半導體激光器驅動器的SPICE仿真及其在氣體傳感系統的應用

摘 "要： 為了提高激光器的工作可靠性和穩定性，借助TINA?SPICE軟件對其驅動電路進行輔助設計，并通過電調制和光電檢測系統實驗檢驗設計效果。對驅動器的恒流輸出電路的幅頻特性和瞬態響應進行仿真，預測潛在的電流振蕩現象，并提出一種用于補償環路增益的易用方案。通過對比補償前后的仿真曲線，驗證了該方案的可行性。在此基礎上，以STM32H743作為中央處理核心，通過觸摸屏圖形化設置和監測驅動電流參數，從而調度激光器驅動電路的運行。在296 K環境溫度下，利用該電路進行半導體激光器電調制特性實驗，通過擬合波長與電流得到調制系數為0.045 cm-1/mA。進一步地，將該控制器引入基于紅外光譜吸收技術的氣體傳感系統，完成了對甲烷氣體的定量分析。分析結果表明，所設計的電路能穩定地驅動激光器并實現對波長的精準調制，獲得的氣體傳感系統的檢測下限低于8 ppm。

關鍵詞： 半導體激光器； 驅動電路； 壓控電流源； SPICE仿真； 氣體傳感器； 電調制； 環路增益

中圖分類號： TN248.4?34 " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼： A " " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2024）18?0077?06

SPICE simulation of semiconductor laser driver and its application in gas sensing system

CONG Menglong， ZHOU Kunpeng

（College of Physics and Electronic Information， Inner Mongolia Minzu University， Tongliao 028000， China）

Abstract： In order to improve the reliability and stability of laser， TINA?SPICE software is used to assist in the design of its driving circuit， and the design effect is verified by the experiments of electrical modulation and photoelectric detection system. The amplitude frequency characteristics and transient response of the constant current output circuit of the driver are simulated， potential current oscillation phenomena is predicted， and an easy?to?use scheme for compensating loop gain is proposed. The feasibility of this scheme was confirmed by comparing the simulation curves before and after compensation. On this basis， STM32H743 is used as the central processing core to graphically set and monitor the driving current parameters by clicking on the touch screen， thereby scheduling the operation of the laser driving circuit. At the ambient temperature of 296 K， the circuit is used to carry out the modulation characteristic experiment of semiconductor laser， and the modulation coefficient is 0.045 cm-1/mA by fitting the wavelength and current. The controller is introduced into the gas sensing system based on infrared spectral absorption technology to realize the quantitative analysis of methane gas. The analysis results show that the designed circuit can stably drive the laser and realize precise wavelength modulation， and the detection sensitivity of the obtained gas sensing system is lower than 8 ppm.

Keywords： semiconductor laser; driving circuit; voltage?controlled current source; SPICE simualtion; gas sensor; electrical modulation; loop gain

0 "引 "言

半導體激光器因其結構小巧、光電轉換率高、成本低廉等優勢，在以光電子和微電子技術為核心的通信[1]、醫療[2]、國防軍事[3]、交通運輸[4]以及空間探索[5]等領域具有舉足輕重的作用。與量子級聯激光器相比，半導體激光器對工作條件要求不高，無需液氮制冷[6]；與固態可調諧泵浦激光源相比，半導體激光器緊湊的內部結構使其受機械振動的影響更小，更容易與發動機組件、脈沖裝置等集成[7]。常規的分布反饋（DFB）半導體激光器的輸出波長隨電流變化的典型值[8]為0.036 nm/mA，波長隨溫度變化的典型值[9]為0.19 nm/℃。半導體激光器的使用壽命與其閾值電流具有密切關系。一般來說，光纖通信用半導體激光器的閾值電流為8～12 mA，可以連續工作105 h以上；其他小功率半導體激光器的閾值電流為20～40 mA，連續工作時間在2×104～3×104 h；大功率半導體激光器的閾值電流在80～150 mA，連續工作時間[6]約5 000 h。然而，半導體激光器對電沖擊的承受能力很弱，如果工作于超出閾值的非正常條件下，即使時間很短（如幾納秒）也足以對其造成永久性損傷[10]。除了外界的干擾信號，激光器驅動電路本身的設計缺陷也是造成這種電沖擊的根源。

