半导体激光源脉冲电路的设计

2019-01-14张涛

通信电源技术 2019年4期

张涛

（中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南郑州 450018）

0 引言

随着科学技术的不断发展，半导体激光源广泛应用于较多领域，如倒车雷达、二维码识别器、机器人应用、光学传感器、光网络通信技术及测距仪等。自激光发明以来，光学的应用发生了巨大变化，出现了许多传统光学无法实现的新应用和新技术[1]。激光可作为是高强度的光源，能形成极大的能量聚集，可切割最硬的东西，如钻石。激光还可用于汽车制造，如倒车雷达。对于医学领域，激光可被用作外科手术刀，用于切割血管、缝合血管以及做视网膜手术等。对于天文领域，激光可用于测量星体的大小等。本文重点论述了光网络通信技术中的——半导体激光源脉冲电路设计。光网络通信结合光学和电子学，以半导体激光器为光源、光波为信息载体的光通信技术。该技术开创了通信领域的新时代，已成为有线信道最重要的通信方式。目前，激光的应用还处于发展阶段。不断拓展新的应用领域、研制新的激光光源及提高和改善激光的性能，是光学、电子学及信息学等领域的学者和设计人员面临的新挑战。半导体激光源作为光纤网络通信技术的发射源通过波长通道直接进行联网同步数据和发送文件等。半导体激光器波长覆盖范围一般在800 nm～1.65 μm。半导体激光器易于光纤耦合，易于进行高速电流调制，被广泛应用于光纤网络通信。本文具体介绍了半导体激光源电路的基础知识，详细地阐述了半导体激光源电路的应用价值，以期为相关人员提供参考。

1 总体设计思路

半导体激光源脉冲电路的原理是通过频率输出电路进行可选择性的多频段（1 Hz、5 Hz、10 Hz、30 Hz及50 Hz）方波信号输出，经过脉冲整形集成电路调制出需要的驱动波形，经过驱动管的电流放大，输出适合半导体驱动的电流，结合半导体形成激光辐射。激光是由半导体发射出激光辐射，辐射源通过优化光学透镜组合对半导体激光分散光束进行平行光路校准，最后得到的良好相干光——激光。半导体激光器的工作原理是通过电注入进行激励，在半导体物质的能带之间或能带与杂质能级之间，通过激发非平衡载流子而实现粒子数反转，从而产生光的受激辐射放大。本文中主要阐述了半导体激光源的驱动脉冲电路设计方案，更加突出了科学性和通俗性，同时列举了五五五集成电路比较器在半导体激光源中的应用实例。

2 半导体激光源脉冲电路基础知识

电子技术应用中，脉冲电路是通过专业的设计理念来产生电脉冲信号，并对电脉冲信号进行变换、整形及放大的电路。例如，家中的日用电器、电子开关、警车报警器、定时器、电子医疗器械、电子钟表以及儿童电子玩具等都涉及到了脉冲电路。脉冲电路输出波形有各种各样的状态，如阶梯形脉冲、尖顶形脉冲、锯齿形脉冲、矩形（方波）脉冲、三角形脉冲及钟形脉冲。其中，最具有代表性的是矩形脉冲。一个矩形（方波）脉冲的特性可用脉冲幅度、脉冲波形周期、频率、脉冲前沿、脉冲后沿及脉冲宽度来表示[2]。脉冲信号的产生是一个按设定的电压幅度，在一定时间间隔发出的脉冲连续信号。脉冲信号之间的时间间隔称为脉冲周期；而在单位时间（如50 ms）内所产生的脉冲个数称为频率。频率是描述周期性循环信号（包括脉冲信号在内）在单位时间内所出现的脉冲数量多少的计量名称，标准计量单位是Hz（赫）。五五五集成电路比较器就是一个典型的频率脉冲信号发生器，产生的波形相当精确、稳定。频率在数学表达式中用“f”表示，频率时间的长短就是脉冲频率的高低。

