半导体激光器自动功率控制电路设计

　　0.25mV~2.5V的电压值需要变换放大到所需要的电压范围，这通过由运算放大器A4组成的同相比例运算电路实现，如图6所示，其比例系数为1+R_f/R。注意到一点，MAX4008的输出电阻为10kΩ，而根据PIN、光强度等的不同，MAX4008的输出电压可能会低至几毫伏，为了防止输出电压在下一级输入会有衰减，在MAX4008与同相比例运算电路之间加一级电压跟随器，用于隔离，提高MAX4008“带负载”的能力。最终，运算放大器A4的输出电压U₀与MAX4008输出电压U_MAX4008的关系式为：

　　实际应用应，R_f和R的阻值需要根据具体的LD以及PIN参数来确定。

实验结果与分析

　　光电探测器选用SIEMENS SRD00111Z硅PIN光电探测器来模拟激光器集成光电探测器，该光电探测器最高功率谱密度集中在800nm;作为实验，选用红色发光二极管(LED)来模拟激光器。DFB蝶形激光器工作电流一般达到70mA，远超过普通发光二极管的正常工作电流，因此用20只发光二极管并联构成一只大电流发光二极管，并将其中的一只引出与PIN密封固定在一起，用于探测光强。

　　在定量分析中，LED工作电流与LED光强、PIN探测电流的关系未知，为了得到其关系，实测了一些采样点：当恒流源输入电压从400mV逐渐变化到800mV时，以50mV为间隔，测得MAX4008的输出采样电压值如图7中圆点所示，并利用MATLAB对这些采样点进行2阶多项式曲线拟合，拟合曲线如图中细实线所示。

　　并得到拟合曲线函数式为：

　　其中，x、y单位均为mV。

　　假设半导体激光器工作在70mA，根据(1)式，计算得到恒流源的输入电压应为700mV;将700mV带入拟合公式(6)式，得到MAX4008输出电压约为2.55mV;再由(5)式，并取R=1kΩ、R_f=100kΩ，计算得到输入到电压比较器反相输入端的电压为257.55mV，因此，为了让MAX4008输出电压为2.55mV，就需要设定电压比较器的同相输入端电压为257.55mV。此外，还需要使充放电电容电压维持在4.3V附近，因为在4.3V附近电容的充放电速率基本相同，而恒流源的输入又需要稳定在700mV附近，因此，这里采用电阻分压的方法，将4.3V转换到700mV。图8是电路上电稳定后捕捉到的电压比较器输出端波形图，图中连续跳变的高低电平说明自动功率控制过程已建立。

　　我们知道，PIN光电二极管的探测电流可以反映探测的光强度，因此通过观察MAX4008输出电压的稳定性即可间接对LED发光二极管功率稳定性做出判断。图9是设计电路连续工作6个小时，每隔半个小时，MAX4008输出电压的采样值。

　　图9表明，MAX4008的输出采样值基本维持在2.5mV附近，说明发光二极管功率稳定性良好，自动功率控制的功能达到了设计指标。注意到一点，2.5mV的电压值和预期的2.55mV有点偏差，经分析，这种偏差是由以下两方面因素构成的，首先，电阻实际阻值和理论值的偏差导致了信号值的偏移;其次，对于毫伏级别的信号，运算放大器的同相和反相输入端并非理想虚短，从而导致了信号值的偏移。

结束语

　　根据模拟电路理论和反馈理论知识，设计了半导体激光器自动功率控制电路，实验表明，电路可以稳定输出功率，实现精确的控制。该系统具有结构简单、使用零部件少和容易调整等特点。MAX4008芯片简化了PIN光电探测器检测电路，提高了电流检测精度。此外，在正式接入半导体激光器之前，还需要考虑一些问题，比如电源浪涌冲击问题，因为半导体激光器是非常敏感且脆弱的元器件，不适当的工作环境将导致半导体激光器永久性损坏^[5,6]，因此保护特性应当考虑进来，以防止光学元件因瞬变电流而受到损害。

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