半導體激光器驅動控制系統一般由模擬電路和數字電路結合構成，要求精度高且工作性能穩定[11]。現階段半導體激光器驅動電源的市場主要被外國公司所壟斷，如AlphaLaser公司、MartekLase公司、Thorlabs公司、Wavelength公司、AnalogTechnologiesInc公司、ILXLightwave公司等。這些公司的產品種類豐富且性能優良，以Thorlabs公司生產的小功率驅動器LDC220C系列為例，其在0～2 Ａ的電流輸出范圍內分辨率為100 mA，無紋波噪聲[12]小于15 mA；作為德國AlphaLaser公司的標志性產品，LPS1?2T系列激光驅動器的溫度波動小于0.1 ℃，電流噪聲[13]不超過60 mA。國內從事此方面生產研發的廠商有武漢泰倫特世紀科技有限公司、西安炬光科技有限公司、深圳市興博科技有限公司以及上海技馳電子科技有限公司等。以武漢泰倫特世紀科技有限公司設計的TLTM?YTH03100型蝶型激光驅動板為例，其電流在500 mA范圍內的波動約為0.5 mA，控溫誤差[14]為±0.1 ℃。

作為實現精確穩定氣體傳感的先進方法，可調諧二極管激光吸收光譜（TDLAS）[15?17]通過主動調諧光學波長來訪問所選吸收躍遷的峰值位置，再根據激光強度的衰減量來計算目標氣體的濃度。盡管系統框架和工作機制簡潔明了，但直接吸收光譜法仍然存在一個明顯的缺點：因為TDLAS中使用的激光源的發射波長主要對應于氣體吸收的泛頻或組合頻振動躍遷，其光譜吸收強度比那些對應于基本振動帶躍遷的吸收強度弱幾個數量級。故而，將伴隨諧波檢測的波長調制光譜（WMS）引入TDLAS，以此獲得比直接吸收光譜更高的檢測靈敏度[18]。基于紅外光譜吸收技術的氣體傳感系統由電路和光路系統構成，而用于激勵激光器發光并對其激射波長進行主動調制的激光器驅動器則是電路系統的核心，其精度和穩定性對后續的光電檢測以及信號處理環節具有重要影響。

考慮到半導體激光器的激射波長和光功率對于驅動電信號的高度依賴性，以及其在氣體傳感器系統所處的重要地位，決定針對驅動電路設計和應用開展研發工作。首先，對以STM32H743[19]為核心的激光器驅動器整體架構進行介紹；再結合理論分析與TINA?SPICE仿真對壓控電流源的工作穩定性進行詳細論證，并提出針對振蕩現象的補償方案；然后，闡述該激光器驅動器的主要功能及操作方式；最后，利用此激光器驅動器驅動DFB半導體激光器，在室溫條件下測試其電調制特性，并將之應用于氣體傳感實驗。

1 "激光器驅動器設計

1.1 "整體架構

圖1所示為激光器驅動器的原理框圖。源自于外部電網的電源VCC在給激光器供電之前，先經過慢啟動電路以避免瞬時的浪涌沖擊激光器。流經激光器的電流被采樣和放大后，同電壓基準相比較，利用比較結果控制功率器件的導通程度，從而使驅動電流趨于預定的目標值。激光器發出的光被探測器轉為電信號后，經反饋網絡進入數控核心STM32H743，從而實現光功率的監測。此外，數控核心還負責控制指令的輸入和顯示信息的輸出。

1.2 "關鍵電路設計與仿真

1.2.1 "壓控電流源電路設計

圖1中通過電壓基準信號和采樣放大信號的比較實現了激光器驅動電路的動態調節，從而構成了電壓控制的恒定電流源。此壓控電流源電路的典型結構設計如圖2所示。輸入三極管T1基極的電流決定著流過激光器LD和采樣電阻R5的電流。電阻R1負責限制流入T1基極的電流以保護三極管。從電阻R5采樣得到的電壓值被運放U2放大后，再輸入到運放U1的反相端并與參考電壓Vref比較，利用比較結果控制輸入T1基極的電流，構成閉環。假設電源端LD_Power受到外部干擾，流過激光器的電流Is突然增大，則R5的電壓升高，U1輸出電壓下降，進而導致Is下降。Vref與Is的關系為：

