激光二極管驅動電源的設計

摘 要： 設計實現了分布式光纖測溫系統（DTS）中的激光二極管驅動電源。首先研究激光二極管對驅動電源的要求及技術指標，比較目前幾種設計方法的優缺點，分析雪崩三極管的工作原理和參數選擇因素，并選擇雪崩三極管ZTX415，最后由同步觸發信號產生電路、預雪崩電路、雪崩電路三部分設計實現了激光二極管的驅動電源。其中預雪崩電路采用開關三極管獲得納秒級脈沖并進行功率放大，降低了對雪崩三極管的參數要求。實驗結果表明，設計合理，參數正確，并已成功應用于光纖測溫系統中。

關鍵詞： DTS； 激光二極管； 雪崩三極管； 觸發信號

中圖分類號： TN86?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）24?0159?04

Design of driving power for laser diode

ZHAO Tao， CHEN Yumin

（School of Information Engineering， Harbin Institute of Technology （Weihai Branch）， Weihai 264209， China）

Abstract： The driving power for laser diode in distributed optical fiber temperature measuring system （DTS） was designed and implemented. The requirements and specifications of the drive power for laser diode are researched. The advantages and disadvantages of several current design methods are compared. The working principle and the preference factors of the avalanche transistor are analyzed， and the avalanche transistor ZTX415 is selected. The driving power of laser diode was designed and implemented with producing circuit of synchronous trigger signal， preliminary avalanche circuit and avalanche circuit. The nanosecond pulse is obtained and power amplification is achieved by switching transistor in preliminary avalanche circuit， which reduces the parameter requirement to avalanche transistor. The experimental results show that the design is reasonable， and the parameters are correct. The design has been successfully applied in DTS.

Keywords： DTS； laser diode； avalanche transistor； trigger signal

分布式光纖測溫系統基于光的時域反射和背向拉曼散射溫度效應成為先進的遠距離溫度監測系統[1]。該系統由驅動光源、激光二極管、光纖、光電轉換器、高速A/D采集及數據處理五部分組成。激光二極管在驅動電源作用下產生激光注入光纖，光纖作為光的載體和傳感元件，光電轉換器把接收的散射及反射激光變換為電信號輸出，經高速采集后進行數據處理。本文利用雪崩三極管設計了驅動電源。

1 激光二極管驅動電源的要求

當激光二極管工作在受激輻射狀態且工作電流大于閾值電流時，光子獲得凈增益并在腔內振蕩發射出激光，光輸出功率隨電流陡峻上升。由于反射和散射回來的光功率非常低，僅相當于入射光的10-7左右，經光電轉換器轉換成光電流后不過幾微安，因此系統要求盡量高的入射光功率[2?3]。同時光脈沖的寬度直接影響了空間分辨率，1 m的空間分辨率需要的光脈沖脈寬要小于10 ns。因此激光二極管的驅動電源要滿足幾點要求：

（1） 激光器產生的峰值功率為6 W，要求驅動電流在8.5 A左右，電流的穩定性提出了很高的要求。

（2） 系統要求空間分辨率小于3 m，光脈沖寬度小于30 ns，脈沖的上升沿和下降沿都在5 ns以內。

（3） 系統的測溫時間越短越好，在綜合考慮測溫精度及測試距離的影響下，脈沖光的重復頻率為3.65 kHz。

（4） 散熱迅速，不累積熱量，以免對激光管產生不可恢復的損壞。

目前產生納秒級電脈沖的方法有數字電路、功率開關管、階躍恢復二極管、閘流管和雪崩晶體管等[4?7]。數字電路產生納秒脈沖一般由振蕩源和整形電路組成，振蕩源提供觸發脈沖，整形電路在觸發脈沖作用下產生輸出脈沖的寬度，一般大于50 ns，并且電流幅值很低；MOS場效應管開關特性比較好，但是上升沿和下降沿也至少5 ns，輸出電流也不能很大。階躍恢復二極管利用階躍恢復的特點來產生高速窄脈沖，可以產生脈沖寬度小于10 ns，幅值也能大于3 A，但是價格較高，具體的電路設計也有一定難度。

雪崩晶體管能同時提供快速響應和較大的峰值功率[8?9]，電路設計不復雜，廣泛應用在大電流窄脈沖產生電路中，本設計采用了雪崩三極管。

2 雪崩三極管的選擇

在晶體管的集電極加上比正常使用大許多倍的電壓，使集電極的載流子被強電場加速而獲得很大的能量，這些被加速的載流子與晶格發生碰撞產生新的電子?空穴對，這些電子?空穴對又被強電場加速，重復上述過程，流過集電極的電流便像“雪崩”一樣迅速增長，這種現象被叫做晶體管的雪崩效應。具有雪崩效應的晶體管稱為雪崩晶體管。NPN型雪崩三極管共發射極輸出特性如圖1所示。

圖1 NPN型雪崩三極管共發射極輸出特性

雪崩管在雪崩區形成負阻特性，負阻區處于BUCEO與BUCBO之間，當電流再繼續加大時，則會出現二次擊穿現象，如圖2所示。

圖2 雪崩三極管二次擊穿曲線

雪崩晶體管在集電極?發射極端對外電路呈現電流控制的“S”型負阻特性，即內部存在強烈的正反饋。它與一般消耗能量的正阻相反，負阻在動態形式下可以存儲與釋放能量，這就是運用晶體管的雪崩特性產生大電流、高速脈沖的根本原因。

