半导体激光器自动功率控制电路设计

　　引言

　　半导体激光器具有光学特性优秀、单色性好、体积小和寿命长等一系列的优点，随着科技的发展，已被广泛应用在国防、通信、医疗和测量等领域中^[1-3]。半导体激光器需要专用的驱动电路，一般均采用恒流源电路。市场上专业的激光器驱动设备性能好，功能强大，然而价格昂贵，体积较大，对产品开发来说，一款小巧、功能简单、性能稳定、价格低廉的激光器驱动电路很具有实用价值。

　　在传感和检测等应用领域，往往需要激光器工作在恒定功率状态，而半导体激光器是非线性器件，受温度等影响较大，电路中电阻等元器件的老化也会改变半导体激光器的特性，因此需要补偿各种因素产生的影响。而在发射阈值电流以上时，半导体激光器的发光功率与驱动电流成线性关系^[4]，这使得通过控制驱动电流来调整发光功率成为可能。

　　电路工作原理分析

　　图1所示为激光器自动功率控制系统原理框图，整体电路形成一个闭合环路，通过负反馈机制稳定激光器的输出功率。该驱动电路由电压比较器、电容充放电模块、恒流源和反馈回路构成，电容充放电模块根据比较器输出电压的高低循环跳变来对电容进行充放电，最终将其电压值稳定在某预设值，从而间接控制恒流源的输入电压，并进一步控制激光器电流，恒流源直接驱动LD激光器，它的输入电压和激光器驱动电流成正比例关系。

　　系统上电后，电压比较器的正端设定正电压值V_SET，负端电压假设为0，则比较器输出的低电平致使电容充放电模块对电容充电，随着电容电压的缓慢上升，恒流源的驱动电流不断升高，激光器输出光强不断升高，PIN探测电流变大，从而导致反馈回路输出电压升高，直至高过比较器正端电压V_SET后，比较器输出由低电平跳变为高电平，接着执行上述过程的反过程：电容放电、激光器功率减小，由此循环往复，最终稳定激光器发光功率。

　　恒流源

　　半导体激光器的可靠稳定工作需要精密电流源，设计使用电流源电路源自于负反馈运算放大电流电路，该电路具有结构简单、噪声小等优点，其结构如图2所示。

　　电路通过B_IN输入端电压控制1欧姆电阻电压来控制激光器电流，由LT1789的固定增益输出反馈给LT1006反相输入端而形成闭环，LT1789的引入使激光器阴极得以共地，便于测试。此外，增加了激光器电流关断控制电路，ENABLE使能端通过将Q1的基极电位拉地来关断激光器电流，相当于激光器开关关闭，而当开关打开时，可实现激光器电流缓慢地上升至预定值。元器件选取上，LT1006运算放大器和LT1789仪表放大器均是单电源供电型放大器，能够满足单电源供电的需求。电路工作中，LT1789的放大倍数为A=10，流经激光器电流I与输入电压U的关系为：

　　I=0.1U (1)

　　其中，I的单位为毫安，U的单位为伏特，即当输入电压由0V变化到2.5V时，可实现激光器电流由0mA到250mA的线性变化。

　　电容充放电模块

　　电容充放电模块是形成反馈回路、实现自动功率控制至关重要的一部分。稳定激光器功率是通过微调流经激光器的电流实现的，这种微调功能的实现是需要某种自动起伏变化的机制才能实现的，而大电容的电压可以缓慢变化，符合这种机制的要求。前已述及，该模块根据前一级比较器输出电压的高低循环跳变来对电容进行充放电，将电容电压值稳定在某预定值，从而间接控制激光器电流，电路图如图3所示。