《电子技术》2004年第4期
器件应用
一种实用的半导体激光器驱动电路
国防科技大学(410(173)
谭中奇
张斌
龙兴武
摘要文章介绍了一种以ADuc812为主要器件的半导体激光器驱动电路,并将该电路应用于光学表面面形检测的相移干涉测量(PsI),实践表明该电路结构简单,调制精度高(约为l%),电流的稳定度可达0.01%,体积小,是一种实用的较高精度半导体激光器驱动电路,适用于半导体激光器在长度、距离、位移、表面轮廓等测量方面的应用。关键词半导体激光器相移干涉测量半导体激光器作为一种新颖的激光光源,已经广泛应用于通信、医学和工业计量等各种场合。与其他激光光源相比,半导体激光器具有体积小、重量轻、耗电省、结构简单、价格低等优点。半导体激光器最大特点是在一定条件下,输出激光频率随注入电流、温度等因素的变化而线性变化,目前半导体激光器光频调谐的主要方式是电流调制方式。
在长度、距离、位移、振动、表面轮廓等测量方面,激光干涉方法是最通用的、目前还没有可以替代的高精度测量方法11】。而在某些通过半导体激光器光频调谐的干涉测量中,半导体激光器电流的调制精度直接关系着光频调谐精度,最终关系到测量的精度,因此半导体激光器的驱动电路十分重要。
ADUC812作为一种全集成的12位数据采集系统能广泛应用于测控系统中,本文就是它在半导体激光器驱动电路中的具体应用。
1
ADUC812的主要性能特点
ADUC812是美国AD公司出品的高性能微转换
器,它集成了8通道12位精度的ADC、2通道的DAC及可编程的8位MCU(与805l兼容),是一种全集成的
12位数据采集系统,由于ADUC812具有片内8媚的闪
速,电擦除程序存储器和在线下载,调试,编程的功能,它不需要任何硬件仿真器就可以对ADUC812的应用
系统进行调试开发,同时它的片内有64曲的闪速,电擦除数据存储器、256B数据SRJ蝴(支持可编程),另
外MCU支持的功能包括看门狗定时器、电源监视器以
及ADCDMA功能。芯片为多处理器接口和帕扩展提
供了32条可编程的I,o线,SPI串口和标准的UART串
口加。芯片有3V和5V两种工作规格,52引脚、塑料
四方形扁平封装形式(PQTP)。
中营传惑嚣脚缃哪钳.∞m.cn
万
方数据一。,、fiN厶
汐
m
2
半导体激光驱动电路原理
半导体激光器调制电路一般主要由几大部分组
成,包括调制信号产生电路、电流偏置电路、恒流电路,此外还包括慢启动和保护部分。半导体激光器在某些高精度测量中,对驱动电路的稳定度和调制精度要求很高,因此一般调制信号主要由单片机控制高精度的数模转换器件来产生,如果选用分立器件,不仅成本高、电路较为复杂,电路稳定性较差,更重要的是电路体积不能做得很小,不能体现半导体激光器体积小的特点,而且还可能威胁半导体激光器的安全。
本文中调制信号发生部分和电流偏置部分是由ADuC812和它的高精度电压基准ADl780来完成,之
所以采用删C812是由于该芯片的特点来决定的。
从ADUC812的主要性能特点可以看出,该芯片集成与8051兼容的MCU和12位精度的DAC及U越江串口I,o,不仅体积小、系统稳定、接线简单。重要的是该芯片不需要任何硬件设备就可以进行编程,十分方便,通过编程的方式该芯片能产生不同的调制信号。ADUC812的DAC编程很简单,只要给定控制字DACCON以及数据位DAC0,lH、DACQ,lL,就可以
启动DAC工作了。ADUC812的数模转化器(Ⅸ忙)
在程序的控制下可以产生正弦波、方波、三角波等等不同的调制信号(具体像正弦波这样的信号发生程序在该公司的网站中可以下载)。
半导体激光器的电流偏置电路一般需一个精度很高的基准电压,在本电路中可以采用ADUC812内部自带的高精度、低漂移的电压基准,在工厂里该片内基准电路的2.5V已经被校准到了50mV的绝对精度,温漂
为40pp“℃,该基准主要是给片内的高精度舭)C和
DAC提供电压参考。当然,在更高精度要求时ADC和
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器件应用
DAC也可以采用片外基准(如高精度的电压基准AD780),它能提供2.5/3V的高精度基准电压(温漂能达到7ppIIl/℃),实际中我们采用的是外部基准AD780。这样电路可以采用如图l所示的接法。
