半导体激光器特性及总体方案的设计.docx

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1、摘 要近几年光电子技术发展的速度非常快，由于半导体激光器具有转换效率高、体积小、可靠性较强、重量轻，能直接调制等好的特性，使它在工业中的生产、高新技术产业及科学研究的各个领域，得到了各个国家广泛的重视。本文主要面向组装后的激光二极管组件，设计了一种由AT89C51单片机控制的半导体激光器驱动电源控制系统。设计中采用了一种典型的自动电流控制（ACC）方式来驱动半导体激光器。这里ACC控制指的是电流采样反馈，这样就会使电流偏移最小，LD的稳定性最高。而温度控制是系统设计中不可缺少的环节，在设计中采用了PI比例-积分调节器以及功率放大环节，从而会使系统的输出稳定。在半导体制冷器的作用下，LD会预定在

2、一种恒温的环境下。而单片机AT89C51的数字控制单元实现了对半导体激光器主要参数的采集以及处理，硬件电路由此会得到很好地控制。本次设计实现了温度在10-50 ，电源的输出为0-200mA，半导体激光器能够稳定的输出的功能。关键词 AT89C51 半导体激光器 电流控制 温度控制AbstractWith the rapid development of optical electronics, the techniques of semiconductor laser diode had been applied widely in many fields such as industry,

3、high tech and science research. Semiconductor laser diode has the excellent character of high efficiency, small size, low weight, high reliability, direct modulation, but semiconductor laser diode is a kind of device with high power density and sky-high quantum efficiency. Even weak drive current an

4、d temperature change will lead to its large change of output light power and device parameters, which directly damages the safe use of laser diode. At the same time, semiconductor laser diode is very sensitive to the temperature. The fluctuation of surrounding temperature not only leads to the fluct

5、uation of supply current, but also makes threshold current, quantum efficiency, output wavelength and output light intensity of the laser diode change greatly. This paper faces to primarily laser diode modules that after assembling and introduces a diode laser output power system which is controlled

6、 by microprocessor. The text adopes an antomatic current control way(ACC) to drive the semiconductor laser diode. The automatic current control means passing the adopted current feedback to minimum the current drift and let the semiconductor laser diode output stability biggest. The temperature cont

7、rol is an important link and this text designs comparison calculus modulator, passing the cold machine in semiconductor system, to make the LD working under the constant temperature. The numeral cell which is controlled by singlechip collects the LD main parameter and take the hardware electric circ

8、uit into the control. To improve the system stability and protect the semiconductor laser diode not to damage which is caused by wave flowing out the impact, the design adopts sufficient anti-interference measure and LD protecting measrue. Key words AT89C51 laser diode current control temperature co

9、ntrol目 录摘 要IAbstractII第1章 绪 论11.1 设计的目的和意义11.2 国内外的研究现状11.3 设计的主要内容31.4 设计的主要要求及技术指标31.4.1 LD驱动电源的设计要求31.4.2 LD驱动电源的设计指标4第2章 半导体激光器特性及总体方案的设计52.1 半导体激光器的工作原理52.2 半导体激光器的特性62.2.1 半导体激光器的V-I和P-I特性62.2.2 半导体激光器的温度特性72.2.3 半导体激光器的调制特性92.3 LD驱动电源的设计方案92.3.1 方案的提出92.3.2方案的选择112.3.3 方案的介绍11第3章 系统硬件设计133.1

10、系统恒流源的设计133.1.1 驱动原理133.1.2 LD驱动电路设计133.1.3 功率放大电路设计143.1.4 保护电路的设计153.1.5 半导体激光器的保护措施163.2 恒流驱动硬件电路设计173.2.1 模数转换器AD574173.2.2 采样/保持器LF398173.2.3 多路切换开关CD4051183.2.4 89C51和AD574及前置电路接口193.2.5 LCD显示模块203.3 恒温模块的设计213.3.1 半导体制冷器的工作原理223.3.2 比例积分调节电路233.3.3 功率放大电路的设计253.3.4 热敏电阻线性化263.4 辅助电路设计283.4.1

11、温度设定电路283.4.2 限幅电路设计28第4章 软件设计304.1 主程序设计304.2 键盘输入程序设计314.3 A/D转换子程序设计314.4 报警子程序设计33结论34致 谢35参考文献36CONTENTSAbstractIAbstractIIChapter 1 Introduction11.1 The meaning of design and the background11.2 The meaning of design and the background11.3 The main content of the design31.4 Design of the main r

