CN103166107A - 半导体光放大器的驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体光放大器的驱动电路，涉及光学相干层析成像技术领域，驱动电路包括恒流模块，恒流模块包括：参考电压电路、运算放大器、三极管、以及电阻器，参考电压电路的第一端与电源端子连接，参考电压电路的第二端与运算放大器的同相端连接，运算放大器的输出端与三极管的基极连接，三极管的发射极与运算放大器的反相端连接，三极管的发射极与运算放大器的反相端的连接点与地之间连有电阻器，三极管的集电极与电源端子之间连有半导体光放大器。本发明通过负反馈的方式，利用模拟运算实现输出恒定的电流，为半导体光放大器提供一个不受温度影响的恒流源，以使得半导体光放大器的电功率保持稳定。

Description

半导体光放大器的驱动电路

技术领域

本发明涉及光学相干层析成像技术领域，特别涉及一种半导体光放大器的驱动电路。

背景技术

光学相干断层成像(Optical Coherence Tomography，OCT)是近年来迅速发展起来的一种成像技术，具有非侵入性，高分辨及高速成像的优点。特别适合于生物医学领域，在眼科、心脏内科等领域具有广泛应用前景。

OCT从成像原理不同划分，可将其分为时域光学相干层析成像(Time Domain Optical Coherence Tomography，TDOCT)和频域光学相干层析成像(Fourier Domain Optical Coherence Tomography，FDOCT)。TDOCT依靠参考臂的机械扫描实现组织深度扫描，而FDOCT主要有两种实现方式，一种是基于CCD的光谱仪探测式的FDOCT(Spectral Domain Optical Coherence Tomography，SDOCT)，另一种是基于扫频激光器的FDOCT(Swept Source Optical CoherenceTomography，SSOCT)。商品化的TDOCT和频域的SDOCT通常采用超辐射二极管(Superluminescent Diodes，SLD)作为光源，而SSOCT以扫频激光器作为光源，其增益介质通常为半导体光放大器(SOA)或偏振敏感布儒斯特光放大器(BOA)。

如图1所示的常规半导体光放大器驱动电路，电压VDD的电源连接到电源端子1，阻性负载电路2通过其上游侧接入电源。半导体光放大器3通过其上游侧与阻性负载电路2相连，半导体光放大器3的下游侧接地。

该电路采用相对较为简单的结构，可以以较低的成本来实现，通过恒流源可以为半导体光放大器提供一个相对稳定的电流，使之产生平稳的光功率输出。

通过恒流源可以较好地维持半导体光放大器的功率。器件的电功率等于通过的电阻乘以器件的电流的平方。如果器件的电阻恒定，就能够较好的保证器件的电功率。在实际使用过程中，由于温度的变化，器件的电阻会受到环境的变化。电阻变化方向由器件的温度系数所决定。如果器件是负温度系数，则电阻会随着温度升高而减小；反之，则电阻值增大。随着电阻的变化，器件的电功率也会随之变化。

更严重的是，传统的恒流源电路也会受到温度变化的影响，不能提供一个稳定的恒流源，从而造成器件电功率的变化，进一步引起器件光功率的变化。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何为半导体光放大器提供一个不受温度影响的恒流源，以使得半导体光放大器的电功率保持稳定。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种半导体光放大器的驱动电路，所述驱动电路包括恒流模块，所述恒流模块包括：参考电压电路、运算放大器、三极管、以及电阻器，所述参考电压电路的第一端与电源端子连接，所述参考电压电路的第二端与所述运算放大器的同相端连接，所述运算放大器的输出端与所述三极管的基极连接，所述三极管的发射极与所述运算放大器的反相端连接，所述三极管的发射极与所述运算放大器的反相端的连接点与地之间连有所述电阻器，所述三极管的集电极与电源端子之间连有所述半导体光放大器。

优选地，所述恒流模块还设有缓启动电路，所述缓启动电路设于所述参考电压电路和运算放大器的同相端之间、或设于所述参考电压电路和电源端子之间。

优选地，所述驱动电路还包括：恒温模块，所述恒温模块通过采集所述半导体光放大器的实际温度，对所述半导体光放大器进行加热或制冷，以保证所述半导体光放大器的温度保证稳定。

优选地，所述恒温模块包括：设定温度电路、温度传感器、温度控制器、受控电源、温度调节器、以及恒温箱，所述半导体光放大器设于所述恒温箱中，所述设定温度电路和所述温度传感器分别与所述温度控制器连接，所述温度控制器、受控电源、温度调节器、以及恒温箱依次连接。

