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如图 2所示,激光器的恒流控制电路主要由精密采样电路S、反馈电路U1、积分电路U2、限流电路U3组成。为了更加直观地设定激光器的电流值,在PC上设定驱动电流值,通过串口把数据传至单片机中。利用数模转换器将把恒流电路中电流对应的恒定电压信号转换成模拟电压输出,数模转换器选用Microchop公司生产的12位双通道缓冲电压输出数模转换器MCP4922,由精密基准电压源为通道1提供2.5V的参考电压。MAX1978中的内部产生的1.5V基准为通道2提供基准电压源。设定电流需转换为MCP4922的模拟电压输出,该芯片输出的模拟电压信号V(即为图 2中U2的同相端V-)与12位数字信号D之间的关系为:
$ V = D/4096 \times {G_0} \times {V_{\rm{r}}} $
(1) 式中,D为STC12单片机发送给MCP4922的数字信号,G0为内部增益,Vr为参考电压值。
采用反馈电路实时监控激光器的驱动电流。如图 2所示,1/2采样电阻Rs端的电压值表征恒流电路中的电流值。由于分布反馈式激光器(distributed feed-back,DFB)的驱动电流较小,最大电流不能超过120mA,采样电阻两端的电压较小,必须将采样信号进行放大。为此本文中采用BURR-BROWN公司生产的高速INA143电压差分放大器芯片对采样信号进行差分放大,其输出电压与电流之间的关系如下所示:
$ {V_{\rm{S}}} = I \times {R_{\rm{s}}} \times {G_1} $
(2) 式中, VS为INA143的输出电压,I为激光器电流值,Rs为采样电阻的阻值,取为2Ω,G1为INA143的增益系数,取为10。
为了使得设定电流和实际电流相等,必须保证设定电流对应的电流驱动电压恒定。如图 2所示,差分放大器的输出端经过电阻R1后,连接至运算放大器U2,该放大器选用ADI公司生产的低噪声COMS轨至轨精密运算放大器AD8606,即AD8606的同相端电压为INA143的输出电压VS,反相端连接数模转换器MCP4922的输出端。根据运放“虚短”可知,电路工作稳定之后, V+=V-= VS,根据积分电路特性可知,当实际电压VS小于设定电压V-时,积分电路对电容C1进行充电,此时AD8606的输出电压增大; 反之,当实际电压VS大于设定电压V-时,积分电路将对C1进行放电,此时AD8606输出电压降低。当且仅当V-=V时,电容C1停止充放电,AD8606输出稳定的电压,此时驱动电流稳定。
在激光器的工作过程中,电流过大很容易毁坏激光器,电流值不能超过激光器能够承受的最大电流值,必须在电路中设置限流保护电路。如图 2所示,U3为德州仪器生产的轨对轨功率放大器OPA567,最大电流值可以通过改变限流电阻Rl的阻值来设定,同时该电路还需保证稳定的电压输出。如(3)式所示,选用Rl=5.76kΩ,此时最大输出电流为2A。根据运算放大器的特点,U3的输出VLD, +满足(4)式。根据图 2所示,R2=R3=R4=R5=10kΩ,则VLD, +=Vin, +。U3实现了限制激光器电流和实现了设定电流对应电压的伴随输出。
$ {I_{{\rm{LD}}}} = 9800 \times 1.18/{R_{\rm{l}}} $
(3) $ {V_{{\rm{LD}}, {\rm{ }} + }} = {V_{{\rm{in}}, {\rm{ }} + }}{R_3}/{R_2}-{V_{{\rm{in}}, -}}{R_4}/{R_5} $
(4) 式中,ILD为流过激光器的最大电流,Rl为限流电阻,Vin, +为OPA567的同向输入端电压,即为AD8606的输出端,Vin, -为OPA567的反向输入端电压,此处为0V,VLD, +为激光器的正向输入电压值,即U3的输出电压。
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MAX1978是一款集成温度控制芯片,内部集成了场效应管、脉冲宽度调制(pulse width modulation, PWM)输出、基准电压源,温度控制稳定度达±0.001℃,同时可以通过相关引脚设定流过激光器内部TEC的最大电流和其两端最大电压,保证电流和电压不超过TEC的最大电气参量,并结合外部模拟PID网络,自动调节流过半导体制冷片的电流大小和方向,实现制冷和制热,保证工作温度和设定温度相等。如图 3所示,激光器内部集成了半导体制冷片和负温度系数热敏电阻,设定参考温度对应的电压值由MCP4922的B输出端,连接至MAX1978的19引脚(FB+),18管脚(FB-)连接至激光器中NTC的输出端,NTC两端的电压值如(5)式所示。如图 4所示,设定温度对应电压值Vt(FB+)与NTC反馈回来的电压值Vf(FB-)差值进入MAX1978内部偏差电路,内部偏差信号经过内部精密积分运放和外部模拟PID补偿网络,控制OS1和OS2管脚输出大小和方向不同的电流,进而控制TEC的温度。
如图 4所示,当参考电压值大于反馈电压值时,VOS2>VOS1,此时处于制冷状态;工作温度降低,当温度降到小于参考温度时,VOS2 < VOS1,电流反向,此时处于制热状态,最终温度处于动态平衡。MAX1978的46管脚(REF)输出内部基准电压Vr′=1.5V,41管脚(MAXV)用于设定TEC两端的最大电压值,由(6)式设定; R19用于设定流过TEC的最大电流,如(7)式所示:
$ {V_{\rm{f}}} = {V_{\rm{r}}}\prime {R_{{\rm{NTC}}}}/({R_{{\rm{NTC}}}} + {R_{30}}) $
(5) $ {V_{{\rm{TEC}}}} = 4{V_{\rm{r}}}\prime {R_{20}}/({R_{20}} + {R_{18}}) $
(6) $ {I_{{\rm{TEC}}}} = \pm {V_{\rm{r}}}\prime {R_{17}}/\left[{\left( {{R_{17}} + {R_{21}}} \right)\left( {10 \times {R_{19}}} \right)} \right] $
(7) 式中, RNTC为热敏电阻的电阻值,R30=10kΩ; Vr′为内部参考电压, Vr′=1.5V;R17~R21分别代表电阻的阻值; VTEC为TEC两侧最大电压值,ITEC为流过TEC的最大电流。C32, C34, C35, R29, R34, R35组成了外部模拟PID网络,电流的大小和方向由该网络调节。
根据热敏电阻相关知识,电阻与温度的关系见下:
$ {R_{{\rm{NTC}}}} = {R_{{T_0}}}{\rm{exp}}\left[{B \times \left( {1/T-1/{T_0}} \right)} \right] $
(8) 式中,T0为25℃时的开尔文温度,是一个定值;RT0为NTC在25℃时的电阻值,为10kΩ;T为工作温度;B为NTC的热敏指数,取为3950K。
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电流值由上位机软件直接设定,电流值转换为数模控制器的输出电压,由(2)式可知,电流驱动电压和设定电流之间具有良好的线性关系。试验中,用RX70系列的2Ω精密电阻来代替激光器作为取样电阻测量电流,该电阻精度为0.01%,功率为0.125W,温漂为5×10-6/℃。根据激光器的伏安特性,要求电流在0mA~100mA, 根据(2)式可知,设定电压在0mV~2000mV。测试中,电流驱动电压的步进为100mV,电压表选用普源公司生产的六位半数字电压表DM3068,通过测量取样电阻两端电压确定电流值。实验数据如表 1所示。
Table 1. Linearity measurement data of setting voltage and actual current
setting voltage/mV actual current /mA 0 0.083 100 5.162 200 10.152 300 15.055 400 20.086 500 25.121 600 30.071 700 35.002 800 40.059 900 45.038 1000 49.988 1100 54.963 1200 59.863 1300 64.836 1400 69.792 1500 74.801 1600 79.822 1700 84.824 1800 89.786 1900 94.793 2000 99.744 对设定的电流驱动电压与测量实际电流数据进行最小二乘曲线拟合,拟合曲线如图 5所示。根据线性度公式γl=(ΔImax/IFS)×100%(其中ΔImax为设定电流值与实际值的最大差值, IFS为最大电流设定值), 计算出线性度为0.3%。从线性度可知,设定电压与实际电流之间的曲线线性度好。
为了验证恒流电路对电流的控制精度,在PC端,设定电流以5mA步进增加,用电压表测量采样电阻两端电压,记录数据。有关实验数据如表 2所示。
Table 2. Table of the setting current and the measured current
setting current/ mA actual current/ mA difference/ mA 0 0.054 0.054 5 5.052 0.052 10 10.030 0.030 15 15.008 0.008 20 19.986 -0.014 25 24.964 -0.036 30 30.042 0.042 35 35.020 0.020 40 40.027 0.027 45 44.976 -0.024 50 49.954 -0.046 55 54.932 -0.048 60 60.009 0.009 65 64.998 -0.002 70 69.966 -0.034 75 74.944 -0.056 80 80.022 0.022 85 84.999 -0.001 90 89.978 -0.022 95 94.956 -0.044 100 99.934 -0.056 从表 2中可以看出,设定电流和实际电流最大差值为0.056mA,最大相对误差为0.06%,电流能够实现较好的恒流输出。
设定电流为40mA,每3min测量一次采样电阻两端的电压值,连续测量2h。电流数据如表 3所示,由于数据量太多,表中只选取每6min间隔的采样数据。
Table 3. Data of circuit stability at 40mA
