高穩(wěn)定度半導(dǎo)體激光器恒電流研究論文
摘要：近年來，隨著我國工業(yè)、醫(yī)療、軍事等行業(yè)的發(fā)展，半導(dǎo)體激光器也得到了廣泛應(yīng)用。半導(dǎo)體激光器對于驅(qū)動(dòng)電源具有較高的要求，其需要高穩(wěn)定度、低紋波、高精度、高效率的恒流電源。相比傳統(tǒng)的線性電源來說，開關(guān)電源效率較高，精密度也較高，自身體積小等優(yōu)勢使其在研制成本高、穩(wěn)定度高的恒流開關(guān)電源的研究有著重要的積極作用。本文通過對紋波的種類以及其對于設(shè)備的影響，分析了常用的紋波抑制，并且對影響低紋波恒流電源硬件的參數(shù)設(shè)計(jì)以及方案實(shí)現(xiàn)展開分析，對于系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響進(jìn)行探究，希望能給相關(guān)工作人員提供幫助。
關(guān)鍵詞：高穩(wěn)定度；半導(dǎo)體；激光器；恒電流；研究
半導(dǎo)體激光器在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用越來越多，無論是作為軍事上的激光武器，還是醫(yī)療上的激光醫(yī)療設(shè)備和工業(yè)方面的激光定位等，半導(dǎo)體激光器都起著十分重要的作用，而激光用電源是保證半導(dǎo)體激光器正常工作的重要元件。激光電源的發(fā)展對我國各行業(yè)的發(fā)展起著十分重要的作用，半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)電源需要較高穩(wěn)定度的恒流電源。因?yàn)樾枰d入恒定的載流子，所以載流子注入量直接決定了半導(dǎo)體激光器的功率大小，并且對于半導(dǎo)體激光器的穩(wěn)定性也十分重要，同時(shí)激光器需要較高的精度，較小的偏差都會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，因此需要對激光用電源提出更高的要求。
1控制系統(tǒng)恒流源電路設(shè)計(jì)
本文根據(jù)半導(dǎo)體激光器在實(shí)際應(yīng)用中的要求，針對其特殊性設(shè)計(jì)出了具有較高穩(wěn)定度的恒流控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)是由恒流源電路、恒流控制器以及半導(dǎo)體激光器、保護(hù)電路這幾部分共同構(gòu)成的，利用客戶端將串口連接，保證半導(dǎo)體激光器的電路能夠輸出高精度的恒流和低紋波電流，因此電路設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)供電，根據(jù)實(shí)際情況模擬地單點(diǎn)接地和數(shù)字接地，或者隔離耦合器件能有效地將數(shù)字電路和模擬電路進(jìn)行分隔，在信號(hào)輸出過程中能夠產(chǎn)生諧波耦合到模擬電路中，然后選擇低溫度系數(shù)的'電子元件，除此之外還應(yīng)當(dāng)綜合考慮半導(dǎo)體激光器的保護(hù)電路、制熱電路和制冷電路等電路。在本次設(shè)計(jì)中將基準(zhǔn)電壓源連接了恒流源運(yùn)算放大器，另一側(cè)與接收到的反饋信號(hào)端連接，輸出信號(hào)控制功率放大器可以直接控制經(jīng)過的電流，進(jìn)而產(chǎn)生閉環(huán)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)直接控制。但是有以下幾點(diǎn)因素會(huì)影響系統(tǒng)精度。
�。�1）系統(tǒng)供電電源的穩(wěn)定性。電源能夠保持高強(qiáng)度的工作度，而低紋波的電源有利于提升電路的采集精度，但是如果輸出電壓效果不好則會(huì)出現(xiàn)較大的紋波，使采集精度大大降低，甚至損壞電路元件。因此，系統(tǒng)的一點(diǎn)小波動(dòng)都會(huì)間接引起電路的波動(dòng)以及電路的采集精度。在控制系統(tǒng)的電源電路中，需要采用低紋波系數(shù)電源，目前有2種電源：開關(guān)電源和線性電源。
�。�2）高精度電壓基準(zhǔn)源一般都會(huì)使用低紋波系數(shù)電源，有利于電路穩(wěn)定，要想獲得更高精度的輸出電流，需要使用電壓基準(zhǔn)源作為電壓參考，相當(dāng)于電路中的標(biāo)準(zhǔn)，也是恒流電路中最主要的功能模塊之一，它對整個(gè)電路的性能和精度有著十分重要的影響。在本次設(shè)計(jì)中使用的基準(zhǔn)源芯片型號(hào)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范圍。
