LD(激光二極管)不僅具有一般激光器高單色性,、高相干性,、高方向性和準(zhǔn)直性的特點，還具有尺寸小,、重量輕,、低電壓驅(qū)動、直接調(diào)制等特性,，因而廣泛應(yīng)用于國防,、科研、醫(yī)療,、光通信等領(lǐng)域,。然而，由于LD是一種高功率密度并具有極高量子效率的器件,，對于電沖擊的承受能力差,，微小的電流波動將導(dǎo)致光功率輸出的極大變化和器件參數(shù)的變化，這些變化直接危及器件的安全使用,，因而在實際應(yīng)用中對驅(qū)動
電源的性能和安全保護有著很高的要求,。在驅(qū)動電源的設(shè)計過程中，同時考慮對LD進(jìn)行安全有效保護,，如防止浪涌沖擊，慢啟動等問題,。
1 電路結(jié)構(gòu)及原理
LD是依靠載流子直接注入而工作的,，注入電流的穩(wěn)定性對激光器的輸出有直接、明顯的影響,，因此,，LD驅(qū)動電源需要為LD提供一個紋波小，毛刺少的穩(wěn)恒電流,。該LD驅(qū)動電源包括4部分：基準(zhǔn)電壓源,，恒流源電路，脈沖控制電路,，保護電路,。結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
1．1 基準(zhǔn)電壓源電路
基準(zhǔn)電壓源電路構(gòu)成如圖2所示,，其作用是為恒流源電路提供一個高精度,，低溫漂的電壓參考，同時,，為電路中的集成電路(如光耦合器,、運算放大器,、反相器等)提供穩(wěn)定工作電壓。
LM317是美國國家半導(dǎo)體公司的三端可調(diào)正穩(wěn)壓器集成電路,，輸出電壓范圍是1．2～37 V,，負(fù)載電流最大為1．5 A，使用簡單,。其工作過程如下：輸出電壓Vout通過R1,、VQ1，對C2充電,，開始時VQ1飽和導(dǎo)通,，Vout最低(約1．5 V)。隨著C2上電壓的升高,，VQ1逐漸退出飽和并趨于截止,，Vout逐漸升高至額定電壓。改變R1,、C2的常數(shù)可改變軟啟動的時間,。改變可變電阻R2的值，可調(diào)整輸出電壓Vout的值,。VD1用于關(guān)機后使C2上的電荷快速泄放,。其輸出電壓為：
1．2 恒流源電路
為了實現(xiàn)高的電流穩(wěn)定度，驅(qū)動電路大多采用負(fù)反饋的控制方法,，恒流控制原理如圖3所示,。穩(wěn)流電路由基準(zhǔn)電壓電路、電壓-電流轉(zhuǎn)換電路,、恒流輸出電路和反饋電路組成,。電路工作時，基準(zhǔn)電壓經(jīng)過適當(dāng)放大后送入運放A1的同相端,，運放A1控制VQ1基極電流的大小,，從而獲得相應(yīng)的輸出電流，輸出電流在取樣電阻R上產(chǎn)生取樣電壓,，該取樣電壓經(jīng)A2放大后作為反饋電壓反饋回電壓放大器A1的反相輸入端,，并與同相輸入端的電壓進(jìn)行比較，對輸出電壓進(jìn)行調(diào)整,，進(jìn)而對VQ1基極的輸出電流進(jìn)行調(diào)整，使整個閉環(huán)反饋系統(tǒng)處于動態(tài)的平衡中,，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電流的目的,。
輸出電流I與設(shè)定的基準(zhǔn)電壓Vc的關(guān)系可由負(fù)反饋原理得到：
式中，Vc為基準(zhǔn)電壓，Ra,、Rb為反饋網(wǎng)絡(luò)中的電阻,，R為取樣電阻，在理想情況下R,、Ra,、Rb恒定不變。
由式(2)可知,，輸出電流I與基準(zhǔn)電壓Vc呈線性關(guān)系,。