12、equirements and technical indicators31.4.1 LD drive power supply design requirements31.4.2 LD driver power supply design parameters4Chapter 2 Semiconductor laser characteristics and overall scheme design52.1 The working principle of semiconductor laser52.2 The characteristics of semiconductor laser6

13、2.2.1 Semiconductor laser V - I and P - I characteristics62.2.2 Temperature characteristic of semiconductor laser72.2.3 The modulation characteristics of semiconductor laser92.3 Design of power supply for LD driver92.3.1 The scheme of proposed92.3.2 The choice of scheme112.3.3 The introduction of so

14、lution11Chapter 3 The system hardware design133.1 System of constant current source design133.1.1 Drive principle133.1.2 The design of the LD driver circuit133.1.3 The design of power amplifier circuit143.1.4 The design of the protection circuit153.1.5 Semiconductor laser protective measures163.2 Co

15、nstant current drive hardware circuit design173.2.1 AD converter 574173.2.2 Sampling/retainer LF398173.2.3 Multi-channel switch CD4051183.2.4 AT89C51 and AD574 and front interface circuit193.2.5 The LCD display module203.3 The design of the constant temperature213.3.1 The working principle of semico

16、nductor refrigerator223.3.2 PI regulation circuit233.3.3 The design of the power amplifier circuit253.3.4 Thermistor linear263.4 The auxiliary circuit design283.4.1 Temperature setting circuit283.4.2 Limiting circuit design28Chapter 4 The software design304.1 The main program design304.2 Keyboard in

17、put program design314.3 A/D conversion subroutine design314.4 Alarm subroutine design33conclusion34Ackonwledgements35Appendix36-VIII-第1章 绪 论1.1 设计的目的和意义信息技术已成为当今全球性的战略技术。以光电子和微电子为基础所支持的通信和网络技术已成为高技术的核心，正在深刻影响着国民经济、国防建设的各个领域。其中，半导体激光器（LD）在当今世界中扮演着不可或缺的角色。半导体激光器（LD）一种激光器，但是它的工作材料是一种半导体材料。它在光纤通信中充当着一种重

18、要的光源。在当今电子学领域中，半导体激光器的应用已经是十分的广泛1。半导体激光器的体积小，输入的能量低，使用寿命较长，比较容易调制及其价格低等优点，让它在军事上得到了一些广泛的应用。例如雷达,测距，致盲，告警，瞄准等等，在光电子领域中成为新生代的重要力量。于此同时，半导体激光器在工业生产上，生活应用上，电子科学上都发挥着重要的作用。现在半导体激光器在通信，光谱，光学数据存储等尖端领域中发挥着重要的作用。如果要使半导体激光器在工作中能够安全稳定，对半导体激光器的温度以及电流的输出是有很大的要求的。在前几年的开发半导体的过程中，因为对温度的控制以供电的控制把握的不好，导致期间损坏的非常多。因此在现

19、今的半导体激光器应用中，对温度以及电流的输入要求都是十分必要的。 1.2 国内外的研究现状为满足半导体激光器对工作环境的较高要求，世界各研发机构都在为提高半导体激光器驱动性能的道路上不懈努力，欧美等发达国家在该领域投入大量人力物力，取得了丰硕的成果。美国ILX Lightwave公司是半导体激光器驱动方案的领先者，它的产品功能很全面ILX Lightwave公司提供了一系列的激光器驱动器、温度控制器和夹具装置，用于研究、生产和测试中的激光器精密控制，这些仪器因其可靠性、精确性和简单易用而闻名。该公司生产的台式激光驱动器的稳定性很高、噪音很低，能够提供从100mA到6A的连续可调或脉冲驱动电流，

20、可有效地保证激光器稳定的波长输出。其中，ILX系列有4通道、8通道和16通道的多通道驱动器可供用户选择，可同时对多个激光器进行精密控制。该公司生产的LDC-3700C系列半导体激光控制器如图1-5所示，它是一款高性能、基于微处理器的工业级设备，专为控制半导体激光器的驱动电流和温度而设计，是同类产品中的佼佼者;该款半导体激光驱动器以其出色的可靠性、准确性、操作简易性为业内广为接受;它的驱动范围覆盖面很大，可满足中、小功率激光器的应用要求。其中，LDC-3714C和LDC-3724C两款设备能够提供双电流量程的驱动，最大电流分别为100mA和5OOmA，能够维持量级的稳定输出。对于大功率的半导体激