time/ min current/ mA 0 40.02960 6 40.03055 12 40.03085 18 40.03075 24 40.02925 30 40.02960 36 40.03085 42 40.02935 48 40.03065 54 40.02880 60 40.02965 66 40.03060 72 40.03080 78 40.03010 84 40.02955 90 40.02905 96 40.02785 102 40.02710 108 40.02732 114 40.02741 120 40.02770 由表 3可知,在2h内最大电流值为40.03180mA,最小为40.02710mA,由稳定度公式γ=[(Imax-Imin)/I0]×100%(其中Imax为实际电流的最大值,Imin为实际电流的最小值,I0为设定值),稳定度为0.02%。激光器工作电流能长时间保持稳定,增强了输出光稳定性。
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为了验证温度控制电路的控温效果。在环境温度为20.5℃、设定电流值为80mA情况下,温度设定以1℃步进增加,测量范围为20℃~30℃。相关数据如表 4所示。
Table 4. Data of temperature control
setting temperature/ ℃ temperature voltage/ V NTC-feedback voltage/ V actual temperature/ ℃ temperature difference/ ℃ 20 0.83274 0.83305 19.982 -0.018 21 0.81631 0.81666 20.986 -0.014 22 0.79972 0.80005 21.980 -0.02 23 0.78299 0.78333 22.981 -0.019 24 0.76653 0.76689 23.977 -0.023 25 0.75004 0.75035 24.979 -0.021 26 0.73365 0.73395 25.983 -0.017 27 0.71738 0.71769 26.980 -0.02 28 0.70120 0.70749 27.998 -0.002 29 0.68519 0.68546 28.983 -0.017 30 0.66930 0.66954 29.986 -0.014 从表 4中可以看出, 温度的最大误差为0.023℃,最大相对误差为0.09%。
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为了验证激光器输出光波长的稳定性,温度设定在25℃时,每3min读取光谱仪数据,所用的光谱仪为横河公司生产的AQ6370,波长分辨率为0.02nm,功率测量范围为+20dBm~-90dBm,连续测量光波长1h。稳定性数据曲线如图 6所示。
从图 6中看出,1h内光波长的最大漂移量为0.012nm,光波长能长时间的稳定,这也从侧面反映了该温度控制电路的有效性。
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为了验证温控、恒流驱动电路对激光器输出光功率的效果,温度设定在25℃时,每3min记录一次光功率,连续记录1h,所使用的光功率计为安捷伦HP81536A,测量范围为+3dBm~-70dBm。测量过程中,增加了增益可调的衰减器,以免光功率太大导致损坏光功率计,利用普通的光功率计,测得光功率大概为12dBm。光功率据稳定性曲线如图 7所示。
实验结果表明,光功率的最大漂移量为0.05dBm(0.0014mW),稳定度达到0.5%。前15min,温控还没有达到稳定,光功率呈现下降的趋势,之后达到稳定,这也充分说明了温度对光功率的影响。开机0.5h后,测量光功率,稳定性能达到0.2%以上。
高精度半导体激光器驱动电源及温控电路设计
Design of high-precision driving power and temperature control circuit for semiconductor laser
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摘要: 为了解决布里渊光纤传感系统中半导体激光器光源输出功率和波长易受驱动电流和温度影响的问题,设计了一种高精度恒流驱动和温控电路。该电路利用深度负反馈积分电路对激光器驱动电流进行精密的恒流控制,同时采用集成温度控制芯片MAX1978控制半导体制冷片的工作电流,实现对激光器工作温度的精确控制。结果表明,本设计实现了驱动电流0mA~100mA可调,电流控制最大相对误差为0.06%,电流稳定度为0.02%,温度控制最大误差为0.03℃,在温控的条件下,光功率稳定性达到0.5%,最大漂移量为0.005dBm。该设计实现了对电流和温度的有效控制,保证了输出光的稳定性。Abstract: In order to solve the problem that the output power and wavelength of semiconductor laser light source was easily influenced by drive current and working temperature in Brillouin optical fiber sensing system, high-precision constant current drive and temperature control circuit were designed. Deep negative feedback integrated circuit was used to control the laser drive