第６期 ２０１１年１２月 ＩｉＩ雹；舛譬善Ｉｆ宪限学帜
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ＣＡＥＩＴ Ｖ０１．６ Ｎｏ．６ Ｄｅｅ．２０ｌ１
半导体激光器驱动电路设计
赵忠伟，吴广业，张玉钧，沈超
（脉冲功率激光技术国家重点实验室电子工程学院，合肥２３００３７）
摘 要：为了提高半导体激光器（ＬＤ）的使用寿命，确保激光器发射信号的质量，设计了一款高性 能、低成本的激光驱动电路，包含慢启动电路、恒流电路和保护电路三部分。在ＴＩＮＡ环境下进行
模拟，结果显示该驱动电路满足设计需求，对类似电路设计有很好的借鉴作用。
关键词：驱动电路；半导体激光器；慢启动电路 中图分类号：ＴＮ２４８．４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３－５６９２（２０１１）０６－６５７４３４
Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｄｒｉｖｉｎｇ Ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ＬＤ
ＺＨＡＯ Ｚｈｏｎｇ—ｗｅｉ，ＷＵ Ｇｕａｎｇ—ｙｅ，ＺＨＡＮＧ Ｙｕ－ｊｕｎ，ＳＨＥＮ Ｃｈａｏ
（Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｐｕｌｓｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｌａｓｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｈｅｉｆｅｉ ２３００３７，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｕｓｉｎｇ ｌｉｆｅ ｏｆ ＬＤ ａｎｄ ｍａｋｅ ｓｕｒｅ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ，ａ ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｌｏｗ—ｃｏｓｔ ｄｒｉｖｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ｓｌｏｗ ｔｕｒｎ－ｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ
ａｎｄ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ．Ｔｈｅ ｄｒｉｖｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｕｎｄｅｒ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｏｆ
ＴＩＮＡ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｏｆｆｅｒ ｓｏｍｅ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｒｅｆｅｒ— ｅｎｃｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｒｅａ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｒｉｖｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ；ＬＤ；ｓｌｏｗ ｔｕｒｎ－ｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ
０ 引 言
随着半导体激光器（ＬＤ）的性能提高和价格下
降，其越来越广泛应用于激光通信、激光测距、激光 制导和激光引信等军事领域中 Ｊ。由于本身是一
种高功率密度并具有极高量子效率的结型器件，ＬＤ
对于电流冲击的承受能力较差，电流微小的变化将 导致光输出的极大变化和器件参数的变化，这些变
化直接危及器件的安全使用，因而在实际应用中对 驱动电源的性能和安全保护有着很高的要求 』。