21、光器，LDC-3744C可提供2/4A的双电流供电。同时，这三款型号都集成有32W的温度控制器，温度的稳定性达0.004 0C;它们的驱动电流源电路和温度控制电路的供电是相互独立的，可为半导体激光器提供保护，保证输出的稳定性。此外，所有的ILX Lightwave设备都为半导体激光器提供了开机慢启动、过流过压限制、静电防护等保护措施2。 在国内，半导体激光器的发展紧随着国外的脚步，也得到了很快的发展。其中主要的研究单位包括中科院半导体所、清华大学和弦电子科技大学等等。中科院半导体所采用光纤捆绑耦合技术来进行激光的整合。其基本的原理是利用光纤柱透镜来进行快轴的压缩，然后进入光纤排，紧接着把输出的

22、光纤捆成一束。利用这种方法可以实现LD输出光束的对称，并且在输出截面上的强度能够均匀下来，使其在传输的过程中对于的光能的损失最小，但是它有个缺点就是亮度不是很高，输出的光纤不细。相对中科院半导体所清华大学采用的是微柱透镜快轴方法。首先通过两套错位紧密相连的棱镜来对光束进行整合。它的结构比较复杂，整形的效率比较高。在最近几年 ，高功率、大功率的半导体激光器的发展速度是非常快的例如北京普林光电公司在单个单元器件的光纤耦合方面的研究，北京工业大学对半导体激光器的研究已经达到了炉火纯青的地步，武汉凌志公司对于半导体激光器的研究与发展扮演着一个不可或缺的角色。这些公司以及大学或者研究所快速的促进着半导体

23、激光器件的国产化，实现了对半导体激光器的发展，发挥着重要的作用，为我国的科技进步提供了坚强的保障。1.3 设计的主要内容 本次毕业设计的主要任务是设计出一种结构简单、成 本低的半导体激光器驱动电源，此电源的输出为0-200mA电流且稳定、可调节，使得半导体激光器的输出功率稳定；对半导体激光器的工作温度进行控制使之保持在指定的范围内。主要内容如下：1. 半导体激光器的驱动电路的设计。根据半导体激光器的特性要求控制激光器的电流输出，并考虑激光器的保护措施。2. 半导体激光器的温度控制电路的设计。利用半导体激光器组件内部的半导体制冷器对激光器进行温度控制。3. 数字控制电路设计。利用单片机对半导体激

24、光器的各个特性参数进行采集、处理。1.4 设计的主要要求及技术指标1.4.1 LD驱动电源的设计要求半导体激光器驱动电源的设计，需要满足对电流、温度、安全性等方面的要求。1. 对输入电流的要求半导体激光器的工作原理是依赖于载流子的注入，注入电流的稳定性越高半导体激光器的输出也就越稳定。基于这种特性，对驱动半导体激光器的电源的要求必须是一个恒流源，而且这个恒流源输出的电流的稳定度是非常高，其纹波系数是非常小的，否则半导体激光器的工作状态就会受到影响3。2. 对温度的要求半导体激光器由于在工作的时候会产生出大量的热量，此时半导体激光器件的温度会有所升高将使得激光二极管输出波长发生漂移。因此，激光器

25、的散热是重要的，为了保证器件性能的稳定及寿命，应将半导体激光器件工作温度控制在一定的范围内。3. 对LD安全性的要求 半导体激光器对于电流冲击的承受力是非常差的，特别是对于一些大功率的半导体激光器，可能是因为日光灯在开关电网时产生干扰导致其损坏也可能是由于手触摸到它产生静电导致其受损4。因此，对半导体激光器的电源要求必须含有抵抗电流冲击的环节。1.4.2 LD驱动电源的设计指标根据LD驱动电源的设计要求本驱动电源的设计要求如下(1) 恒流输出0-200mA连续可调; (2) 温度控制范围10-40；(3) 温度控制精度3 (4) 电流控制精度不小于10-3 第2章 半导体激光器特性及总体方案的

