技术文章:功率稳定可调LD驱动电路的设计

　　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，且驱动电流节量<0.01m A，同时可设置初始驱动电流（光功率）。 

　　驱动电路设计 

　　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。 

　　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。 

　　3 电路模块选型及计算 

　　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) 

　　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，则驱动电流的可调节量为150/2 14=0.01mA。 

　　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，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。 

　　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）=U p(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，电流可调量小，调节高，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。