为了保证激光器稳定工作、性能可靠和使用寿命长，
设计出具有抗干扰能力强、恒流稳定和过流保护等 特性的驱动电路尤为必要 。
收稿日期：２０１１－０３－０５ 修订日期：２０１１．１１－０９ 半导体激光器选择
设计中半导体激光器选用武汉电信器件有限公 司生产的一款高性能单模半导体激光器ＬＤＭ３Ｓ５０４， 该型激光器的最大正向电流是１００ ｍＡ，最大的反向
电流是２ ｍＡ，正常工作电压是１．６ Ｖ，最大的反向电 压是２ Ｖ，波长范围１ ２８０ ｎｍ一１ ３３０ ｎｍ，中心波长
是１ ３１０ ｎｍ；光谱宽度为５ ｎｍ；上升时间是０．５ ｎｓ， 带宽ＢＷ超过８００ ＭＨｚ。激光器的工作温度范围是
２０ｃ（＝一７０℃，常温下具有稳定的光功率输出。 在２５℃的标准温度下，该型激光器的阈值电流为
２５ ｍＡ，串联电阻是１０ Ｑ，光学输出功率的最小值为
０．１ ｍＷ，最大值为２ ｍｗ；当工作温度超过７０℃时， 阈值电流升高到４０ ｍＡ。根据该激光器的指标和参
数，为了保证最大的信噪比，提高抗干扰能力，
设计
万方数据６５８ 中－ｉｌ像； 誊嗣ｆ宪ｉ宪碍奴 ２０１１年第６期
激光器的恒流为６０ ｍＡ，调制电流为±２０ ｍＡ，工作 电压１．７ Ｖ。
２驱动电路设计
驱动电路一般由慢启动电路、恒流电路和保护 电路组成 ］。
２．１慢启动电路
在实际应用中，半导体激光器往往会因为接在
同一电网上的多种电器的突然开启或关闭而受到损 坏，这主要是由于开关的闭合和开启的瞬间会产生 个很大的冲击电流，该电流足以致使半导体激光
器损坏，必须避免。为此，驱动电源的输入应该设计 成慢启动电路而非单纯的延迟电路，电路原理图如
图１所示。Ｊｌ接１２ Ｖ电源，滤波后经三端集成稳压
器ｕ１（ＬＭ７８０６）转变为６ Ｖ电压输出，通过电阻Ｒ１ 给大容量电容ｃ５充电，电容Ｃ５连接在功率管Ｑ１
的控制极，电容两端的电压慢慢上升，使得功率管的
状态由截止缓慢变化，当电容充满电时，功率管处于 导通状态，由电压输出端给调制电路、恒流保护电路
及半导体激光器供电。
图１慢启动电路原理图
２．２恒流电路
为了确保半导体激光器的安全和输出信号的稳 电路供电。 定，对流过激光器的电流要求非常严格，供电电路必
图２恒流稳压电路原理图
该恒流源由运放Ｕ３Ｂ和三极管Ｑ３、Ｑ４进行电
流放大，反馈电阻Ｒ８接在Ｑ４发射极端，对电流进
行取样，反馈电压通过Ｕ３Ａ组成的同相比例放大器
放大后送人Ｕ３Ｂ的负输入端，构成电流负反馈电
路，使输出电流向相反方向调节，达到输出恒流的目 的。Ｑ３、Ｑ４可看成达林顿管作为调整管，半导体激
光器作为负载串联在达林顿管的集电极，通过控制
达林顿管的基极实现对激光器电流的控制。Ｊ３输
入的激光调制信号经过电容ｃ９耦合至Ｕ３Ｂ的负输 入端，与产生的恒流叠加形成激光器的驱动电流，调
制激光器的输出光信号。
２．３保护电路
虽然慢启动电路消除了高频冲击电流的危害， 但不能有效地防止直流或低频电流超载对半导体激
光器的危害，因此，应当设立超载保护电路，一般可
采用限流式保护电路。若长时间工作于短路的情况 下，过热仍然会导致调整管的损坏，
此时可以采取截
万方数据２０１１年第６期 赵忠伟等：半导体激光器驱动电路设计 ６５９
流式保护电路。过电压保护的精度主要取决于稳压
二极管，而其工作点是随流经稳压管的电流和环境
温度变化的，因此，设计上采用稳定电压的温漂非常 小的稳压管ＴＬ４３１，电压稳定为２．５ Ｖ，调节电位器
可以改变Ｆ点的电压值，如图２所示。
３电路分析及仿真
在慢启动电路中，慢启动时间与电阻Ｒ１和充
电电容Ｃ５有关，取Ｒ１为１０ ｋＱ，Ｃ５为１００ ＩｘＦ，在 Ｍｕｌｓｉｔｉｍ环境下对慢启动电路进行仿真，得到输入
和输出电源信号的时序图，如图３所示，从图中可
知，从接入１２ Ｖ电源开始到电压输出端输出最大电 压为４．９７８ Ｖ时，所用时间为９９８ ｍｓ，近１ Ｓ的慢启
动时间，能够很好的消除系统随意开关造成的电流 突变对激光器的损害。
／ 一一
～ Ｔ ｉｍｅ Ｃ ｈａ ｎｎｅ’
疆骏ｊ酒
图３慢启动电路仿真图 对图２中的电路进行直流分析时，为减小电路
分析的难度，二极管、三极管和稳压管均视为理想状 态，电阻Ｒ１１、Ｒ１２上的分压近似为零，三极管Ｑ３、
