功率稳定可调LD驱动电路的设计

功率稳定可调LD驱动电路的设计

摘要：功率稳定可调的激光二极管（LD）在精密光电检测和光纤通信系统中应用广泛。介绍了一种单片机控制激光二极管输出功率的方法，针对SANYO 30mW红光LD设计了驱动电路，其驱动电流在0～100mA之间可调，最小可调量<0.01mA。单片机内对监测电流偏差进行了PID调节运行，使激光二极管输出功率稳定。
关键词：功率稳定可调激光二极管 单片机 驱动电路 PID调节
在精密光电检测领域中，光源的微小波动会引起被测量的较大偏移，从而产生较大的测量误差。如在半导体薄膜特性检测中，常常需要检测薄膜反射比以求解出其它光电学参量。由于薄膜增长的缓慢（0.1mm级/秒），反射比变化非常小，在这种情况下，对于光源稳定性的要求非常高，达到0.1%。稳定光源在光纤测量中像电子电路测试时用振荡器作为信号源一样，要求发出高稳定、光功率可调的光信号。稳定光源是急待开发的光纤系统测试仪器中的一种重要的基础设备。
国内一些学者对稳定激光光源作了一些研究。有的设计方法使激光器注入电流稳定，并配合使用温控电路。这种方法虽然对稳定性有一定提高，但对其它影响因素缺乏考虑，不是一种闭环的控制系统。有的对光功率的调节只使用模拟的积分调节，由于积分控制对稳态误差的消除作用是靠对误差的积累产生的，故反映不灵敏，且会使系统稳定裕量下降，超调增大，一般不单独使用。这种方法的共同步是模拟调节。本文设计一种对输出光功率进行闭环数字PID调节的激光二极管（LD）驱动电路。该电路使用高精度14位A/D、D/A转换器，理论上对光功率的0.01%变化均可调节，且驱动电流最小节量<0.01mA，同时可精确设置初始驱动电流（光功率）。
图1
1 驱动电路设计
1．1 激光二极管封装及参数
常见激光二极管封装有两种形式：共阳极与共阴极型（图1(a)所示）。LD和监测激光器背向输出光功率的PIN光电二极管封装在一起。这里，LD采用SANYO655nm红光激光二极管，封装形式为共阳极（LD的正极与PD（光电二极管）的负极连接在一起）。LD最大输出光功率为30mW，阈值电流为40mA(25℃),工作电流量大为110mA。PD的监测电流Im与激光器的输出功率P0在温度不变的情况下成线性关系（图1（b）所示），这为后面控制电路的设计提供了依据。
1.2 电路原理
光电二极管的监测电流经差分放大后变成一个电压量，经高精度A/D转换器采样量化后送入单片机，与单片机内监测电压参考值（在设定功率条件下，监测电流经差分放大后变成的电压量的数字表示）之间作差，产生电压偏差信号；再对偏差信号进行PID运算，运算结果经D/A转换及电压-电流（V-I）变换后，成为LD的驱动电路。PID调节是为了使激光二极管输出功率稳定。这种单片机闭环控制系统框图如图2所示。
1．3 电路模块选型及计算
1．3．1 差分放大模块
由图1（b）可见，监测电流很小，尤其当激光器输出功率<10mW时。如果把监测电流通过一电阻接入放大器，则由于放大器的输入阻抗太小以及电阻的温漂问题，使放大器的输入电压受温度影响非常大，从而导致A/D转换器的输入不准确。因此在设计中应该消除或减小环境温度对A/D转换器输入的影响。设计中使监测电流与参考电流通过一个由四个阻值及温度系数相等的高精度电阻组成的电桥电路，这样温度的影响会在相减中减小。放大器采用ti公司的高输入阻抗精密差分放大器INA114，其原理图如图3所示。
其中，参考电流Iref可由另一INA114和OPA602得到。放大器的输出电压可由下式计算：
V0=(Iref-Im) ×R×(1+50k/Rg) (1)
1．3．2 模/数及数/模转换器
A/D转换器选用美信公司的MAX1062，D/A转换器选用模拟器件公司的AD5551，它们都是14位的串行转换器，适合于对速度要求不是很高的场合。转换器的片选信号、时钟线及数据线直接同单片机的用户口P1相连。转换器的位数决定了检测控制电路的分辨率。14位转换器可把4.096V量程的电压量化成2 14份，所以调整差分放大器的增益使其输出电压最大值达到A/D转换器的满量程电压，则理论上对于光功率变化1/12 14均可检测到，即该驱动电路可以检测到<0.01%的激光器光功率变化，进而可在单片机中进行调节。同样设D/A转换器的输出电压经V-I变化后的满量程电流为150mA，则驱动电流的最小可调节量为150/2 14=0.01mA。
1．3．3 电压/电流转换
由于上述D/A转换器的输出无缓冲，故采用运放与场效应管组成的共源放大电路。其中运放对输出有缓冲作用。
图4电路中V1为D/A的输出电压，场效应管的漏极-源极的电流（即LD的驱动电流）为：

由上述可见，驱动电流由V1及小电阻Rs决定。在实际中取Rs为30Ω的高精度电阻，则由上式可得满量程电流为150mA。由于LD正常工作时，其压降为2V左右，所以这样设计驱动电流最大值不会超过100mA，对LD可以起到保护作用。故驱动电流在0～100mA之间可调。由上式可见，最大驱动电流可以通过调节Rs的大小来得到，设计灵活性较大。
此外，电路中单片机与计算机间通过RS232串行口进行通信，采用的RS232收发器为MAX3232。计算机通过串口可对LD的初始驱动电流、参考监测电压进行设置，还可以对PID数字调节器的比例、积分、微分系数进行设定，这样可以方便快捷地整定出调节器的参数。存储器中存放一些设定参数以及暂存PID运算的中间结果。
2 数字PID调节
PID调节器控制结构简单，参数容易调整，不必求出被控对象的数字模型便可调节。其输入e(t)与输出u(t)间的关系为：

为了实现编程，将上式写成离散化，可写出第k次采样式PID的输出表达为：

式中，E（k）为第k次采样式的偏差值。设监测电压设定值为V0set，差分放大器第k次输出的采样值为Vo(k)，则：
E（k）=Voset-Vo(k) (5)
为程序设计方便，将式（4）作进一步改进，设比例输出为：Up(k)=KpE(k),积分项输出为：Ui(k)=K1E(k)+P1(k-1)，微分项输出为：UD（k）=Kd[E(k)-E(k-1)],那么式（4）可写成：
U（k）=Up(k)+Ui(k)+UD(k) (6)
式（6）即为离散化的位置型PID编程方式，一般采用浮点运算。当Kp、KI、KD分别给出且存放在指不定期的内部RAM中时，则完成式（6）位置型浮点运算PID运算程序的流程图如图5所示（初始化程序设置初值使E（k-1）=UI(k-1)=0）。
在PID三种作用中，比例作用可对偏差作出及时响应；积分作用主要用来消除静差，改善系统的静态特性；身分作用主要用来减少超调，克服振荡，使系统趋向稳定，加快系统的动作速度，减少超调时间，改善系统的动态特性。若能将三种作用的强度配合适当，可以使控制器快速、平稳、准确，从而获得满意的控制效果。PID调节器的参数整定可以使用扩充临界比例度法。
该设计将经典PID控制理论融入激光二极管功率控制中，采用数字调节方式，初始驱动电流（LD输出功率）可设置，最小电流可调量小，调节精度高，最大驱动电流可变。将该驱动电路与温度控制电路配合使用（LD的阈值电流和输出功率受工作温度的影响较大），可使激光二极管输出功率高度稳定且可调。






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