[Is=VoutR5=VrefR3R3+R4R5] （1）

1.2.2 "壓控電流源的TINA?SPICE仿真

圖2中運算放大器U1放大倍數可以表示為：

[VoutVin=Aol1+Aol?β=Aol1+Aolβ1] （2）

式中：[Aol]為運放的開環增益；β為反饋因子；β1為β倒數。由該表達式可知，[Aolβ1]是電路穩定性的重要判據。當[Aol]與β1幅值相等且相位相反時，表達式分母為0，放大倍數無窮大。即使電路沒有輸入也會產生輸出，此即為自激振蕩現象。根據模擬電路基本理論，電路的一階零點（或極點）會導致幅頻特性曲線以20 dB/十倍頻程的斜率上升（或下降）。因此，通過研究[Aol]和β1的振幅?頻率曲線的閉合速率，即可對負反饋電路穩定性進行圖解分析。

為了仿真[Aol]和β1的振幅?頻率曲線，需要對圖2的電路圖稍作變形。與圖2相比，變形得到的圖3中增加了1 GF的電容（C1）、1 GH的電感（L1）以及幅值為1 V的交流電壓源（VG1），目的是斷開反饋環路的同時保留直流工作點。此外，利用直流電壓源V1代替圖2中的參考電壓Vref，使晶體管T1在其實際工作點附近被偏置，確保交流分析結果的準確性。

利用仿真軟件的虛擬電壓探針測量特定節點的電壓，并使用TINA?SPICE進行后處理，可以獲得[Aol]和β1的幅頻特性：

[Aol=VOAVFB-Vref] （3）

[β1=VloopVFB] （4）

當采樣電阻的輸出端Vout和三極管的基極T1之間未加入補償電容Cf時，對[Aol]和β1幅頻特性的仿真結果如圖4所示。由圖4可見，[Aol]和β1在3.497 MHz頻率點處出現了交叉。其中[Aol]曲線以20 dB/十倍頻程的斜率下降，而β1曲線以20 dB/十倍頻程的斜率上升，這說明在此之前已經出現了[Aol]的極點和β1的零點。

由式（4）可知，β1是反饋因子β的倒數，而前者的零點即為后者的極點。因此，在掃描頻率值到達該點之前，環路增益已歷經180°的相移，此時的電路極易出現振蕩而不穩定。

為了能更加直觀地觀察到振蕩現象，仿真了電流源電路的瞬態特性。當圖2中的激勵信號Vref被設置為幅值500 mV、帶有750 mV直流偏置的方波時，采樣電阻R5上分得的電壓信號Vout的波形如圖5所示。對比圖5上方的激勵信號Vref和下方的采樣信號Vout，可以明顯地觀察到輸出信號Vout出現了振蕩現象，由于R5與激光二極管串聯，因此這也意味著激光器驅動電流的振蕩。

從式（2）可知，當[Aol]與β1乘積的幅值為1且相位為180°時，電路將發生自激振蕩。在理論分析基礎上，利用圖4和圖5的仿真結果進一步佐證了該結論。考慮到自激振蕩現象產生的原因是圖4中[Aol]與β1曲線的閉合速度是-40 dB/十倍頻程，擬在反饋回路中引入電容元件Cf，構造出β1曲線的極點，從而使β1曲線上平行于x軸的部分與[Aol]相交。為了找到Cf的最合理取值，在仿真過程中開啟了參數掃描功能。當設定的Cf取值分別是10 nF、100 nF、1 μF、2 μF和10 μF時，仿真得到的[Aol]與β1曲線如圖6所示。在圖6中，當補償電容取值為1 μF、2 μF和10 μF時，[Aol]與β1曲線的平坦部分交叉，此時兩條曲線的閉合速度為-20 dB/十倍頻程，可以避免自激振蕩。雖然電容取值越大，β1曲線的平坦部分延伸越遠，但是交叉點位置并未發生明顯變化。另一方面，考慮到Cf電容取值過大勢必影響電路響應帶寬，因此將最佳的補償電容值確定為1 μF。

在圖7所示的補償后的瞬態特性仿真波形中，能夠更為直觀地觀察到補償電容對電路瞬態特性的改善。與圖5相比，發現采樣電阻上的電壓Vout已無振蕩波形，僅存在少量過沖。圖7與圖6的仿真結果互相印證，表明這種電路補償方法是可行的，補償元器件取值是合理的。