3 关键器件选择

五五五集成电路比较器诞生于20世纪70年代初，是将数字电路和模拟电路集合成一体的电子集成元器件，既有模拟电路的特点，又有数字电路的特点。它能以简单的方式和数字集成电路直接连接，中间不需要转换，为其广泛使用提供了极大的方便。该器件最初是为定时而设计制造的，随着开发的深入，发现其具备较多独特优点，因此应用范围逐渐扩大。目前，该电路不仅应用于电子领域，而且广泛应用于工农业生产、科研、仪表、测量、控制、家用电器及防火防盗等领域。五五五集成电路比较器使用方便，带载能力较强，灵敏度较高，设计理念简单易懂。NE五五五集成电路比较器的工作温度范围为0～70 ℃，军用级SE五五五集成电路比较器的工作温度范围为-55～+125 ℃，高可靠性的金属灌试8腿T型封装。8个引腿定义具体如下。1腿为GND，即电源接地或低电平0 V，一般设计为公共接地。2腿为TRIG，即触发、启动循环波形时间周期，触发信号上升沿电压必须大于2/3Vcc下沿电压必须低于1/3Vcc。3腿为OUT，五五五集成电路比较器被触发的时间周期里，该腿输出电平小于电源电压，波形周期完毕后，电平回复到0 V。4腿为REST，即低电平复位腿，当该腿为低电平时会重置时钟同时使输出回复到低电位。该腿通常忽略不用或被接到正电源。5腿为CTRL在单稳态或震荡的模式下，该腿可用作调试输出频率。6腿为THR，閥值大于2/3Vcc，输出为低态。7腿为DIS，当输出为高电平时，对地为高阻抗；当输出为低电平时，对地为低阻抗。8腿为Vcc，接电源的正极。五五五集成电路比较器的基本功能原理：（1）当2腿和6腿的输入电压Vi从高于2/3VDD向1/3VDD～2/3VDD减小时，输出端电压V0保持低电平0不变；（2）当2腿和6腿输入电压Vi由2/3VDD下降至略低于2/3VDD时，输出端电压V0由低电平0变为高电平1；（3）当2腿和6腿输入电压Vi由1/3VDD下降至0 V时，输出端电压V0保持高电平1不变。（4）当输入电压Vi由0 V上升时，在0～2/3VDD范围时，输入电压V0保持高电平1不变。当Vi大于2/3VDD时，电路翻转，输出电压V0由高电平1变为低电平0；（5）当输入电压Vi由0 V上升时，电路翻转电压为1/3VDD。输入电压Vi（由高于2/3VDD电压）下降时，电路的翻转电压为2/3VDD。使电路发生翻转的两个电压是不同的，这是由于五五五集成电路具有施密特电路特性。

4 电路设计

五五五集成电路比较器的工作特点是通过电容、电阻简单的调试，即可达到震荡作用，且输入电源范围广，输出电流大，很适合作为半导体激光源脉冲信号发生器。因此，设计中，可把五五五集成电路比较器设计为多谐震荡电路。方波振荡器实际上是一种脉冲占空比为50%的多谐振荡器。基本电路分析中，多谐振荡器既能满足频率可调而又能使占空比始终稳定为50%。从原理分析，占空比始终等于50%的多谐震荡器，它的电容充放电回路的电阻应当完全相等。例如，多谐震荡器的充电电阻和放电电阻均为可调电阻器，同时担负调节震荡频率的作用。该电路的工作过程分析具体如下。（1）当外接电容充电时，电源通过电阻使晶体管的基极得到偏置电压，晶体管导通饱和，电源通过晶体管、可调电阻向电容充电。此时二极管因处于反向偏置而截至。（2）当外接电容充电达到2/3VDD时，二极管进入正向偏置而导通，电容开始放电放电回路为电容→可调电阻→二极管→第7腿。此时电容的充、放电均通过同一个可调电阻进行，做到了严格相等。此外，充电回路中有晶体管的导通电阻，放电回路中有二极管的导通电阻，两者阻值基本相等，不会影响电容的充放电。电路中的电阻只作为晶体管的偏置电阻，与电容的充放电无关。电路的振荡频率可由公式：f=1/0.693（2倍的可调电阻RP）×电容C计算。通过分析可知，调节可调电阻RP可改变振荡电路的振荡频率，但不会影响输出脉冲的占空比。然后通过MXT429脉冲整形集成电路把输入的方波电平信号转换成负正（发光二极管脉冲驱动信号触发IRF3205PBF（MOSFET）导通，进而产生高压脉冲信号，经过发光二极管SFH4850将电能转换为光能，产生光信号。MXT429脉冲整形集成电路各腿定义为：1腿VDD；2腿IN；3腿NC；4腿GND；5腿GND；6腿OUT；7腿OUT；8腿VDD。