(三)有益效果

本发明通过负反馈的方式，利用模拟运算实现恒定电流输出，为半导体光放大器提供一个不受温度影响的恒流源，以使得半导体光放大器的电功率保持稳定。

附图说明

图1是常规半导体光放大器的驱动电路的结构示意图；

图2是按照本发明的一种实施方式的半导体光放大器的驱动电路的结构示意图；

图3是按照本发明的另一种实施方式的半导体光放大器的驱动电路中恒流模块的结构示意图；

图4是图2所示的半导体光放大器的驱动电路中恒流模块的第一种实施例的结构示意图；

图5是图2所示的半导体光放大器的驱动电路中恒流模块的第二种实施例的结构示意图；

图6是图2所示的半导体光放大器的驱动电路中恒流模块的第三种实施例的结构示意图；

图7是图2所示的半导体光放大器的驱动电路中恒温模块的第一种实施例的结构示意图；

图8是图2所示的半导体光放大器的驱动电路中恒温模块的第二种实施例的结构示意图；

图9是图2所示的半导体光放大器的驱动电路中恒温模块的第三种实施例的结构示意图；

图10是图2所示的半导体光放大器的驱动电路中恒温模块的第四种实施例的结构示意图；

图11是图2所示的半导体光放大器的驱动电路中恒温模块的第五种实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图2是按照本发明的一种实施方式的半导体光放大器的驱动电路的结构示意图，本实施方式的驱动电路包括恒流模块31，所述恒流模块包括：参考电压电路16、运算放大器6、三极管8、以及电阻器9，所述参考电压电路16的第一端与电源端子1连接，所述参考电压电路16的第二端与所述运算放大器6的同相端连接，所述运算放大器6的输出端与所述三极管8的基极连接，所述三极管8的发射极与所述运算放大器6的反相端连接，所述三极管8的发射极与所述运算放大器6的反相端的连接点与地之间连有所述电阻器9，所述三极管8的集电极与电源端子1之间连有所述半导体光放大器7。

优选地，所述恒流模块31还设有缓启动电路5，所述缓启动电路5能够设于所述参考电压电路16和运算放大器6的同相端之间、或参照图3所示，设于所述参考电压电路16和电源端子1之间。

由于半导体光放大器7也是温度敏感器件，随着温度的变化，该器件的输出特性(例如，光谱宽度和光幅度谱)也会随之改变。因此要让半导体光放大器7实现稳定的光学特性输出，除了需要为所述半导体光放大器7提供恒定的电流外，还需对光放大器实现一个稳定的温度控制，优选地，所述驱动电路还包括：恒温模块32，所述恒温模块32通过采集所述半导体光放大器7的实际温度，对所述半导体光放大器7进行加热或制冷，以保证所述半导体光放大器7的温度保证稳定。

优选地，所述恒温模块32包括：设定温度电路21、温度传感器17、温度控制器18、受控电源24、温度调节器20、以及恒温箱30，所述半导体光放大器7设于所述恒温箱30中，所述设定温度电路21和所述温度传感器17分别与所述温度控制器18连接，所述温度控制器18、受控电源24、温度调节器20、以及恒温箱30依次连接。

参照图3，所述缓启动电路5还能够设于所述参考电压电路16和电源端子1之间；该实施方式通过缓启动电路5，调整的不是参考电压电路16输出的Vref，而是给参考电压电路16供电的电压VDD的电源。在该电路中电源端子1供电连接至缓启动电路5的输入端口，缓启动电路5的输出端口连接至参考电压电路16，通过该电路能产生一个较为缓慢的上电跳沿，给敏感的参考电压电路缓冲时间，减小冲击，提供电路的稳定性。

实施例1

图4是图2所示的半导体光放大器的驱动电路中恒流模块的第一种实施例的结构示意图；参照图4，本实施例中，所述参考电压电路16为滑动变阻器4，所述滑动变阻器4的两端分别连接电源端子4和接地，所述滑动变阻器4的滑片与所述缓启动电路5连接，滑动变阻器4的滑片端输出电压基准Vref，经过缓启动电路5的处理输出Vst。运算放大器6同相端接入Vst，反相端与电阻器9上具有电压值的一端相连。通过运算放大器反相端的连接引入运算放大器输出信号Verr的输出。三极管8的集电极与来自VDD的半导体光放大器7相连。

本实施例的恒流模块的工作原理为：滑动电阻器4的输出电压基准Vref，缓启动电路相当于一个积分器对输入Vref进行调整，输出整形后的电压Vst。该电压能滤除信号的抖动，减小对运算放大器的冲击。整形电压Vst与反馈电压Va相减得到电压差被运算放大器6放大，通过负反馈得到误差电压Verr。设运算放大器开环增益为K1，三极管8的电流放大倍数为K2。则K1*(Vst-Va)＝Verr。K2*Verr/Rb＝Ie。Va＝Ie*Rc。其中Rb，Rc分别表示三极管基极和发射极的电阻。由于K2极大，故Verr相对较小。而K1也非常大，故Vst近似等于Va。