26、设计2.1 半导体激光器的工作原理 当自发辐射时，高能态电子自发跃迁到低能态，释放的能量转换为光子，这些光子具有随机的方向、相位和偏振状态，出射光为非相干光。在受激辐射时，处于高能态的电子受到入射光的激发跃迁到低能态而产生光子，出射的光子与入射光子具有相同的频率、方向、相位和偏振状态，出射光为相干光，半导体激光器正是利用这个原理进行工作的5。正如图2-1所示。图2-1 半导体材料的能带结构最简单的半导体激光器由带隙能量较高的P型和N型半导体材料、中间夹一层很薄的另一种半导体材料构成，图2-2为典型半导体激光器的结构示意图。从它的原理来看，半导体激光器相比于其他类型的激光器在本质上是没有任何的差

27、别的，它们的工作原理都来自于受基辐射6。图2-2典型半导体激光器结构示意图 如图2-2所示，如果在金属接触时在PN结上加上正向偏置，在PN结处，电子与空穴就会复合产生光子。如果给出一个稍微小的电流时，通过结区的电子与空穴的浓度就不能达到复合的要求，在此时辐射的能量就不足以克服吸收的能量，因此激光器只能发生自发辐射，出现的光是普通光；随着电流的逐渐加大，此时在结区的电流以及空穴的浓度逐渐升高，这时就会产生十分亮的荧光。但是如果辐射的能量不足与在谐振腔内的损耗时，就不能在谐振腔内产生光震荡。如果要产生真正的激光注入的电流一定要足够大，才能克服损耗7。2.2 半导体激光器的特性 2.2.1 半导体激

28、光器的V-I和P-I特性在半导体激光器两端加上电压V，就会在激光器中引起注入电流IF，此时非平衡的载流子就会复合与此同时就会产生光功率P0，半导体激光器的主要工作性质就是电压与注入电流的关系曲线，以及随着注入电流If变化光功率P0的变化曲线。图 2-3 LD V-I特性曲线 图 2-4 LD P-I特性曲线从图2-3可知，当注入输入的电流极小时，只会发生自激震荡，在此时半导体激光器是不会发出光的。但随着电压的加大，直到超过某个特定的值时，此时注入的电流就会急速的提升将直接导致半导体激光器发出荧光。从图2-4看出，当注入的电流时十分小的时候，在半导体激光器内主要发生的是自发辐射，也就是说此时发出

29、的光是荧光。紧接着不断地增大注入电流，在半导体激光器内就会产生受激辐射，于此同时输出光的功率就会有所提升。而那个临界的电流值就是阈值电流Ith，而这个电流值就是图2-4出现拐点的位置。而往往不同的半导体激光器其阈值电流也是不同的，在应用上往往希望其阈值电流要尽可能的小。所以我们可以知道，当注入的电流比阈值电流小时是不会发出激光的，只有当注入电流大于预支电流时，才会发出激光8。就理论而言半导体激光器工作在一定的范围内，可以看出光功率P0与注入的电流If应该是一种严格的线性关系，但在实际的过程中该曲线不够光滑，是存在拐点的，也就是说，当该激光二极管工作在出现拐点的驱动电流点时，其输出光功率与驱动电

30、流值不成线性比例关系。2.2.2 半导体激光器的温度特性1. 温度对功率的影响 半导体激光器对温度的变化感应能力是非常强的或者说温度的要求是非常高的，伴随着温度的变化其输出功率的变化也是非常大的。图2-5给出了一只=1.31m的GaInAsP/InP 半导体激光器在 10-130的P-I特性曲线。图中底端有一些非常靠近坐标轴的曲线，它们对应的电流即为阈值电流Ith ，研究表明而Ith 和温度的关系可以表示为： Ith（T）Io exp(T/T0) (2-1)式中 T半导体激光器件的绝对温度；T0LD的特征温度；I0常数，它是 T=T0 时阈值电流的1/eT0的大小是受到其用的材料以及制造的结构

31、的影响的，T0表明阈值电流If对温度的敏感程度9。在实际中往往是T0越大，半导体激光器的温度性质就越好，基于上面所讲，在使用半导体激光器的过程中，我们队半导体激光器的温度必须进行严格的控制，让它能够正常的工作使其不受到任何的损坏。这样就能够使设计的驱动电源达到我们预先设定的要求，达到更好的效果。图2-5呈现的就是不同温度下的半导体激光器的输出温度特性。图2-5 半导体激光器在不同温度的输出特性曲线从图中可以看出随着温度的身高，阈值电流逐渐升高，P-I的线性关也逐渐恶化，尤其在50-130之间。2.温度对波长的影响 半导体激光器输出的波长是极其不稳定的，它是受到其掺杂的浓度、工作的电流以及它在工

