摘要：激光驅動電流的穩定性是影響激光驅動器性能的重要參數，但激光驅動器的高電流值難以維持穩定。此外，驅動電流的范圍應盡可能地寬以適用于不同種類的激光器。針對以上問題，文章以超輻射發光二極管(SLED)激光驅動器為應用實例，并采用閉環控制技術以保持驅動電流穩定，該系統能夠產生4mA至200mA隨外部電阻值變化的穩定的電流。

關鍵詞：激光驅動器;穩定電流;功率控制

1 前言

超輻射發光二極管(SLED)產生的寬波段光具有高的光功率，波長范圍1.53nm至1.56nm，光功率可超過5mW。光纖傳感器是由2Km長的保偏 (PM)光纖緊貼組合而成的線圈，PM線圈檢測到機械系統的振動并將其轉換到集成光學芯片，由芯片處理的信號被耦合到信號檢測器，并轉換為電子信號。光學功率噪聲檢測器被用來檢測該光功率的噪聲信號，并用數字信號處理器(DSP)來過濾噪聲。用這種高光功率源，該系統的信號噪聲比(SNR)被由光源產生的噪聲，而不是分散的噪聲所限制。光功率源是光纖陀螺儀的關鍵部件，它必須提供穩定，充足的光功率。在實踐中，它通常是一個通過一定的電流驅動的SLED。

SLED具有電流輸入光功率輸出的傳遞函數，如圖1所示。當SLED的驅動電流超過ITH，SLED的光功率將正比于驅動電流。因此，該SLED的光功率可以很好地通過控制SLED的驅動電流進行控制。

2 電路設計

該激光驅動器電路可提供輸出從4mA到200mA范圍的一個穩定的驅動電流。

2.1 功率控制器構建

該功率控制器的構建塊如圖2所示，其設計是基于光電反饋理論。當系統穩定后，電源控制器提供給SLED穩定的電流，從而使SLED的光功率恒定。當系統穩定時，輸出電流由外部電阻決定;當外部環境變化時，光纖系統的光功率改變，從而導致由監控二極管產生的變化的電流。然后，光電流被反饋到功率控制器，并經由外部電阻轉換成相應的電壓值，用它與基準電壓進行比較。比較的結果經放大器傳送到驅動電流的控制系統，調節電流源的驅動電流，使得電流源陣列變化的輸出電流相應地變化。通過這種方式，SLED的驅動電流可保持不變，這意味著當環境發生變化時光纖系統的光功率保持恒定。

如圖2，當系統穩定時，驅動電流IOUT的電流值由外部電阻REXT確定。假定I2/I1，I3/I2，IOUT/I3是B1，B2和B3，那么IOUT 的值可通過改變N2，N3，P1，P2，Q1/Q3和Q2/Q4的值很容易地實現。IM對B4的比值是由所使用的監控二極管的規格確定。REXT和 IOUT之間的關系如(1)至(5)五個方程，其中有6個變量(包括REXT)，這意味著REXT與IOUT一一對應，式(6)為傳輸函數。在公式中，監控電流的變化由式(7)決定：

其中AOC為A1的共模增益，AOD為A1的差模增益，并且gmN1是N1的跨導。在設計中，A1和A2是單級級聯放大器，這樣系統的極點是由放大器的輸出和電流鏡產生的。由電流鏡產生的磁極為fT(2+B)，這是非常高的頻率值，其中B是電流鏡的增益。要獲得一個足夠的相位裕度，A1的輸出是由一個高電容和高電阻連接到地，所以A1的輸出是主極點。

2.2 輸出級

激光器輸出級如圖3所示，它提供電流來驅動激光器，并直接影響SLED的輸出。

輸出晶體管被設置為10*10的雙極級聯陣列。為提供足夠的電流，輸出晶體管的基極電流需要足夠大，基極電流由Q2和M9提供。在這個設計中，輸出電流為 200毫安，假設雙極性的β電流增益是100，因此，基極電流至少為200mA/β。M8/M7和Q2/Q1等于4，這意味著I3等于 16I1，M3/M1，M4/M2，M5/M1和M6/M2等于2。所以Q3的基極電流的電流是14，這限制了最大輸出電流，并且Q3應大于2 mA。的最小值為2mA/14，它是142μA。所以，基極電流大于142μA經常被用來確保輸出晶體管保持在正向有源區的，這里基極電流是155μA。

所述Vbias1，Vbias2，和Vbias3和由偏置電路產生，如圖4所示。通過經典低電壓級聯結構產生Vbias2和Vbias3，Vbias1由放大器產的。電壓被反饋到放大器的負端口，以產生穩定的偏置電壓，保持系統的穩定性，一個電容被用于增加點A的阻抗，使得它成為主極點。運算放大器被設計成一個單級級聯放大器，這確保了系統更好的穩定性。

2.3 校準參考電流

在該設計中，輸出是一個電流，并且許多偏置電壓通過基準電流產生。這樣，參考電流的精度對于激光驅動器的驅動能力，穩定性和精度非常重要。

參考電壓是由一個簡單的一階補償電路產生，基于參考電壓，所述參考電流產生并在圖5校準。它是由一個誤差放大器，一個參考電壓源，一個比較器，一個逐次逼近寄存器(SAR)的邏輯電路，和一個6位數字-模擬轉換器(DAC)組成。

參考電流是通過由基準電壓電路，埃羅放大器和反饋網絡構成的反饋電路產生的。電壓被反饋到誤差放大器的正極端口與基準電壓進行比較，誤差放大器放大該差壓到M1的柵極電壓，以這種方式，產生一定的電流。為獲得更高精度的電流，消除誤差的校準是必需的。

校準是通過一個特區邏輯電路和一個6位的DAC。當校準開始時，6位的DAC輸入數據被定義為011111，或半滿刻度。特區邏輯將修改DAC的輸入數據，并改變其輸出電流，直到該參考電流值可以等于IREF，如果參考電流等于IREF，校準停止。

3 仿真結果

該激光驅動器輸出能力的仿真結果示于圖6，這是不同條件下的仿真結果圖：(a)常溫(25℃)下激光驅動器隨外部電阻值變化的輸出仿真結果;(b)低溫 (-40℃)中激光驅動器隨外部電阻值變化的輸出仿真結果;(c)高溫(125℃)中激光驅動器隨外部電阻值變化的輸出仿真結果;(d)電壓4.5V，溫度-40℃時激光驅動器隨外部電阻值變化的輸出仿真結果。通過對在不同條件下仿真結果圖的對比可得，該系統能夠產生隨外部電阻值變化的穩定電流。圖中y是外部電阻的值，單位是kΩ，Y0是輸出電流，單位mA。

4 結論

所述系統設計出一個以閉環控制技術來維持激光驅動器驅動電流穩定的SLED激光驅動器，并基于光電反饋理論設計了功率控制器，可實現激光器自動功率控制。該系統的電路詳細，在初始設置后能夠產生穩定的范圍從4mA到200mA的電流。設計和仿真結果表明，在不同的外部條件下該系統能夠產生隨外部電阻值變化的穩定電流。實驗表明該設計可以很好地工作，在穩定驅動激光器的前提下，還可以使激光器安全長時間運行。