current precisely. Integrated temperature control chip MAX1978 was adopted to control the working current of semiconductor coolers and achieve the accurate controlment of laser working temperature. The results show that the design achieves the adjustment of drive current from 0mA~100mA. The maximum relative error of current control is 0.06%, current stability is 0.02% and the maximum error of temperature control is 0.03℃. Under the condition of temperature control, the stability of optical power is 0.5%, and the largest drift is 0.005dBm. The design can achieve the effective control of current and temperature and ensure the stability of output light.
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Table 1. Linearity measurement data of setting voltage and actual current
setting voltage/mV actual current /mA 0 0.083 100 5.162 200 10.152 300 15.055 400 20.086 500 25.121 600 30.071 700 35.002 800 40.059 900 45.038 1000 49.988 1100 54.963 1200 59.863 1300 64.836 1400 69.792 1500 74.801 1600 79.822 1700 84.824 1800 89.786 1900 94.793 2000 99.744 Table 2. Table of the setting current and the measured current
setting current/ mA actual current/ mA difference/ mA 0 0.054 0.054 5 5.052 0.052 10 10.030 0.030 15 15.008 0.008 20 19.986 -0.014 25 24.964 -0.036 30 30.042 0.042 35 35.020 0.020 40 40.027 0.027 45 44.976 -0.024 50 49.954 -0.046 55 54.932 -0.048 60 60.009 0.009 65 64.998 -0.002 70 69.966 -0.034 75 74.944 -0.056 80 80.022 0.022 85 84.999 -0.001 90 89.978 -0.022 95 94.956 -0.044 100 99.934 -0.056 Table 3. Data of circuit stability at 40mA
time/ min current/ mA 0 40.02960 6 40.03055 12 40.03085 18 40.03075 24 40.02925 30 40.02960 36 40.03085 42 40.02935 48 40.03065 54 40.02880 60 40.02965 66 40.03060 72 40.03080 78 40.03010 84 40.02955 90 40.02905 96 40.02785 102 40.02710 108 40.02732 114 40.02741 120 40.02770 Table 4. Data of temperature control
setting temperature/ ℃ temperature voltage/ V NTC-feedback voltage/ V actual temperature/ ℃ temperature difference/ ℃ 20 0.83274 0.83305 19.982 -0.018 21 0.81631 0.81666 20.986 -0.014 22 0.79972 0.80005 21.980 -0.02 23 0.78299 0.78333 22.981 -0.019 24 0.76653 0.76689 23.977 -0.023 25 0.75004 0.75035 24.979 -0.021 26 0.73365 0.73395 25.983 -0.017 27 0.71738 0.71769 26.980 -0.02 28 0.70120 0.70749 27.998 -0.002 29 0.68519 0.68546 28.983 -0.017 30 0.66930 0.66954 29.986 -0.014 -