32、作时的温度影响。伴随着半导体激光器的温度升高，半导体激光器材料的折射率以及带隙的宽度也会随之发生变化，此时光谐振腔的尺寸就会越来越大，带隙越来越窄，这时半导体激光器的输出光的波长的最大值就会向波长越长的方向移动，紧随着温度的升高10。就InGaAsp激光器而言，它的变化率为0.4-0.5nm/,而GaAs激光器，它的变化率就稍微小的约为0.2nm/，在恒功率的条件下其波长温度的关系呈现出一种线性正如图2-6看出。在平时的应用上，我们必须的温度进行严格的控制，这样我们就能够把波长调制到我们所需要的范围上。这样就能够更加的达到设计的要求，更加的符合最初的设想。图2-6 温度对LD发射波长的影响2.

33、2.3 半导体激光器的调制特性在实际中我们发现，半导体激光器是非常容易调制的，从上面所叙中我们知道注入的电流与半导体激光器的输出功率呈现的是一种线性的关系，由此我们就能通过控制注入的电流来控制半导体激光器的输出功率。并且在控制的工程中我们发现其响应的速度是非常快的。因此我们利用这个特点让它与电子电路的电路直接连接来实现单片集成的作用11。2.3 LD驱动电源的设计方案根据设计要求，以及激光二极管本身特性，提出如下的设计方案2.3.1 方案的提出1.方案一该方案主要由电流驱动和温度控制两个部分。在电流驱动部分，由键盘向单片机输入电流目标值，单片机根据电流一电压的线性关系控制DAC输出相应的电压，

34、从而控制与其相连的MOSFET的导通程度，此时电压-与电流的转换就能得以实现，然后将得到的电流通过半导体激光器实现半导体激光器的驱动环节。图2-7 总体方案一 2.方案二图2-8 总体方案该方案由主要由模拟电路及数字电路组成。它是通过功率器件MOS管控制其栅极的电压从而控制半导体激光器的电流控制这样我们就能间接地控制MOSFET的导通程度。在此过程中，运用负反馈和PI算法进行双重闭环控制，以稳定电流输出、减少动态平衡时间，在这之外由于半导体激光器对于外界的条件要求是非常的高的，因此在设计中还包含着一些必要的保护措施，基本包括防上电冲击，过流的保护，以及静电的维护。在温控环节中，半导体制冷器是必

35、要的部分12。它的工作原理是基于帕尔贴效应实现的。帕尔贴效应是指直流电通过两种不同的导电材料构成回路时，结点吸热与放热的现象。2.3.2方案的选择在半导体激光器的运行过程中，注入电流的大小和器件温度间的关系是密切相关的。伴随着注入电流的不断升高，半导体激光器的温度也会随之升高，温度的升高又会反过来影响半导体激光器的输出功率以及波长。因此，设计的驱动系统必须整合恒流模块与温控模块两部分的功能,虽然方案二能够达到恒流的要求但是并没有恒流模块,而半导体激光器在运行的过程中又是非常不稳定的,特别是随着温度的升高其输出特性呈现出非线性变化,尽管方案二操作比较方便,易于达到,但是非常的不温度特别是在运行的

36、过程中,所以选择方案一更加的符合设计的要求。2.3.3 方案的介绍1. LD 恒流模块驱动电路单元可以实现对LD进行不同驱动方式的驱动功能。LD的驱动方式大致有两种一种是电流驱动（ACC）另外一种是恒功率驱动（APC）。在此次毕业设计里，所采用的是ACC恒流驱动。它直接通过反馈控制回路来驱动电流，使电流漂移最小且使激光二极管输出稳定性最大。在半导体激光器不工作的时候必须含有保护电路这样才不会因为经典而导致其受到损坏；在LD工作状态下，为了防止其因电流过大而损坏LD的限幅电路，以及用于设定LD工作电流的设定电路。2. LD温度控制模块半导体激光器的特性在不同温度下不同，所以需要对工作的激光器进行

