低噪声,低纹波半导体激光器电源的设计与实现.docx

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1、低噪声、低纹波半导体激光器电源的设计与实现信息科学技术学院电子学系99级谭跃摘要(Abstract)在频率标准技术领域，随着半导体激光的广泛运用，激光频率标准成为种更为新兴、更为先进的频率度属尺度。简洁来说，就是将激光频率锁定在某一个稳定值(例如，一条原子谱线上)，这对激光器本身的稔定性提出了很高的要求。作为激光解本身，其稳定性确定于两个方面：温度限制和注入电流。对激光器精密的限制操作要求这时两个因素具仃较强的可控性。那么，供应个特殊的激光其电潦源是我们工作的第一个要点。同时，激光器中的温度限制和电流限制都须要低温波和低噪声的线性电压源作为能源骑.动。事实上,有相当多的可用的电压源已经实现并满

2、足这些指标要求。同时，我们发觉，激光器的秘定性更取决于后皴的电流限制器。但是，在这些要求上，仍有改进的余地“丁此，在这篇文章中，笔者同时描述/由笔者设计并实现的这一种新型电源。在卜文中所描述的，正是笔者所设计的，并获得胜利的电路系统。关1队电源电压电流高速精密校正Abstract:Intheareaofthetechno1.ogyoffrequencysca1.e,semiconductordiode1.aserhasrecent1.ybeconeusefu1.too1.s.Itsanewandadvancedtechno1.ogytousethe1.asertobethefrequencys

3、ca1.e.To1.ockIhC1.aseronso11wfixedva1.ue(c.g.,nearanatomicresonance1.ine),wcneedthehigh-stabi1.ization1.aser.Sincethe1.aserfrequencyandoutputpowerdependonboththediodejunctionIemPeraIUreandinjectioncurrent,stab1.e1.aseroperationrequiresthathesequantitiesbeprecise1.yregu1.ated.Then,tocomp1.eteaspecia1

4、.currentcontro1.1.erforthediode1.asersisthefirstpointofourjob.Bothofthetemperaturecontro1.1.erandthecucntcontro1.1.errequirethewee-ripp1.eand1.ow-noisevo1.tagepower.Toachievethenecessaryweeripp1.eand1.ownoise,anumberofConunercia1.vo1.tagepowerdevicesareavai1.ab1.e.Andwefindthattheperformance1.imitis

5、usua1.1.yre1.atedtotheIa1.tcrcontro1.1.cr.Howeverwithregardtovo1.tagepower,wcfoundrmforimprovement.Inthisartic1.e,wcaswe1.1.describeanewpowerwhichisansweredourneeds.Weveachievedsatisfactoryperfo11nancewiththecircuitsystemdescribedinthefo1.1.owing.Keywords:PowerSupp1.yVo1.tageCurrentHighspeedSensitiv

6、eRegu1.ate一、引言一、介绍作为一种很好的可调、单色激光源，随着其理论的成熟和制造工艺水平的提高，半导体激光器日益成为科学探讨领域中的一项强有力的工具。在实际运用中，对激光器的稳定性要求有两类：第一类是光通讯、激光光谱试验等，对频率槎定性要求不高，我们称之为稳频激光器；其次类是精密长度计量和原子、分子超精细能级跃迁等精密测量，这类运用须要测至12位有效数字，精度为10、m“通过选择一些具有很高稔定性的谱线精密测出其肯定值，然后运用规定条件，如原子、分子气室的气压、温度、泉浦光的光强、形态等条件，并将激光频率领于其上，这种具有确定频率值，不确定性可达IO？的稳频激光罂我们称之为激光频率标

7、准(简称为光嫉标)。北京高校电子学系光电子技术试验室从事激光频率标准的探讨与实现，我所制作的电源系统，协作温控、海压线性放大器以及锁相环三次微分电路构成激光频标的主要电路系统。二、半导体激光二皴管的性演时注入式半导体激光器，但流经PN结的注入电流超过阈值，型和型材料覆盖层之间的有源区我流子形成反转分布，即导带中拥有电子，而且对应的价带中则流有空穴，到带中的电子向卜跃迁至能量低的价带,而发牛.电子和空穴的红合，发生受激辎射,产生光了，由于谐振腔的反馈作用，使其产生激光。这便是半导体激光器的基本工作原理“从结构上看，半导体激光器与其他类型的激光器一样,可以看作由工作物质、光谐振腔和供应能量使得粒子

8、数发生反转的泵组成。本试验主要运用的是光频标常用的GaAs-GaAIAs双异质激光器.此种激光器利用半导体晶体的解理面作为反射饯构成谐振腔，靠注入的我流子供应能量，实现电子与空穴的豆合，产生受激放射的光子。从原理上来讲，在工作物侦肯定的状况下，半导体激光器输出的激光领率应当由谐振腔长度和激励源的强度有关，换句话说，半导体激光器的输出频率取决于：PN结的温度和注入电流的大小。如下图(2.1)所示,可以看出温度和电潦对输出的影响：另外，由于半导体PN结相当脆弱，稍有电流冲击就会造成损害.所以在详细运用半导体激光涔时，我们对其供电电路和调制电路的赛求相当严格。同时要求电源的秘定性和转换速度能够达到肯

9、定的水平，由此.我们下步就可以得出该电路系统设计耍求.三、半导体激光电源设计指标通过以上对半导体激光器的介绍和分析，可以看出，其性能受到电源的干脆影响。因此，我们希望，电流源越精密、越稳定越好。而由于温控电路的制冷/制热功率放大器的须要，我们的电压源输出功率越打越好、电位纹波越小越好。另外一方面，由于成本核算以及可实现性上的考虑，我们不行能提出一个科幻般的指标，要兼顾需求与成本。由此，定下如下的指标和实现功能：电压源电压输出10V15V:-IOV-15V（双路对称）纹波:0.1mV输出最大功率：=50W,单路输出电流大于2.0A具有自爱护功能，防止损宙。电流源可调范用：0-30OnIA电流长期