�。�3）運(yùn)算放大器電路。采用新型電壓源給系統(tǒng)進(jìn)行供電并采用恒流源的電壓基準(zhǔn)源MAX6193進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)采用了高精度的電壓基準(zhǔn)源，但反饋的電流信號(hào)無限逼近電壓基準(zhǔn)源的電壓，需要使用高精度的運(yùn)放，否則會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。理想狀態(tài)下，當(dāng)運(yùn)放過程中2個(gè)輸入電壓數(shù)值相等時(shí)，輸出電壓為0V，而實(shí)際上需要在2個(gè)輸入端施加較小的電壓才能使電壓值為0V，將這個(gè)電壓作為輸入失調(diào)電壓，理想的運(yùn)放流經(jīng)運(yùn)放輸入端的電流為0，實(shí)際使用過程中運(yùn)放的輸入端是有電流通過的，且在失調(diào)電流和電壓均不為0時(shí)，運(yùn)放的電壓也會(huì)產(chǎn)生誤差。
�。�4）電流取樣電路。電流采樣電路根據(jù)實(shí)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(shè)計(jì)簡單，產(chǎn)生的共模信號(hào)小，但是一旦發(fā)生電阻短路的情況時(shí)是無法檢測放大電路的，這樣會(huì)出現(xiàn)超負(fù)荷損壞。同時(shí)，激光器的負(fù)極連接金屬外殼，如果采用低端電流采樣會(huì)使負(fù)極不能接地，最終功率管會(huì)回到地面，而后續(xù)工作人員更換激光器時(shí)一旦觸碰其金屬外殼，靜電就會(huì)流經(jīng)人體，使人體觸電，同時(shí)該靜電還會(huì)經(jīng)過半導(dǎo)體激光器，也會(huì)造成半導(dǎo)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(fù)極和金屬外殼接地，人體在觸碰激光器時(shí)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(jìn)而在電路設(shè)計(jì)時(shí)可以采用高端電流采樣電路。除此之外，半導(dǎo)體激光器本身具有較高的效能和高量子效應(yīng)，同時(shí)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(shè)計(jì)電流時(shí)，需要額外增加保護(hù)電路，使其能夠保持長時(shí)間穩(wěn)定性工作，并且還需要增加靜電、短路保護(hù)電路和延時(shí)啟動(dòng)電路。
2恒流電路的穩(wěn)定性測試
由于影響恒流源電路的主要參數(shù)是恒流源的穩(wěn)定度以及輸出的電流紋波，因此我們主要針對這兩者進(jìn)行測試。首先對恒流電路的輸出穩(wěn)定性進(jìn)行測試，采用的固定電流為100mA，采樣電阻兩端的采樣電壓與采樣電阻的電流成正比，在本次試驗(yàn)中，采用的采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(shí)高精度也會(huì)引起高溫度，但其所產(chǎn)生的阻值誤差是可以忽略不計(jì)的。我們可以將電路認(rèn)為其電阻不變，通過采集到的電壓信號(hào)來反映電路中通過電流的真實(shí)值，給予恒流源電路通電并在室溫下進(jìn)行測試，利用萬能表測量采樣電阻兩端的電壓記錄數(shù)據(jù)，并每隔一定的時(shí)間記錄一次數(shù)據(jù)，最終將測試到的數(shù)據(jù)利用繪圖軟件繪制其電流的波動(dòng)圖。從測試數(shù)據(jù)可以看出，所涉及的恒流源電流穩(wěn)定度可以達(dá)到4A，是完全符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的。其次，對紋波電流進(jìn)行測試，模塊供電是通過整流濾波實(shí)現(xiàn)的，因此在使用過程中電路中可能會(huì)產(chǎn)生一些噪聲，而測試紋波與電流穩(wěn)定性的檢測采用了相同的方法，通過對采樣電阻兩端的電壓值進(jìn)行測量，在恒流源電路通電的情況下測試電壓值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)采樣電阻兩端的交流電壓紋波電流為3A。通過介紹電路設(shè)計(jì)的一些注意事項(xiàng)和恒流源的穩(wěn)定性以及紋波測試的方法及結(jié)果，從測試結(jié)果來看，所設(shè)計(jì)的高穩(wěn)定度半導(dǎo)體激光器恒流控制器可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
3結(jié)論
本文通過設(shè)計(jì)半導(dǎo)體激光器恒流控制器系統(tǒng)，研制了高精度的恒流源電路，實(shí)現(xiàn)了在100mA的工作電流下能夠保持恒流穩(wěn)定度為4A，且具備一定的靜電、過流過壓保護(hù)等，有效避免了敏感電子元件受外界干擾的情況。此外，采用完全電氣隔離的方式來有效阻隔外界的強(qiáng)烈干擾，保證電路的穩(wěn)定運(yùn)行。在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中為了達(dá)到高精度要求，避免數(shù)字地中的開關(guān)噪聲耦合到模擬地中，我們在設(shè)計(jì)過程中采用了數(shù)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?qū)⒛M地和數(shù)字地的電氣進(jìn)行有效隔離，降低噪聲干擾。
參考文獻(xiàn)：
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