37、温度控制。温度的变化经过温度传感器的加工，使温度变化的信号转化为电流的信号，在与原先设定的温度进行比较，此时就会有一个偏差信号，偏差信号经过PI控制环节来使半导体制冷器工作，这样温度就会稳定在一定的范围内。在此论文中我们所选择的是温度传感器是热敏电阻，来实时监测半导体激光器的温度。致冷器是热电制冷器，它是利用帕尔帖效应的半导体致冷器件，体积小、结构简单易控制。在工作的时候由于其一端是冷端效应一端是热端效应，因此我们可以控制电流的走向来控制冷热面13。3. LD保护模块我们已经知道半导体激光器对于电流的承受能力是非常弱的，在实际的应用当中，我们发现比较常出现电流冲击是开关电源时产生的浪涌冲击以及

38、电网波动产生的电压信号。因此在使用中为了保护半导体激光器不会因冲击导致其受到损坏我们必须提供一些必要的保护措施。其中包括短路保护开关的设定，涌浪电流消除电路的设定以及软启动程序过程，软启动程序可以由计算机的控制来实现。这种电源的可靠性高，稳定性好，就是价格有点昂贵，在实际过程中，我们只要对半导体激光器稍加改进，就可以实现软启动功能14。第3章 系统硬件设计3.1 系统恒流源的设计3.1.1 驱动原理我们所知道半导体激光器有恒流工作的方式以及恒定功率这两种工作方式，在这次的毕业设计中我们选择前者作为主要控制方法，设计的原理框图如图3-1所示。图3-1 LD驱动单元原理框图从理论上来讲就是将输出端

39、的信号通过反馈来与输入端的设定值进行比较，于是就会产生偏差信号，然后偏差信号就会通过调节器控制功率放大这一个重要的环节，由此来控制信号的放大15。3.1.2 LD驱动电路设计ACC控制的主要电路如图3-2所示。在本次的设计中的恒电流驱动通过电阻R10两端的电压作为反馈端的输入，而反馈信号会通过一个U4比例放大器，它的比例放大倍速为1：1，又通过一个反向器后进入到反向求和运算放大器的负相端，由此会与预定好的值进行相应的比较，而在输出端就输出两个的差值经限定电路和积分电路后，送入功率放大电路的输入端。如果你想要得到一种输出相对来讲比较稳定的激光，对输入的电流的要求是十分高的，所以在选择电源时必须要

40、求是一个恒流源。图3-2 ACC控制电路 3.1.3 功率放大电路设计从前面的内容我们知道，半导体激光器的输出是与注入的电流呈现出一种线性关系的。如果你要使激光器的输出相对稳定的话，那么对于供电电源的要求就一定要是低噪音的稳定恒流源。在U1C和Q1组成的电路中，可以看出这是一个通过两个路径反馈信息的反馈环电路。 在此电路中含有R7直流反馈通道和C5交流反馈通道。因为在直流反馈通道中在反馈的网络里已经包含着场效应管的非线性效应，这样就能够保重输出稳定性，它的主要作用是控制输出电压，应该是负载上的。在交流通道上输出端取出电压，这个电压是没有任何相位失真的，最终反馈到输出端16。我们知道电容是具有阻

41、抗特性的，在高频时。此时正确信息的含量就将超过错误信息，这样电路的稳定性就能够得到保证。我们知道功放电路的输入信号是积分环节的输出，而输出信号是什么呢？就是通过半导体激光器的电流信号，由此我们知道它其实是具有电压电流转换作用的电压保持器。这里利用N沟道增强型MOS管Q1采用负反馈的形式。根据输入电压的大小来改变LD驱动电压的大小，以实现对LD的驱动。图3-3 ACC控制功率放大电路3.1.4 保护电路的设计1.稳压电路在整个的参数电路中，每一个参数都是从稳压管稳压电路中取出的电压信号，因此在这里首先着重介绍一下稳压管稳压电路。稳压管稳压电路：通过整流滤波电路使得正弦交流电压变为相对来讲比较平滑

42、的直流电源，但是我们知道输出电压的平均值是副边框电压的有效值，所以伴随着电压的变化，输出的电压的平均值就会发生变化，在整流滤波电路中是存在着内阻的，尽管是非常的小，但当负载发生改变的时候，此时负载上的电压信号就会发生相应的变化，但是输出电压平均值反而会发生相反的变化。2.限幅电路该电路主要由运放U2A、二极管D1、电容C13等组成，如图3-4所示。限幅电路的作用是将从反相求和运算电路U1B中出来的反馈电压限定在LD驱动电流极限 IF LIMIT电压信号以内。图 3-4 LD限幅电路其工作原理是IF LIMIT信号送入运放U2A的同相输入端，作为正向参考电压。当从反相电路U3A中出来的反馈电压高

