一種開關可控的650nm穩定光源驅動電路設計

趙 奎 劉 薇 彭懷敏

（中國電子科技集團公司第三十四研究所，廣西 桂林 541004）

1 引言

與電纜相比，光纖作為傳輸介質，它具有較大的帶寬、較低的衰耗、抗電磁和電力于擾性強、傳輸數據保密性好、比銅線體積小和重量輕等優點；但是普通通信用的石英光纖有幾個很致命的缺點：強度低，抗撓曲性能差，而且抗輻射性能也不好。這些缺點使之不能廣泛應用于短距離數據通信或桌面數據連接。而塑料光纖雖然光損耗較大，但它具有抗撓曲、價格便宜、抗輻射、易加工等一系列優點。因此塑料光纖通信系統非常適合于短距離（100米左右）、中小容量（kbit/s至100Mbit/s）、低成本（幾十元）的桌面數據連接，以及設備之間、設備內部總線的數據連接。隨著這些通信技術的發展，對于這些傳輸光的監視和測量也顯得尤為重要。穩定光源正是諸多測量儀器中常用的、重要的基礎設備。然而市場上中低檔產品并不多，面臨大量實驗室用戶以及低檔產品用戶的需求，因此很有必要進行低成本穩定光源的研發。本文提出了切實可行的用于塑料光纖測試的低成本穩定光源驅動電路。

2 穩定光源光器件選擇

本文所介紹的低成本穩定光源，結構簡單，所選的器件價格低，電路用到的主要器件有發光二極管（LED），Si-PIN 管，放大器，三極管，電阻電容等。可滿足實驗室用戶以及低檔產品用戶的要求。

采用的發光二極管（LED）是普通顯示用的高亮度表面貼裝發光二極管，這種二極管具有體積小、耗電量低、使用壽命長、高亮度、低熱量等優點。發光二極管（LED）的主要構成是一個半導體的晶片，晶片的一端附在一個支架上，一端是負極，另一端連接電源的正極，整個晶片被環氧樹脂封裝起來。半導體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導體，在它里面空穴占主導地位，另一端是N型半導體，在這邊主要是電子。當這兩種半導體連接起來的時候，它們之間就形成一個"P-N結"。當電流作用于這個晶片的時候，電子就會被推向P區。在P區里電子跟空穴復合，然后就會以光子的形式發出能量，這就是LED發光的原理。

選用的發光二極管尺寸約為1.0mm x 1.0mm左右，驅動電流小于20mA，中心波長650nm（紅色光）。發光二極管尺寸選擇在1.0mm x 1.0mm左右，與塑料光纖的直徑相當，容易將光信號耦合進入塑料光纖中。

監測二極管采用的是Si-PIN管BPW34。這是一種采用微型塑料扁平封裝、高速、高靈敏度的PIN光電二極管。具有快速響應、低暗電流、高響應度、高可靠性等優點，適用于可見光和近紅外輻射。Si-PIN管在反向偏置條件下工作，當光照時，半導體吸收光，在耗盡層或離耗盡層一個擴散長度內產生電子 -空穴對，最后被電場分開。當載流子漂移通過耗盡層時，在外部電路中形成電流，從而實現光電轉換。

3 穩定光源結構

圖1 穩定光源結構圖

如上圖所示，穩定光源主要由一個發光二極管（LED）、一個Si-PIN和一個凹頭塑料光纖活動連接器構成。發光二極管（LED）和監測光強度的Si-PIN管密封在同一個塑料殼體內,發光二極管（LED）輸出的光信號直接耦合進入直徑為1.0mm的塑料光纖之中。塑料光纖被塑料固定件固定在凹頭塑料光纖活動連接器中。整個穩定光源通過凹頭塑料光纖活動連接器與外部光纖相連。

穩定光源的供電方式為+5V直流電源。

4 穩定光源驅動電路設計

此設計方案中，采用改變放大器運行狀態來控制光源的關斷。在圖二中可以看到，本文電路設計中的采用的放大器是MAX4231，可以通過控制其第五管腳Shdn的高低電平變化來控制放大器的運行和關斷，從而來達到控制光源發光狀態。當控制信號control為低電平時，Shdn通過R5接到地，此時為低電平，放大器MAX4231處于關斷狀態。V2被拉到低電平，三極管Q1處于截止狀態，發光二極管無電流通過則不發光；當控制信號control為高電平時，Shdn為高電平，此時放大器MAX4231處于工作狀態。V2拉到高電平，三極管Q1處于導通狀態，發光二極管有電流通過，光源正常工作。

圖2 穩定光源驅動電路

圖2所示的驅動電路由運算放大器U1和晶體管Q1以及外圍電路組成，該電路是一個以運算放大器為核心的反饋系統，具有自動穩定激光器光輸出功率的功能。自動控制電路通過監測發光二極管（LED）耦合進塑料光纖余光的強度，并把它轉換成電信號，通過電路控制發光管二極管的電流從而達到實現發光二極管（LED）功率穩定輸出的目的。

穩定光源電流控制過程如下：當由于某種原因，使發光二極管（LED）的輸出光功率降低時，耦合至光電二極管Si-pin管的光也減少，產生的電流也同比例減小，即V1減小，這樣，通常狀態下的平衡被打破，使得放大器U1輸出端的電壓即V2將會增大，于是，三極管Q1的基極電流增大，集電極電流也隨之增大，而集電極電流正是流入發光二極管（LED）的電流。因此，流入激光器的電流增大，輸出光功率相應增大，從而使輸出光功率保持不變；反之，當由于某種原因，使發光二極管（LED）的輸出光功率增大時，耦合至光電二極管Si-pin管的光也增加，產生的電流也同比例增加，即V1變大，這樣，通常狀態下的平衡被打破，使得放大器U1輸出端的電壓即V2將會減少，于是，三極管Q1的基極電流減小，集電極電流也隨之減小，而集電極電流正是流入發光二極管（LED）的電流。因此，流入激光器的電流減小，輸出光功率相應減小，從而使輸出光功率保持不變。

實驗證明：該設計電路正確可行，基于余光監測器的自動光功率反饋保證了光源能夠在功率恒定的情況下正常工作。

5 結論

本文所設計的驅動電路，通過功率自動控制電路解決了激光器在使用中輸出功率不穩定的問題，達到了較好的穩流效果。

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