《电子技术》2004年第4期
体激光器的最大电流,否则会损坏半导体激光器。
就本电路的调制精度进行了测量,设采样电阻(200Q)上的调制电压为9.4mV。实验表明该电路的电压调制精度为1%左右,采用稳定性好的精密电阻,相应的电流调制精度为l%。同时电路输出稳定、采样电阻电压为4.4V时,实际测量采样电阻电压能稳定在0.1mV的水平。一般应用中,ADuC812还要与计算机进行串口通信,因此需相应的程序设计。
3
电路的应用
正如前面介绍的,半导体激光器的输出波长在一
定的温度下、一定的范围内可随着注入电流的变化而
图l电路的原理图
线性的变化。我们可以通过改变半导体激光器的注入电流来调谐半导体激光器波长进行相移干涉测量。
实验中所用的半导体激光器在工作温度为26.5℃时,半导体激光器波长一电流调制系数为O.0137触l,IIA
在此我们设ADUC812产生的调制信号为y.,基准AD780提供的电压值为y2,由于ADUC812的DAC及AD780驱动能力有限,而且比较容易损坏,通常将电路中A、B运放接成同相电压跟随器的形式,用来实现阻抗隔离,实际电路中的运放选用的是精密双路运放AD708,电路中运放C的电压输入表示如下:
(中心波长为637.1姗),选择工作电流(偏置电流)
为22mA,设置被测面和干涉仪参考面之间的距离为80mm时,对被测光学表面面形进行15帧相移干涉测量,这时要求半导体激光器驱动电路的电流的线性调制步长约为O.047InA。我们应用了该驱动电路调谐半导体激光器波长对一面形较好的光学表面进行部分相移干涉测量实验,获得相位主值图之后,就可直接判读被测面的面形,或者进一步地分析,通过相位解包技术以及波面拟合得到更加详细、准确的有关被测面面形信息。测量得该光学表面平面度误差为0.23九、局部误差为O.049九。采用zenlikc多项式的前36阶拟合,拟合精度约为0.0155九。
实践表明该电路结简单、性能可靠、精度高、体积小,能实现慢启动等功能,电流调制精度约为l%,电流稳定度达O.0l%,能达到高精度检测要求。
运放C接成同相放大器的形式,其输出为:
…
“
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R3
恒流电路主要由运放D和晶体三级管2SC2688组成的负反馈电路构成,其中R8是采样电阻,电路电容c2接成积分电路形式,避免干扰带来的输出电压的不稳定。电路中的慢启动部分主要是电容和电阻组成,启动时间可表示为f=RC。可通过选取适当的电容和电阻值来调节慢启动时间。另外通过半导体激光器的电流不能过大,否则容易损坏半导体激光管。本电路可以简单的实现这一功能,设半导体激光器的稳压电源电压为ycc,容许通过的最大电流为五。,则电路中需要加入的电阻值为ycc,jr眦;,考虑半导体激光器本身的电阻RLD和电流采样电阻R8,在供电电路中需要加入的电
参考文献
1孙晓明.半导体激光器干涉理论及应用.国防工业出版社
2粱芳,强锡富,孙晓明.一种简便实用的半导体激光器调制电路.光学精密工程.1999,17(1)
3AI『DC812dalasheets4
阻为R,=‰,,一一RLD—R8。为了避免半导体激光
管因为高频干扰而损坏,通常在电路中给半导体激光管并联一个小电容,同时并联一个反向二极管防止半导体激光管两端受过大的反向电压而损坏。
值得注意的是ADUC812在上电时或者软件使能DAC时,功~C都会产生一个脉冲,这对于半导体激光器来说是一个严重的威胁,在恒流电路和慢启动电路的设计中必须考虑到,不能使得浪涌电流大于半导
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P.S.Fainn觚,B.K.W砌,B.F.0reb,锄dD.I.Famm.300-姗-
aperture
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(8),137l~1380(1999)
5李刚.ADuC8xx系列单片机原理与应用技术.北京航空航天大学
中圜传蕞麓h婶缃州w.∞m。∞
万方数据
一种实用的半导体激光器驱动电路
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):