當雪崩過程發生時，集電極電流Ic與射極電流Ie之間的關系為：

[Ic=α?Ie=αMIE]

[M=11-UcBUcbon]

式中：[α]為雪崩前晶體管的共基極電流增益；[α?]為雪崩效應后的晶體管的共基極電流增益；M為雪崩倍增因子；n為與晶體材料有關的密勒指數，通常硅材料為3～4。

從上式可以看出，雪崩狀態下集電極電流隨電壓變化比較急劇。

雪崩晶體管的主要參數是雪崩上升時間和雪崩脈沖幅值。擊穿電壓較低的雪崩管具有更快的雪崩上升時間和較高的脈沖重復周期，但是脈沖幅度較低，需要正確選擇雪崩管。

（1） BUceo較高且能在圖示儀上看到負阻或二次擊穿；

（2） BUceo較高且雪崩區盡量寬一些的管子；

（3） β值要盡量大；

（4） 特性頻率fT盡量高或者開關時間盡量小；

（5） 飽和壓降盡量小。

單級雪崩電路一般無法滿足輸出功率的要求，需要多級并聯，此時需要解決同步觸發問題，否則會加大脈沖寬度。

綜合比較常用雪崩三極管的參數，最終選擇了ZETEX的雪崩管[8]ZTX415，參數如表1所示。

表1 ZTX415主要參數

3 驅動電源的設計

激光二極管驅動電源的構成如圖3所示。觸發脈沖電路在一定頻率方波作用下觸發雪崩三極管產生窄脈沖，經過功率放大驅動激光二極管，同時輸出觸發脈沖作為系統的同步信號；溫度控制部分對激光二極管進行恒溫控制，以避免溫度過高而損壞；低壓、高壓直流電源提供工作電壓。電路分為三級：同步觸發信號、預雪崩級、雪崩級。

圖3 激光器二極管驅動電源框圖

同步觸發信號采用555多諧振蕩器產生，如圖4所示。二極管D1和D2使C1的充放電回路不同，改變R1和R2可以調整占空比。電路中R1=2 kΩ，R2=10 kΩ，C1=0.033 μF，則充電時間T1≈230 μs，放電時間T2≈46 μs。

圖4 觸發信號產生電路

預雪崩級選用雪崩電壓較低的開關晶體管，獲得峰峰值電流為幾百毫安上升時間為幾納秒的窄脈沖，提高觸發脈沖的電流，使雪崩級的晶體管快速導通以獲得陡峭的脈沖上升沿。電路如圖5所示，觸發信號下降沿時Q1導通，其集電極電流通過快恢復二極管D3后經過RC微分電路輸入到預雪崩管的基極，觸發信號上升沿時Q1截止，微分電容經過R7，R8和R9放電，這樣觸發信號經過RC微分電路加速后上升沿更加陡峭。調整C3的值在一定范圍內改變觸發脈沖的形狀。快恢復二極管D3防止雪崩級對Q1的影響。從實際測試的波形可以看出，預雪崩級產生了寬度20 ns，幅值8.5 V的窄脈沖。

雪崩級是由核心器件ZTX415構成的，如圖6所示，所加的HV高壓電源為120 V。其工作原理是：高壓電源通過R10，D2和R11給C4充電到120 V，觸發脈沖輸入到雪崩管Q2的基極，雪崩管導通后出現負阻特性，即電流快速增大而兩端電壓快速下降，電容C4通過雪崩管和激光管LD放電。隨著雪崩過程的進行，流過雪崩管和LD的電流逐漸增大，電容兩端的電壓逐漸減小。雪崩電流達到最高點后，隨著電容電壓的下降雪崩管和LD的電流逐漸減小。雪崩過程結束后高壓電源通過電阻R10對電容C4充電，等待下一個雪崩觸發脈沖的到來。

圖5 預雪崩電路

圖6 雪崩電路

選定了雪崩三極管后，電路中應選擇的參數是充電電容C4和充電電阻R10。C4太大輸出脈沖寬度加寬且電路恢復期加長；C4太小輸出脈沖幅值減小且分布電容影響增大，選用33 pF的云母電容。R10不能選得太小，以防雪崩三極管因功耗過大而燒壞，選為12 Ω。R10也不能太大，應保證雪崩電路在靜止期內恢復完畢，即：

[（3～5）?（R10+R11）?C4≤TS]

式中TS為觸發脈沖重復周期。

4 設計結果測試

由于脈沖達到了納秒級，對測試設備提出了較高的要求。測試用示波器是安捷倫的MSO6104A，帶寬為1 GHz，測試用表筆帶寬為200 MHz，測試誤差為2～3 ns。設計結果測試如圖7所示。

可以看出，雪崩管輸出的脈沖寬度約為20 ns，去除測試誤差實際脈沖寬度約為17～18 ns，幅值為40 V。以LD的等效電阻為5 Ω計算，輸出的峰值電流約為8 A，滿足了設計要求。

圖7 脈沖測試波形

5 結 語

本文設計了一種激光二極管的驅動電源。分析了雪崩三極管的工作原理和特性，設計了脈沖產生、預雪崩、雪崩電路，目前已成功應用于工程中。

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