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小型信息型半导体激光器驱动系统研究与设计

张岩  
【摘要】:随着物联网以及光电信息产业的快速发展,在应用于医学、军事的非接触式测量领域中,信息型半导体激光器作为优秀的非接触式信息源,已经体现出其强大的市场竞争力。半导体激光器对工作条件要求严格,工作电流和管芯温度是影响中心波长变化的主要因素。现有的驱动研究主要针对大功率半导体激光器,对小功率的信息型半导体激光器的驱动研究尚存不足。因此,一款稳定、精准、合适的驱动器是其广泛应用的基础。中心波长是非接触式测量的重要指标,但电流变化和温度变化分别会带来0.O1nm/mA和0.1nm/℃的影响。基于以上两个影响因素和半导体激光器的封装结构,本文自主设计一款小型、稳定、精准的半导体激光器驱动系统。驱动系统主要由工作电流控制和管芯温度控制两部分组成。(1)工作电流控制部分决定着半导体激光器出光功率的大小,是整个驱动系统的控制核心。工作电流控制部分采用恒流控制电路结合数字增量式PID算法的模数双闭环控制方法。在本文的研究工作中,结合半导体激光器的共性特点和FLD5F15CX-E系列信息型激光器的个性特点,对恒流控制电路的电源滤波缓启动电路和负反馈电路分别进行改进。数字增量式PID算法由微处理器STM32F103xE芯片完成,对电流值进行修正,减少平衡时间。改进型电源滤波缓启动电路将传统两级LC滤波结构改进为结合电感磁珠的一级LC滤波结构。通过Multisim软件进行仿真验证,对上电瞬间的滤波缓启动电路进行瞬态分析,效果比传统启动电路好;针对改进型负反馈电路,提出以仪表放大器替代运算放大器,理论推导出驱动电流与输入电压的线性表示式,证明其可行性。在本设计中,改进型负反馈电路由双仪表放大器、半导体场效应管和高精度采样电阻构成,是恒流控制的核心部分。改进后的负反馈电路经实物测试、验证与分析,工作电流控制部分线性度良好,电流控制最大误差达±0.5mA,工作一小时稳定度约为1.2%。(2)管芯温度控制部分采用专用温度控制芯片,通过热敏电阻来控制热电制冷器调控温度。本文对市场已有的三款专用芯片进行比较和分析,选择LTC1923作为控制芯片,通过模/数转换器、数模转换器与微处理器进行数据交换。最后,管芯温度控制部分经实物测试、验证和分析,温度控制最大误差为±0.3℃,去除起初温度上升过程,工作一小时稳定度约1.4%。


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