10、稳定度:ImAZDay电流纹波及噪声：1.uA考虑到,激光频率的调整，本设计还包括f调制信号的输入接口，让电流可以被其他电路限制，以实现负反馈自适应系统。二、基本设计方案一、电国旗由于电能要求的问题，我们无法通过电池来实现。依据传统设置，有两种选择方案：是开关电源，另一种是线性电源。由丁开关电源的调整器件是工作在饱和区或者是截至区，所以调整器件的功耗比较小，效率较高。但是由于开关电源工作的原理，要抑制纹波就要运用很大的电感，所以我们不能实现较小体枳同时又达到低触波的效果。而由于本设计所谓的“大功率”事实上只是中小功率，所以，并不非常在乎电源的效率。而为了实现对精度、稳定度的要求，所以我们设计方

11、案选择线性电源。其调整冷件工作于线性区，通过吊联负反馈实现对纹波的抑制。为了实现精度和稳定度的要求，设计J两级调整模块，前一,级运用稔压芯片，通过扩流，输送到后一级调整模块，再调整，实现抑制触波和降低噪声的要求.以卜是设计方案的基本框图：ri基准取样电网滤波市电通过电网滤波涔（防止由于异样状况而产生.的各种高压状况,例如宙击）进入变压罂，降至21V（峰值），经过整流滤波后通过由稳压集成块与犷流电路组成的一级调整电路：之后，通过后级的串联一取样一反馈一调整，最终输出.二、电流源与供电的电压源一样，这部分的电路也是采纳串联负反馈调整电路来实现恒定电流。只不过取样方式是电流取样。缘由也是为了保证精度

12、。考虑到激光器的爱护，须耍运用慢启动电路.使得电流输出再起先时不至较大，半导体顺当过渡到正常工作区。另外，由于避开干扰的缘由，该电路哲且不宜设计为数控或者机控，这样会带来很大的噪声。下图为其基本设计框图：三、详细方案的理论分析和设计一、串联负反馈的原理分析一PID（比例一积分一微分）RM在整个系统中，利用设计适当的反馈节达到输出信号与我们的基准信号有非常稔定和快速的跟踪的效果，是设计的主要部分和关键环节.(一)也:分析：从上面的分析我们可以看出：我们的两个系统事实上是同一种设计方法的两种实现两个系统事实上都可以简化为卜图所示的一种校正方法，即使得输出信号按肯定的比例跟踪基准信号，并且在跟踪的过

13、程中保持稳定和灵敏变更。y(t)Y(三)注IXs可机为基准.信号Y(三)则为输出信号那么，我们的工作事实上就是构造适当的传输系数H(三)使得输入信号与输出信号满足下面的要求：1 .首先我们应当创建一个稳定的系统，防止任何由系统的传输函数非稳定而导致的错误，其次才谈得上改善系统的性能定义误差信号：(0HXO-XOI明显，为了达到消退纹波和噪声的基本要求，要求随时间增长而减小到0,即：Iimea)=O这个定义说明白系统的有效性;2 .定义跟踪速度匕:设误差信号减至初始误差的孝时所用的时间为误差衰诚时间参数八则有:,=该定义说明白系统的灵敬度，那么作为我们的反饿系统来说，假如不考虑其他因素，为了达到

14、更好的抑制纹波和噪声信号，我们须要q越大越好：当然，由于该值非常难于定性计算，我们在下面的探讨中并不详细计算该值，只是直观的推断该值的大小。(二)、三*a反馈网络的基本传输函数为：1+/()A71.,(.y)其中的，为校正方式、”（.，）为基本线性跟踪函数。由于，,式S）并非设计要点（有时甚至只是一个单独的、具仃通频带的线性潜件,为了达到上面我们所探讨出的要求.主要须要设计（三）部分,以下是校正方式的般理论：a）超前校正下图所示为RC超前网络。其传递函数为:Hd一卢一或者简化为:3+4s+b其幅频和相频特性见下:给原系统串入超前校正，一方面，由于正斜率的作用，使得截止频率提商：另一方面，在截止

15、频率旁边引入了正相移，使具有较大的稳定裕度。这样既改善了稔定性，乂使得系统的被止频率提高。在我们的系统中，为了达到对裔频噪声更好的监视，提高系统稳定性，超前校正是非常有效的。当然，一般运用的时候，处于负载效应和增益损失的角度考虐，般采纳有源超前校正。但是，超前校正很难变更系统的低频特性。这须要另外的校正方式滞后校正。b）滞后校正下图所示为Re超前网络。其传递函数为:、RCs+1H3=fF区逐gCs+1.R2或者简化为:H(三)=Is+“s+b网络的频率特性曲线如下图所示:正如上面所述的关于超前网络的描述，该网络可以看作超前网络的“逆网络”。方面，由于幅嫉负斜率的作用，显著她小了频宽，以牺牲系统的快速性来换取稔定性.另一方面，虽然从相频曲线看，校正带来r负位移，但是由丁作用处于频率较低的部位，不会给系统稳定裕量带来很大的膨响。另外，串联滞后校正并没有变更原系统最低须段的特性，故对系统的稳态精度不起破坏性作用。相反，往往还允许适当提高开环增益，进步改善系统的稳态精度。C）滞后一超前校正通常，我们在系统设计中同时须要引入上述的两种校正方式，作用于不同的嫉率部分，全面提高系统的限制性能。由于该网络是上述两种网络