的工作度，而低紋波的電源有利于提升電路的采集精度，但是如果輸出電壓效果不好則會(huì )出現較大的紋波，使采集精度大大降低，甚至損壞電路元件。因此，系統的一點(diǎn)小波動(dòng)都會(huì )間接引起電路的波動(dòng)以及電路的采集精度。在控制系統的電源電路中，需要采用低紋波系數電源，目前有2種電源：開(kāi)關(guān)電源和線(xiàn)性電源。
�。�2）高精度電壓基準源一般都會(huì )使用低紋波系數電源，有利于電路穩定，要想獲得更高精度的輸出電流，需要使用電壓基準源作為電壓參考，相當于電路中的標準，也是恒流電路中最主要的功能模塊之一，它對整個(gè)電路的性能和精度有著(zhù)十分重要的影響。在本次設計中使用的基準源芯片型號為MAX6193，是一種耗能低、精度高的電源，而且其還具有較寬的電壓輸入范圍。
�。�3）運算放大器電路。采用新型電壓源給系統進(jìn)行供電并采用恒流源的電壓基準源MAX6193進(jìn)行電路設計，該系統采用了高精度的電壓基準源，但反饋的電流信號無(wú)限逼近電壓基準源的電壓，需要使用高精度的運放，否則會(huì )產(chǎn)生較大的誤差。理想狀態(tài)下，當運放過(guò)程中2個(gè)輸入電壓數值相等時(shí)，輸出電壓為0V，而實(shí)際上需要在2個(gè)輸入端施加較小的電壓才能使電壓值為0V，將這個(gè)電壓作為輸入失調電壓，理想的運放流經(jīng)運放輸入端的電流為0，實(shí)際使用過(guò)程中運放的輸入端是有電流通過(guò)的，且在失調電流和電壓均不為0時(shí)，運放的電壓也會(huì )產(chǎn)生誤差。
�。�4）電流取樣電路。電流采樣電路根據實(shí)際的電路位置是否接地的情況，可以分為高端取樣和低端取樣。低端電流取樣電路的電阻連接晶體管的出射極和地，這種電路設計簡(jiǎn)單，產(chǎn)生的共模信號小，但是一旦發(fā)生電阻短路的情況時(shí)是無(wú)法檢測放大電路的，這樣會(huì )出現超負荷損壞。同時(shí)，激光器的負極連接金屬外殼，如果采用低端電流采樣會(huì )使負極不能接地，最終功率管會(huì )回到地面，而后續工作人員更換激光器時(shí)一旦觸碰其金屬外殼，靜電就會(huì )流經(jīng)人體，使人體觸電，同時(shí)該靜電還會(huì )經(jīng)過(guò)半導體激光器，也會(huì )造成半導體激光器被靜電反向擊穿。高端電流取樣電路是激光器的負極和金屬外殼接地，人體在觸碰激光器時(shí)靜電是回到大地的，這種情況下能夠大大減少人體被靜電擊穿的概率，進(jìn)而在電路設計時(shí)可以采用高端電流采樣電路。除此之外，半導體激光器本身具有較高的效能和高量子效應，同時(shí)其也是一種比較容易受損的電子元件，易被高壓電流影響。為了防止受外界不良因素干擾，在設計電流時(shí)，需要額外增加保護電路，使其能夠保持長(cháng)時(shí)間穩定性工作，并且還需要增加靜電、短路保護電路和延時(shí)啟動(dòng)電路。
2恒流電路的穩定性測試
由于影響恒流源電路的主要參數是恒流源的穩定度以及輸出的電流紋波，因此我們主要針對這兩者進(jìn)行測試。首先對恒流電路的輸出穩定性進(jìn)行測試，采用的固定電流為100mA，采樣電阻兩端的采樣電壓與采樣電阻的電流成正比，在本次試驗中，采用的采樣電阻是金屬薄膜的貼片電阻，電阻阻值為10，精度為1%，同時(shí)高精度也會(huì )引起高溫度，但其所產(chǎn)生的阻值誤差是可以忽略不計的。我們可以將電路認為其電阻不變，通過(guò)采集到的電壓信號來(lái)反映電路中通過(guò)電流的真實(shí)值，給予恒流源電路通電并在室溫下進(jìn)行測試，利用萬(wàn)能表測量采樣電阻兩端的電壓記錄數據，并每隔一定的時(shí)間記錄一次數據，最終將測試到的數據利用繪圖軟件繪制其電流的波動(dòng)圖。從測試數據可以看出，所涉及的恒流源電流穩定度可以達到4A，是完全符合系統設計要求的。其次，對紋波電流進(jìn)行測試，模塊供電是通過(guò)整流濾波實(shí)現的，因此在使用過(guò)程中電路中可能會(huì )產(chǎn)生一些噪聲，而測試紋波與電流穩定性的檢測采用了相同的方法，通過(guò)對采樣電阻兩端的電壓值進(jìn)行測量，在恒流源電路通電的情況下測試電壓值，結果發(fā)現采樣電阻兩端的交流電壓紋波電流為3A。通過(guò)介紹電路設計的一些注意事項和恒流源的穩定性以及紋波測試的方法及結果，從測試結果來(lái)看，所設計的高穩定度半導體激光器恒流控制器可以達到設計要求。
3結論
本文通過(guò)設計半導體激光器恒流控制器系統，研制了高精度的恒流源電路，實(shí)現了在100mA的工作電流下能夠保持恒流穩定度為4A，且具備一定的靜電、過(guò)流過(guò)壓保護等，有效避免了敏感電子元件受外界干擾的情況。此外，采用完全電氣隔離的方式來(lái)有效阻隔外界的強烈干擾，保證電路的穩定運行。在該系統設計中為了達到高精度要求，避免數字地中的開(kāi)關(guān)噪聲耦合到模擬地中，我們在設計過(guò)程中采用了數字地的電氣隔離和模擬地處理方式，在兩地之間使用放電管連接，能夠將模擬地和數字地的電氣進(jìn)行有效隔離，降低噪聲干擾。
參考文獻：
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