谭中奇, 张斌, 龙兴武国防科技大学,410073电子技术
ELECTRONIC TECHNOLOGY2004,31(4)
参考文献(5条)
1.孙晓明 半导体激光器干涉理论及应用
2.粱芳;强锡富;孙晓明 一种简便实用的半导体激光器调制电路[期刊论文]-光学精密工程 1999(01)3.AUDC812datasheets
4.P S Fairman;B.K.Ward;B.F.Oreb;DIFarrant 300-mmaperture phase shifting Fizeau interferometry[外文期刊] 1999(08)
5.李刚 ADuC8XX系列单片机原理与应用技术
本文读者也读过(9条)
1. 闫战强.梁勇.YAN Zhan-qiang.LIANG Yong 一种小功率高稳定半导体激光器可调驱动电源[期刊论文]-激光与红外2007,37(11)
2. 胡小玲.徐萍萍.阮颖.于海鹰.高国.王林.赵夕彬.HU Xiao-ling.XU Ping-ping.RUAN Ying.YU Hai-ying.GAOGuo.WANG Lin.ZHAO Xi-Bin 半导体激光器可靠性评估系统设计[期刊论文]-半导体技术2005,30(9)
3. 沈婷婷.乔川.周曹.胡金州.徐文.陈引平.SHEN Ting-ting.QIAO Chuan.ZHOU Cao.HU Jin-zhou.XU Wen.CHENYin-ping 半导体激光器驱动电路设计[期刊论文]-红外2008,29(12)
4. 段慧达.董冀媛.徐国保 一种16~24位分辨率D/A转换器的设计[期刊论文]-仪表技术2001(6)
5. 袁国慧.于晋龙.胡浩.王剑.杨恩泽.Yuan Guohui.Yu Jinlong.Hu Hao.Wang Jian.Yang Enze 10 Gb/s光纤通信系统一阶偏振模色散动态补偿系统反馈控制的实现[期刊论文]-光学学报2006,26(1)6. 胡建成 半导体激光器的驱动电路设计[期刊论文]-黑龙江科技信息2011(1)
7. 阮颖.王学忠.郭晶.郭伟玲.崔碧峰.沈光地.Ruan,Ying.Wang,Xuezhong.Guo,Jing.Guo,Weiling.Cui,Bifeng.Shen,Guangdi 半导体激光器老化测试智能控制系统[期刊论文]-微计算机信息2005(22)8. 陈铸华.周有庆.吴桂清 高精度信号发生装置的研制[期刊论文]-中国仪器仪表2007(7)
9. 谭中奇.龙兴武.TAN Zhong-qi.LONG Xing-wu 腔衰荡技术应用中的快速数据拟合[期刊论文]-激光杂志2007,28(4)
本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_dzjs200404015.aspx
《电子技术》2004年第4期
器件应用
一种实用的半导体激光器驱动电路
国防科技大学(410(173)
谭中奇
张斌
龙兴武
摘要文章介绍了一种以ADuc812为主要器件的半导体激光器驱动电路,并将该电路应用于光学表面面形检测的相移干涉测量(PsI),实践表明该电路结构简单,调制精度高(约为l%),电流的稳定度可达0.01%,体积小,是一种实用的较高精度半导体激光器驱动电路,适用于半导体激光器在长度、距离、位移、表面轮廓等测量方面的应用。关键词半导体激光器相移干涉测量半导体激光器作为一种新颖的激光光源,已经广泛应用于通信、医学和工业计量等各种场合。与其他激光光源相比,半导体激光器具有体积小、重量轻、耗电省、结构简单、价格低等优点。半导体激光器最大特点是在一定条件下,输出激光频率随注入电流、温度等因素的变化而线性变化,目前半导体激光器光频调谐的主要方式是电流调制方式。
在长度、距离、位移、振动、表面轮廓等测量方面,激光干涉方法是最通用的、目前还没有可以替代的高精度测量方法11】。而在某些通过半导体激光器光频调谐的干涉测量中,半导体激光器电流的调制精度直接关系着光频调谐精度,最终关系到测量的精度,因此半导体激光器的驱动电路十分重要。
ADUC812作为一种全集成的12位数据采集系统能广泛应用于测控系统中,本文就是它在半导体激光器驱动电路中的具体应用。
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ADUC812的主要性能特点