Ｑ４可以当作达林顿管，总的／３值约为１．５×１０ ，ＢＤ 点间的电压差约为１．４ Ｖ，各节点基尔霍夫方程为
（１＋ Ｒ７ １／一 · －（２
（芦＋１）厶 卢 Ｒ （１） ＩｂＲｌ１ Ｏ
ｌ ｃ＝８ｌ ｂ—ｏ．０６
１．４ 按图中组件参数代人，即令Ｒ ＝Ｒ 。＝Ｒ ＝
１／ＣＯ，Ｒ８：１００，则有
＝２ 一
（／３＋Ｉ）厶Ｒ８
０．６ 一１．３ （２）
，ｃ－－￣／ｂ一０．０６
Ｄ １．４
因此，调节可变电阻器使Ｆ点电压约为１．３ Ｖ， 即可满足Ｉｃ＝６０ ｍＡ， ＝３．３ Ｖ的恒流恒压需求，在
Ｔｉｎａ环境下模拟的效果也与计算相符，如图４所示。 耦合调制信号时，高频的调制信号受电容电感
影响较大，需合理配置参数，否则将严重恶化电路的
效果。图２中Ｒ１１、Ｃ１１实际上构成低通滤波器，对
高频信号具有较大阻抗，电感Ｌ２同样阻碍电流的变 化，经过计算和实验，在调制信号的频率为６００ ｋＨｚ、
幅度为３００ ｍＶ时，取ｃ１１为１００ ｐＦ，Ｉ２为２５ ｔｘＨ，模 拟得到的结果，如图５所示，从图中可以看出，激光器
图４ Ｔｉ
ｎａ环境下模拟的电路参数
万方数据中国鼋；舛譬唧宪限譬瓤 ２０１１年第６期
两端电压稳定在１．７ Ｖ附近，驱动电流在４０ ｍＡ～ ８０ ｍＡ之间变化。最后对电路实物进行了测试，ＬＤ
端的电压为５ Ｖ，另一端直流电压为３．３ Ｖ，交流
电压如图６所示，做幅度为４００ ｍＶ的正弦变化，频 率为６００ ｋＨｚ。测试结果与仿真结果近似，表明驱
动模块的各项参数达到了预期的设计目标。
图５ Ｔｉｎａ环境下激光器驱动模块信号仿真图
４结语 一
图６电路测试结果
本文所设计的ＬＤ驱动电路，通过慢启动电路、
恒流电路和保护电路等，解决了使用中在工作温度 范围内其输出电流不稳定的问题，经过实验仿真分
析，该电路达到了较好的稳流效果，具有电流限制和 过流保护功能。该驱动电路功耗和体积小，通过对
相关电气参数的修改，可以很方便的应用到相关激
光测距、通信等领域中，具有一定的参考意义。
参考文献：
［１］王启明．中国半导体激光器的历次突破与发展［Ｊ］．中 国激光，２０１０，３７（９）：２ １９０－２ １９７． ［２］滕明．选择电源改进激光二极管性能［Ｊ］．闫丽丽，译． 红外与激光技术，１９９４，２３（４）：５８－２６１． ［３］顾娅军．脉冲驱动电源的设计和性能分析［Ｊ］．实验科 学与技术，２００７（８）：３Ｏ一３２． ［４］林咏海，毛海涛，等．一种半导体激光器驱动电源的设 计［Ｊ］．激光杂志，２００６，２７（１）：１４．１７．
作者简介
赵忠伟（１９８６一），男，河北保定人， 硕士研究生，主要研究方向为光电信息 技术； Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｚｗ－６４９７３５８＠１６３．ｅｏｍ
吴广业（１９８３一），男，湖南涟源人，硕士研究生，主要研 究方向为光电信息技术； 张玉钧（１９６４一），男，安徽合肥人，博士，博士生导师， 教授，主要研究方向为光电信息处理技术、激光散射成像、环 境监测技术： 沈超（１９８９一），男，安徽芜湖人，硕士研究生，主要研 究方向为光电信息处理技术。
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２０１２年专题征稿
根据２０１１年《中国电子科学研究院学报》编辑出版计划安排，２０１２年专题设置如下：
第１期信息网络技术（４Ｇ技术、自组织网络、认知无线电等），截稿日期：２０１２年１月１５日
第２期信息汇聚（含协同技术、智能技术、泛在技术和自主技术等），截稿日期：２０１２年３月１５日 ；
第３期高效能计算（含互联网技术、赛博技术和下一代超级计算等），截稿日期：２０１２年４月３０日
第４期量子信息技术（含量子通信、量子计算、量子密码等），截稿日期：２０１２年６月３０日
第５期致密能源（含太阳能电源、燃料电池、锂电池、其他新能源等），截稿日期：２０１２年８月３０日 ；
第６期纳米电子技术（含微机电系统、纳机电系统、纳注电子技术、硅纳米器件、分子电子器件技术
等），截稿日期：２０１２年ｌＯ月３０日
欢迎投稿。 ； ；
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