43、于IF LIMIT电压（此时说明LD的驱动电流大于了设定的上极限值，需要降低驱动电流的大小）时，运放U2A输出负电压，二极管D1导通，通过D1的钳位作用使驱动级前级运放U1B的输出端电压下降从而使LD的驱动电流下降17。3.1.5 半导体激光器的保护措施半导体激光器对电流或是电压冲击的承受力是非常差的。我们不难发现在半导体激光器的使用过程中，二极管遭到击穿事件也是时有发生的。据初步统计，目前在我国LD遭到损坏大概原因有：一LD腔面污染，这是最主要的原因。排在第二的原因为浪涌击穿。而浪涌击穿又可以分为：静电击穿，正方向浪涌击穿和正方向电流。针对不同的击穿在下面提出了不同的保护措施。 （1）静电保

44、护开关 ：在激光器的两端加入一个开关，这个开关是与地相连的，这样就构成了一个短路回路了，这时激光器就不工作了，开关常闭，这样激光器就会受到保护，不会受到静电的影响。同时在LD两端并联一个电阻，防止LD受到损坏。（2）短路保护开关 ：基本上是通过一个比较小的电阻并联与半导体激光器的输入通道上，当驱动半导体激光器电源时，首先要做的就是把短路保护开关闭合，通过这一个步骤我们就能够使冲击的电流无法通过激光器，就能起到保护的作用；当驱动激光器的电源达到稳定的时候，我们就需要把那个开关断开，然后逐渐的加大通过半导体激光器的电流。但是也记住切断电源以前，要率先闭合短路保护开关，这样就能够起到保护激光器的作用

45、。（3）激光器慢启动 ：为了解决半导体激光器驱动电路的瞬间变化至使半导体激光器可能击穿的威胁，在电路中积分环节，使其驱动电流缓慢地达到设定值，并由单片机实现激光器的软启动18。（4） 限流电路 ： 流过电流的大小严重影响着半导体激光器的使用寿命，如果流过半导体激光器的电流超过了其峰值电流，半导体激光器就会遭遇到击穿的危险，可能造成它永远不能够正常的工作。为此本文利用运算放大器的饱和特性和二极管的导向作用，设计了限流电路，确保LD工作在极限电流内。 3.2 恒流驱动硬件电路设计3.2.1 模数转换器AD574转换器AD574是12位的转换器，在芯片的内部含有三态输出缓冲器，它的输出可也直接连接到

46、单片机的总线上。我们知道AD574它的输入控制信号含有CE、A0、R/C和12/8。在CE为1，R/C与CS都是0的情况下，此时表示A/D转换，而当R/C等于1的时候，此时表示读取A/D转换后的数据。当我们在使用AD574时，如果输入信号A0为0此时设定为12位的A/D,如果输入信号A0为1，表示设定为8位的A/D。AD574完成一次转换的时间大概是15-35微秒，当转换结束的时候，它从1变为0时，从1到0的下降沿告知单片机已经结束，这时就可以读取A/D转换的结果。3.2.2 采样/保持器LF398LF398采样/保持器是采用双极型-场效应管工艺制成的集成芯片，它的采样速度快，精度比较的高，保

47、持下降的速度比较慢，稳定性好。图3-5 呈现的是LF398的内部结构电路图，从其中可以看出它其实就是一种反馈型采样/保持电路。如果要使采样/保持器处于采样的状态，控制的信号必须是高电平；当控制信号为低电平时，处于保持状态。输出会随着输入的变化而发生变化。LF398设有交直流调零端。那如何进行直流调零呢？调节1K电位器的电刷位置，使得在输入为0V时，输出电流电压为0V。交流调零方法是调节10K电位器的电刷位置使交流输出为0V。LF398的逻辑输入的方式是差动电流输入方式，基于这种特性导致其可直接与TTL和CMOS电路连接，其门限值为1.4V。我们知道LF398的供电电压为5V-15V。图3-5 LF398 结构图3.2.3 多