但在實際情況下電阻的溫度系數(shù)和基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)將影響輸出電流的穩(wěn)定性。對式(2)進(jìn)行全微分并化簡可得電流穩(wěn)定度的表達(dá)式：
由于選取的取樣電阻R為歐姆級,，而(Ra+Rb)為數(shù)十千歐姆級,，因此有：μ2>μ1>μ3≈μ4，這說明影響輸出電流穩(wěn)定度的主要因素是取樣電阻的溫度系數(shù)和電壓基準(zhǔn)的穩(wěn)定度,。在本恒流源中,，選用取樣電阻精度是0．1％，溫度系數(shù)是±2．5×10-5／℃,，電壓基準(zhǔn)的溫度系數(shù)小于1×10-6／℃,。
1．3 脈沖控制電路
對許多LD應(yīng)用來說，有時希望脈沖輸出,，因為脈沖輸出時LD結(jié)發(fā)熱很小,。LD工作在低占空比和短脈寬狀態(tài)時允許比CW電流電平高得多的脈沖電流電平，而且多數(shù)不需要制冷,。
脈沖LD電源控制技術(shù)的關(guān)鍵在于對電流脈沖波形的控制,，外控調(diào)制信號采用TTL方波，LD輸出跟隨控制信號以開關(guān)方式輸出,。
根據(jù)上述設(shè)計思想設(shè)計脈沖控制接口電路,，其原理圖如圖4所示。由非門單元,，晶體管VQ3，光電耦合器組成,。當(dāng)脈沖為高電平時,，非門輸出低電壓，使光電耦合器截止,，光電耦合器輸出低電平,，使晶體管VQ3截止，VQ3集電極輸出高電平使VQ1,、VQ2導(dǎo)通,，LD正常工作；反之，光電耦合器導(dǎo)通,，使VQ3導(dǎo)通,，VQ3集電極輸出低電平，使VQl,、VQ2截止,，LD不工作。在沒有外控脈沖控制信號時,，接口懸空,，非門輸入高電平，輸出低電壓,，光電耦合器不工作,，晶體管VQ3截止，VQ3集電極為高電平,，使VQ1導(dǎo)通,，保證LD的正常連續(xù)發(fā)光。
1．4 保護電路
考慮到LD的易損性,，在穩(wěn)流控制中保護電路的設(shè)計也是很重要的一個方面,。本設(shè)計中，選用供電電壓波動較小,，內(nèi)部具有慢啟動,、過流、過熱保護,、尖峰電流限制功能的集成直流穩(wěn)壓器,，只需在LD兩端反向并聯(lián)一個普通二極管以防止反向過壓，同時并聯(lián)小容量電容防止回路電流毛刺損壞管芯,。
2 結(jié)果與分析
表l是該電路驅(qū)動波長650 nm,，功率200 mW的LD連續(xù)工作時，基準(zhǔn)電壓與輸出電流的測試結(jié)果,，其電壓-電流關(guān)系如圖5所示,。
圖5結(jié)果表明基準(zhǔn)電壓與輸出電流成正比例關(guān)系，通過調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓,，可以改變LD的輸出功率,，即LD輸出功率連續(xù)可調(diào)。
圖6顯示了該驅(qū)動電源輸出的脈沖波形,。曲線Input為輸入控制脈沖信號,，曲線Output為LD上電壓脈沖。結(jié)果表明：LD上電壓脈沖的上升和下降時間都很短,，中間段電壓的穩(wěn)定使輸出電流恒定,，恒定的電流幅度保證了LD輸出功率的穩(wěn)定,。通過改變輸入脈沖的頻率、脈寬,，可得到所需的LD激光脈沖信號,。
3 結(jié)論
提出了可用于連續(xù)或脈沖輸出的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源的設(shè)計方法，測試結(jié)果表明：1)驅(qū)動波長范圍為650～980 nm：2)輸出功率0～300 mW連續(xù)可調(diào),；3)連續(xù)或脈沖輸出可選,。電源穩(wěn)定、可靠,、控制簡單,，功率連續(xù)可調(diào)，可廣泛地用于對半導(dǎo)體激光驅(qū)動電源體積要求較小的應(yīng)用中,。