ADUC812是美国AD公司出品的高性能微转换
器,它集成了8通道12位精度的ADC、2通道的DAC及可编程的8位MCU(与805l兼容),是一种全集成的
12位数据采集系统,由于ADUC812具有片内8媚的闪
速,电擦除程序存储器和在线下载,调试,编程的功能,它不需要任何硬件仿真器就可以对ADUC812的应用
系统进行调试开发,同时它的片内有64曲的闪速,电擦除数据存储器、256B数据SRJ蝴(支持可编程),另
外MCU支持的功能包括看门狗定时器、电源监视器以
及ADCDMA功能。芯片为多处理器接口和帕扩展提
供了32条可编程的I,o线,SPI串口和标准的UART串
口加。芯片有3V和5V两种工作规格,52引脚、塑料
四方形扁平封装形式(PQTP)。
中营传惑嚣脚缃哪钳.∞m.cn
万
方数据一。,、fiN厶
汐
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半导体激光驱动电路原理
半导体激光器调制电路一般主要由几大部分组
成,包括调制信号产生电路、电流偏置电路、恒流电路,此外还包括慢启动和保护部分。半导体激光器在某些高精度测量中,对驱动电路的稳定度和调制精度要求很高,因此一般调制信号主要由单片机控制高精度的数模转换器件来产生,如果选用分立器件,不仅成本高、电路较为复杂,电路稳定性较差,更重要的是电路体积不能做得很小,不能体现半导体激光器体积小的特点,而且还可能威胁半导体激光器的安全。
本文中调制信号发生部分和电流偏置部分是由ADuC812和它的高精度电压基准ADl780来完成,之
所以采用删C812是由于该芯片的特点来决定的。
从ADUC812的主要性能特点可以看出,该芯片集成与8051兼容的MCU和12位精度的DAC及U越江串口I,o,不仅体积小、系统稳定、接线简单。重要的是该芯片不需要任何硬件设备就可以进行编程,十分方便,通过编程的方式该芯片能产生不同的调制信号。ADUC812的DAC编程很简单,只要给定控制字DACCON以及数据位DAC0,lH、DACQ,lL,就可以
启动DAC工作了。ADUC812的数模转化器(Ⅸ忙)
在程序的控制下可以产生正弦波、方波、三角波等等不同的调制信号(具体像正弦波这样的信号发生程序在该公司的网站中可以下载)。
半导体激光器的电流偏置电路一般需一个精度很高的基准电压,在本电路中可以采用ADUC812内部自带的高精度、低漂移的电压基准,在工厂里该片内基准电路的2.5V已经被校准到了50mV的绝对精度,温漂
为40pp“℃,该基准主要是给片内的高精度舭)C和
DAC提供电压参考。当然,在更高精度要求时ADC和
51
器件应用
DAC也可以采用片外基准(如高精度的电压基准AD780),它能提供2.5/3V的高精度基准电压(温漂能达到7ppIIl/℃),实际中我们采用的是外部基准AD780。这样电路可以采用如图l所示的接法。
《电子技术》2004年第4期
体激光器的最大电流,否则会损坏半导体激光器。
就本电路的调制精度进行了测量,设采样电阻(200Q)上的调制电压为9.4mV。实验表明该电路的电压调制精度为1%左右,采用稳定性好的精密电阻,相应的电流调制精度为l%。同时电路输出稳定、采样电阻电压为4.4V时,实际测量采样电阻电压能稳定在0.1mV的水平。一般应用中,ADuC812还要与计算机进行串口通信,因此需相应的程序设计。
3
电路的应用
正如前面介绍的,半导体激光器的输出波长在一
定的温度下、一定的范围内可随着注入电流的变化而
图l电路的原理图
线性的变化。我们可以通过改变半导体激光器的注入电流来调谐半导体激光器波长进行相移干涉测量。
实验中所用的半导体激光器在工作温度为26.5℃时,半导体激光器波长一电流调制系数为O.0137触l,IIA
在此我们设ADUC812产生的调制信号为y.,基准AD780提供的电压值为y2,由于ADUC812的DAC及AD780驱动能力有限,而且比较容易损坏,通常将电路中A、B运放接成同相电压跟随器的形式,用来实现阻抗隔离,实际电路中的运放选用的是精密双路运放AD708,电路中运放C的电压输入表示如下:
(中心波长为637.1姗),选择工作电流(偏置电流)
