高穩定度半導體激光器恆電流研究論文

摘要：近年來，隨着我國工業、醫療、軍事等行業的發展，半導體激光器也得到了廣泛應用。半導體激光器對於驅動電源具有較高的要求，其需要高穩定度、低紋波、高精度、高效率的恆流電源。相比傳統的線性電源來説，開關電源效率較高，精密度也較高，自身體積小等優勢使其在研製成本高、穩定度高的恆流開關電源的研究有着重要的積極作用。本文通過對紋波的種類以及其對於設備的影響，分析了常用的紋波抑制，並且對影響低紋波恆流電源硬件的參數設計以及方案實現展開分析，對於系統的穩定性產生的影響進行探究，希望能給相關工作人員提供幫助。

關鍵詞：高穩定度；半導體；激光器；恆電流；研究

半導體激光器在各個行業的應用越來越多，無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方面的激光定位等，半導體激光器都起着十分重要的作用，而激光用電源是保證半導體激光器正常工作的重要元件。激光電源的發展對我國各行業的發展起着十分重要的作用，半導體激光器的驅動電源需要較高穩定度的恆流電源。因為需要載入恆定的載流子，所以載流子注入量直接決定了半導體激光器的功率大小，並且對於半導體激光器的穩定性也十分重要，同時激光器需要較高的精度，較小的偏差都會導致嚴重的後果，因此需要對激光用電源提出更高的要求。

1控制系統恆流源電路設計

本文根據半導體激光器在實際應用中的要求，針對其特殊性設計出了具有較高穩定度的恆流控制系統，該系統是由恆流源電路、恆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，利用客户端將串口連接，保證半導體激光器的電路能夠輸出高精度的恆流和低紋波電流，因此電路設計是十分重要的。首先需要考慮直流線性電源和低紋波的電源來實現供電，根據實際情況模擬地單點接地和數字接地，或者隔離耦合器件能有效地將數字電路和模擬電路進行分隔，在信號輸出過程中能夠產生諧波耦合到模擬電路中，然後選擇低温度係數的電子元件，除此之外還應當綜合考慮半導體激光器的保護電路、制熱電路和製冷電路等電路。在本次設計中將基準電壓源連接了恆流源運算放大器，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過的電流，進而產生閉環結構的系統，實現直接控制。但是有以下幾點因素會影響系統精度。

（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於提升電路的採集精度，但是如果輸出電壓效果不好則會出現較大的紋波，使採集精度大大降低，甚至損壞電路元件。因此，系統的一點小波動都會間接引起電路的波動以及電路的採集精度。在控制系統的電源電路中，需要採用低紋波係數電源，目前有2種電源：開關電源和線性電源。

（2）高精度電壓基準源一般都會使用低紋波係數電源，有利於電路穩定，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，相當於電路中的標準，也是恆流電路中最主要的功能模塊之一，它對整個電路的性能和精度有着十分重要的影響。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範圍。

（3）運算放大器電路。採用新型電壓源給系統進行供電並採用恆流源的電壓基準源MAX6193進行電路設計，該系統採用了高精度的電壓基準源，但反饋的電流信號無限逼近電壓基準源的電壓，需要使用高精度的運放，否則會產生較大的誤差。理想狀態下，當運放過程中2個輸入電壓數值相等時，輸出電壓為0V，而實際上需要在2個輸入端施加較小的電壓才能使電壓值為0V，將這個電壓作為輸入失調電壓，理想的運放流經運放輸入端的電流為0，實際使用過程中運放的輸入端是有電流通過的，且在失調電流和電壓均不為0時，運放的電壓也會產生誤差。

（4）電流取樣電路。電流採樣電路根據實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，這種電路設計簡單，產生的共模信號小，但是一旦發生電阻短路的情況時是無法檢測放大電路的，這樣會出現超負荷損壞。同時，激光器的.負極連接金屬外殼，如果採用低端電流採樣會使負極不能接地，最終功率管會回到地面，而後續工作人員更換激光器時一旦觸碰其金屬外殼，靜電就會流經人體，使人體觸電，同時該靜電還會經過半導體激光器，也會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，進而在電路設計時可以採用高端電流採樣電路。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，需要額外增加保護電路，使其能夠保持長時間穩定性工作，並且還需要增加靜電、短路保護電路和延時啟動電路。

2恆流電路的穩定性測試

由於影響恆流源電路的主要參數是恆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行測試。首先對恆流電路的輸出穩定性進行測試，採用的固定電流為100mA，採樣電阻兩端的採樣電壓與採樣電阻的電流成正比，在本次試驗中，採用的採樣電阻是金屬薄膜的貼片電阻，電阻阻值為10，精度為1%，同時高精度也會引起高温度，但其所產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，通過採集到的電壓信號來反映電路中通過電流的真實值，給予恆流源電路通電並在室温下進行測試，利用萬能表測量採樣電阻兩端的電壓記錄數據，並每隔一定的時間記錄一次數據，最終將測試到的數據利用繪圖軟件繪製其電流的波動圖。從測試數據可以看出，所涉及的恆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，對紋波電流進行測試，模塊供電是通過整流濾波實現的，因此在使用過程中電路中可能會產生一些噪聲，而測試紋波與電流穩定性的檢測採用了相同的方法，通過對採樣電阻兩端的電壓值進行測量，在恆流源電路通電的情況下測試電壓值，結果發現採樣電阻兩端的交流電壓紋波電流為3A。通過介紹電路設計的一些注意事項和恆流源的穩定性以及紋波測試的方法及結果，從測試結果來看，所設計的高穩定度半導體激光器恆流控制器可以達到設計要求。

3結論

本文通過設計半導體激光器恆流控制器系統，研製了高精度的恆流源電路，實現了在100mA的工作電流下能夠保持恆流穩定度為4A，且具備一定的靜電、過流過壓保護等，有效避免了敏感電子元件受外界干擾的情況。此外，採用完全電氣隔離的方式來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，避免數字地中的開關噪聲耦合到模擬地中，我們在設計過程中採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行有效隔離，降低噪聲干擾。

參考文獻：

[1]羅亮,胡佳成,王嬋媛,等.高精度半導體激光器驅動電源及温控電路設計[J].激光技術,2017,41(2):200-204.

[2]黨玉傑,董全林,孫茂多,等.高穩定度恆流源的研究與影響因素分析[J].電源技術,2016,40(4):865-868.