1.3 "驅動器功能與使用

在使用軟件仿真分析壓控電流源電路理論可行性的基礎上，引入STM32H743微控制器和TFT液晶顯示屏，構成如圖8所示的數字化激光器驅動器。該驅動器包括母板、驅動板、核心板以及觸摸屏四部分。核心板產生的電壓基準信號由母板送入驅動板，進而控制驅動板輸出相應的驅動電流。核心板經過FFC柔性扁平線連接觸摸屏。除了激光器夾具座和電源接口，驅動板上還擴展了溫度采集、溫度控制等接口。母板的引入增加了設計靈活性，使得調制信號既可利用核心板產生，也可通過母板的接口從外部引入。上電之后，激光器驅動器的顯示界面包括：波形監測窗口、用于調整輸出電流直流偏置和幅值的滑塊、波形選擇按鈕以及設置頻率的小鍵盤區。長按顯示界面左上方齒輪可完成屏幕截屏（存儲于核心板的板載FLASH），點擊右側箭頭可以使所有參數恢復默認值。當所有參數設置完畢后，點擊“Output”即可啟動激光器驅動器工作。

2 "實驗結果

2.1 "DFB激光器電調制實驗

選取DFB半導體激光器作為測試對象，對其電調制系數進行測定。該激光器在溫度296 K、驅動電流25 mA的工作條件下，中心波數為6 046.8 cm-1。測定過程中嚴格控制激光器的工作溫度，使其穩定于296 K。在20～100 mA范圍內以20 mA為步進量逐漸增加驅動電流，得到的激光器發射光譜如圖9所示。接下來以驅動電流為自變量，以發射光譜的峰位置為因變量做線性回歸分析。結果表明，此測試條件下該激光器的電流?波長調制系數為0.045 cm-1/mA，與廠家所提供的原始數據較為接近。

2.2 "光譜吸收式氣體傳感實驗

將激光器（Mitsubishi公司，FU?68PDF?V510）及自制驅動器置于TDLAS?WMS系統，如圖10所示。

驅動器發出有偏置的1 Hz三角波，使激光波長掃過甲烷2v3泛頻帶R（3）吸收線。同時，激射波長還被鎖相放大器（Signal Recovery公司，Model 7265）以1 kH正弦調制，從而構造氣體吸收的諧波。采用溫控器（ILX公司，Model LDT?5900C）粗調激光中心波長，使其接近譜線峰位值。氣體吸收后的出射光被光電探測器（Judson公司，J22?18I?R01M）和跨阻放大電路轉為電壓信號，再利用鎖相放大器提取有關氣體濃度的諧波。16位分辨率數據采集卡（NI公司，USB 6002）將輸出的諧波采集到PC端，經過非線性擬合獲得峰值和噪聲信號標準差（1 s），二者比值即系統信噪比（RSN）。實驗結果表明，與N2混合的CH4濃度為100 ppm時，二次諧波峰值為50.25 mV，擬合標準差為3.75 mV，此時RSN為13.3。據此推得理論檢測下限為[100 ppm13.3]，略低于8 ppm。

3 "結 "論

本文系統地闡述了以STM32H743處理器為核心且通過圖形用戶界面操控的數字化激光器驅動器設計。盡管現有研究中已經提出了一些類似的電路，但大多數工作都集中在應用環節，鮮有針對電路穩定性的深入探究。文中立足于運算放大器的工作原理，在TINA?SPICE平臺進行幅頻特性和瞬態響應仿真，分析了激光驅動電路的穩定性。

仿真得到的環路增益和采樣電阻輸出電位曲線直觀地揭示了潛在的振蕩風險。在此基礎上提出了于功率器件基極和發射極之間引入電容的補償方法，并利用TINA?SPICE的參數掃描功能來確定補償電容的合理取值。為了驗證設計效果，使用此激光器驅動器與光源等組件配合，開展了激光器電調制和光譜吸收式氣體傳感實驗。

實驗測得的電調制參數接近廠家所給數值，氣體傳感系統檢測下限達到了預期效果。基于實驗檢驗可知，該方案合理且易實現，具有一定指導意義。

注：本文通訊作者為叢夢龍。

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