摘 要：功率穩(wěn)定可調(diào)的激光二極管（LD）在精密光電檢測和光纖通信系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。介紹了一種單片機(jī)控制激光二極管輸出功率的方法，針對(duì)SANYO 30mW紅光LD設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)電路，其驅(qū)動(dòng)電流在0～100mA之間可調(diào)，zui小可調(diào)量<0.01mA。單片機(jī)內(nèi)對(duì)監(jiān)測電流偏差進(jìn)行了PID調(diào)節(jié)運(yùn)行，使激光二極管輸出功率穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：功率穩(wěn)定可調(diào)激光二極管 單片機(jī) 驅(qū)動(dòng)電路 PID調(diào)節(jié) 

在精密光電檢測領(lǐng)域中，光源的微小波動(dòng)會(huì)引起被測量的較大偏移，從而產(chǎn)生較大的測量誤差。如在半導(dǎo)體薄膜特性檢測中，常常需要檢測薄膜反射比以求解出其它光電學(xué)參量。由于薄膜增長的緩慢（0.1mm級(jí)/秒），反射比變化非常小，在這種情況下，對(duì)于光源穩(wěn)定性的要求非常高，達(dá)到0.1%。穩(wěn)定光源在光纖測量中像電子電路測試時(shí)用振蕩器作為信號(hào)源一樣，要求發(fā)出高穩(wěn)定、光功率可調(diào)的光信號(hào)。穩(wěn)定光源是急待開發(fā)的光纖系統(tǒng)測試儀器中的一種重要的基礎(chǔ)設(shè)備。 

國內(nèi)一些學(xué)者對(duì)穩(wěn)定激光光源作了一些研究。有的設(shè)計(jì)方法使激光器注入電流穩(wěn)定，并配合使用溫控電路。這種方法雖然對(duì)穩(wěn)定性有一定提高，但對(duì)其它影響因素缺乏考慮，不是一種閉環(huán)的控制系統(tǒng)。有的對(duì)光功率的調(diào)節(jié)只使用模擬的積分調(diào)節(jié)，由于積分控制對(duì)穩(wěn)態(tài)誤差的消除作用是靠對(duì)誤差的積累產(chǎn)生的，故反映不靈敏，且會(huì)使系統(tǒng)穩(wěn)定裕量下降，超調(diào)增大，一般不單獨(dú)使用。這種方法的共同步是模擬調(diào)節(jié)。本文設(shè)計(jì)一種對(duì)輸出光功率進(jìn)行閉環(huán)數(shù)字PID調(diào)節(jié)的激光二極管（LD）驅(qū)動(dòng)電路。該電路使用高精度14位A/D、D/A轉(zhuǎn)換器，理論上對(duì)光功率的0.01%變化均可調(diào)節(jié)，且驅(qū)動(dòng)電流zui小節(jié)量<0.01mA，同時(shí)可設(shè)置初始驅(qū)動(dòng)電流（光功率）。

1 激光二極管封裝及參數(shù) 

常見激光二極管封裝有兩種形式：共陽極與共陰極型（圖1(a)所示）。LD和監(jiān)測激光器背向輸出光功率的PIN光電二極管封裝在一起。這里，LD采用SANYO655nm紅光激光二極管，封裝形式為共陽極（LD的正極與PD（光電二極管）的負(fù)極連接在一起）。LDzui大輸出光功率為30mW，閾值電流為40mA(25℃),工作電流量大為110mA。PD的監(jiān)測電流Im與激光器的輸出功率P0在溫度不變的情況下成線性關(guān)系（圖1（b）所示），這為后面控制電路的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。 

2 電路原理 

光電二極管的監(jiān)測電流經(jīng)差分放大后變成一個(gè)電壓量，經(jīng)高精度A/D轉(zhuǎn)換器采樣量化后送入單片機(jī)，與單片機(jī)內(nèi)監(jiān)測電壓參考值（在設(shè)定功率條件下，監(jiān)測電流經(jīng)差分放大后變成的電壓量的數(shù)字表示）之間作差，產(chǎn)生電壓偏差信號(hào)；再對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行PID運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換及電壓-電流（V-I）變換后，成為LD的驅(qū)動(dòng)電路。PID調(diào)節(jié)是為了使激光二極管輸出功率穩(wěn)定。這種單片機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

3 電路模塊選型及計(jì)算 

3．1 差分放大模塊 

由圖1（b）可見，監(jiān)測電流很小，尤其當(dāng)激光器輸出功率<10mW時(shí)。如果把監(jiān)測電流通過一電阻接入放大器，則由于放大器的輸入阻抗太小以及電阻的溫漂問題，使放大器的輸入電壓受溫度影響非常大，從而導(dǎo)致A/D轉(zhuǎn)換器的輸入不準(zhǔn)確。因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)該消除或減小環(huán)境溫度對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器輸入的影響。設(shè)計(jì)中使監(jiān)測電流與參考電流通過一個(gè)由四個(gè)阻值及溫度系數(shù)相等的高精度電阻組成的電橋電路，這樣溫度的影響會(huì)在相減中減小。放大器采用TI公司的高輸入阻抗精密差分放大器INA114，其原理圖如圖3所示。 

其中，參考電流Iref可由另一INA114和OPA602得到。放大器的輸出電壓可由下式計(jì)算： 

V0=(Iref-Im) ×R×(1+50k/Rg) (1) 

3．2 模/數(shù)及數(shù)/模轉(zhuǎn)換器 

A/D轉(zhuǎn)換器選用美信公司的MAX1062，D/A轉(zhuǎn)換器選用模擬器件公司的AD5551，它們都是14位的串行轉(zhuǎn)換器，適合于對(duì)速度要求不是很高的場合。轉(zhuǎn)換器的片選信號(hào)、時(shí)鐘線及數(shù)據(jù)線直接同單片機(jī)的用戶口P1相連。轉(zhuǎn)換器的位數(shù)決定了檢測控制電路的分辨率。14位轉(zhuǎn)換器可把4.096V量程的電壓量化成2 14份，所以調(diào)整差分放大器的增益使其輸出電壓zui大值達(dá)到A/D轉(zhuǎn)換器的滿量程電壓，則理論上對(duì)于光功率變化1/12 14均可檢測到，即該驅(qū)動(dòng)電路可以檢測到<0.01%的激光器光功率變化，進(jìn)而可在單片機(jī)中進(jìn)行調(diào)節(jié)。同樣設(shè)D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓經(jīng)V-I變化后的滿量程電流為150mA，則驅(qū)動(dòng)電流的zui小可調(diào)節(jié)量為150/2 14=0.01mA。