为22mA,设置被测面和干涉仪参考面之间的距离为80mm时,对被测光学表面面形进行15帧相移干涉测量,这时要求半导体激光器驱动电路的电流的线性调制步长约为O.047InA。我们应用了该驱动电路调谐半导体激光器波长对一面形较好的光学表面进行部分相移干涉测量实验,获得相位主值图之后,就可直接判读被测面的面形,或者进一步地分析,通过相位解包技术以及波面拟合得到更加详细、准确的有关被测面面形信息。测量得该光学表面平面度误差为0.23九、局部误差为O.049九。采用zenlikc多项式的前36阶拟合,拟合精度约为0.0155九。
实践表明该电路结简单、性能可靠、精度高、体积小,能实现慢启动等功能,电流调制精度约为l%,电流稳定度达O.0l%,能达到高精度检测要求。
运放C接成同相放大器的形式,其输出为:
…
“
%=击Ⅵ十熹Ky:丛y。
R3
恒流电路主要由运放D和晶体三级管2SC2688组成的负反馈电路构成,其中R8是采样电阻,电路电容c2接成积分电路形式,避免干扰带来的输出电压的不稳定。电路中的慢启动部分主要是电容和电阻组成,启动时间可表示为f=RC。可通过选取适当的电容和电阻值来调节慢启动时间。另外通过半导体激光器的电流不能过大,否则容易损坏半导体激光管。本电路可以简单的实现这一功能,设半导体激光器的稳压电源电压为ycc,容许通过的最大电流为五。,则电路中需要加入的电阻值为ycc,jr眦;,考虑半导体激光器本身的电阻RLD和电流采样电阻R8,在供电电路中需要加入的电
参考文献
1孙晓明.半导体激光器干涉理论及应用.国防工业出版社
2粱芳,强锡富,孙晓明.一种简便实用的半导体激光器调制电路.光学精密工程.1999,17(1)
3AI『DC812dalasheets4
阻为R,=‰,,一一RLD—R8。为了避免半导体激光
管因为高频干扰而损坏,通常在电路中给半导体激光管并联一个小电容,同时并联一个反向二极管防止半导体激光管两端受过大的反向电压而损坏。
值得注意的是ADUC812在上电时或者软件使能DAC时,功~C都会产生一个脉冲,这对于半导体激光器来说是一个严重的威胁,在恒流电路和慢启动电路的设计中必须考虑到,不能使得浪涌电流大于半导
52
P.S.Fainn觚,B.K.W砌,B.F.0reb,锄dD.I.Famm.300-姗-
aperture
ph鹪esllimngFizc锄iIlt盯ferome自ry.opt.Eng..38
(8),137l~1380(1999)
5李刚.ADuC8xx系列单片机原理与应用技术.北京航空航天大学
中圜传蕞麓h婶缃州w.∞m。∞
万方数据
一种实用的半导体激光器驱动电路
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):
谭中奇, 张斌, 龙兴武国防科技大学,410073电子技术
ELECTRONIC TECHNOLOGY2004,31(4)
参考文献(5条)
1.孙晓明 半导体激光器干涉理论及应用
2.粱芳;强锡富;孙晓明 一种简便实用的半导体激光器调制电路[期刊论文]-光学精密工程 1999(01)3.AUDC812datasheets
4.P S Fairman;B.K.Ward;B.F.Oreb;DIFarrant 300-mmaperture phase shifting Fizeau interferometry[外文期刊] 1999(08)
5.李刚 ADuC8XX系列单片机原理与应用技术
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1. 闫战强.梁勇.YAN Zhan-qiang.LIANG Yong 一种小功率高稳定半导体激光器可调驱动电源[期刊论文]-激光与红外2007,37(11)
2. 胡小玲.徐萍萍.阮颖.于海鹰.高国.王林.赵夕彬.HU Xiao-ling.XU Ping-ping.RUAN Ying.YU Hai-ying.GAOGuo.WANG Lin.ZHAO Xi-Bin 半导体激光器可靠性评估系统设计[期刊论文]-半导体技术2005,30(9)
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本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_dzjs200404015.aspx