在具体的实施过程中，由于温度环境或器件特性的变化，会造成在同一设定值下半导体光放大器7电流的波动，经过该结构可以减小波动。具体分析如下：若半导体光放大器7电流变大，电阻器9上的分压增大，抬高三极管8的发射极电压，所以在电阻器9上取得的模拟电压Va，反馈至运算放大器6的反相端，反相端电压增大，即运算放大器6的输出电压减小，则三极管的基极电压减小，最后发射极电流增大，电路再次达到平衡态，于是该电路能够减小电流波动，稳定半导体光放大器的驱动电流，缓启动电路在电路当中通过控制和调节参考电压电路的上升沿来起到减小冲激，延长电路寿命等功能。

实施例2

图5是图2所示的半导体光放大器的驱动电路中恒流模块的第二种实施例的结构示意图；参照图5，本实施例中，所述参考电压电路16由稳压管12和高精度电阻器11组成，该电路的精度主要由电阻11和稳压管12的精度共同决定，电阻精度应小于百分之一。高精度电阻器11通过上端子和下端子分别和VDD和运算放大器10相连接。稳压管12能够更好的保证电压基准，减少直接通过电阻分压带来的功耗问题。由于前段电压基准电路的负载能力较小，经过一级运算放大器10，可以对电路的输入阻抗和输出阻抗进行调整，提高电路带负载的能力，增强系统抗干扰能力。

实施例3

图6是图2所示的半导体光放大器的驱动电路中恒流模块的第三种实施例的结构示意图；本实施例中，所述参考电压电路16通过个人计算机13、处理器14、数字模拟转换器15、以及运算放大器10组成，通过数字控制的方式完成电压基准的配置，个人计算机13(上位机)通过某种通讯接口，例如USB、RS232、以及以太网口等，发送控制命令给板载的处理器14，例如Arm、单片机等。处理器14再通过板级总线对数字模拟转换器15进行控制并发送需要转换的电压数据。通过对数字模拟转换器15的编程来改变数字模拟转换器模拟接口的输出。经过数字模拟转换器模拟输出后还需要一级运算放大器10，以增强电路带负载的能力。该结构可以由上位机方便的控制电压基准的设定，减小甚至消除模拟信号易受干扰，受温度等环境因素影响大等问题。实施例4

图7是图2所示的半导体光放大器的驱动电路中恒温模块的第一种实施例的结构示意图(恒温箱30未示出)；本实施例中，所述设定温度电路21为滑动变阻器41，所述滑动变阻器41的两端分别连接电源端子1和接地，所述滑动变阻器4的滑片与所述温度控制器连接，所述滑动变阻器41的滑片端输出提供电压参考值，温度传感器17采集半导体光放大器7温度并输出实际温度信息，温度控制器18处理分别在两个端口接收设定温度信息和实际温度信息，在端口输出控制量Vctl。温度控制器18采用的控制策略可以是基于误差的处理函数，在较简易的策略中应该包含对实际温度信息和设定温度信息偏差的处理，该策略需要包括偏差在时间域的求和，偏差在时间域的变化和偏差的比例。受控电源19可以是受控电压源也可以是受控电流源，这主要是由温度调节器20决定的。受控电源19在端口接收温度控制器18的输出控制量Vctl，在端口驱动温度调节器20。温度调节器20可以是基于风扇的温度控制装置，也可以是基于半导体制冷片的温度调节装置。

实施例5

图8是图2所示的半导体光放大器的驱动电路中恒温模块的第二种实施例的结构示意图(恒温箱30未示出)；本实施例中，所述设定温度电路21由稳压管43和高精度电阻器42组成，与实施例2的参考电压电路16的结构相同，稳压管43能够更好的保证电压基准，减少直接通过电阻分压带来的功耗问题。通过改变电阻器42的电阻值可以改变温度设定值，从而改变温度控制电路的平衡点。

实施例6

图9是图2所示的半导体光放大器的驱动电路中恒温模块的第三种实施例的结构示意图(恒温箱30未示出)；本实施例中，所述设定温度电路21与实施例3的参考电压电路16的结构相同，通过数字控制的方式完成电压基准的配置，个人计算机44通过通讯接口，发送控制命令给驱动板板载控制器45对数字模拟转换器46进行控制。通过对数字模拟转换器46的编程来改变数字模拟转换器46模拟接口的输出。经过数字模拟转换器模拟输出后还需要一级运算放大器47，增强电路带负载的能力。

实施例7

图10是图2所示的半导体光放大器的驱动电路中恒温模块的第四种实施例的结构示意图(恒温箱30未示出)；本实施例中，所述温度控制器18可采用数字处理方式，包括：依次连接的模拟数字转换器22、数字微处理器23、以及数字模拟转换器15。温度传感器17输出的模拟信号经端口传递至模拟数字转换器22。温度设定电路21经端口传递温度设定值至模拟数字转换器22。模拟数字转换器22输出数字信号至数字微处理器23，数字微处理器23输出温度设定值至所述数字模拟转换器15，数字模拟转换器15接收温度设定值、并转换成模拟信号来控制受控电源24，温度调节器20的功率经端口由可控电源24决定。

该实施例通过采用数字微处理器利用了微处理器较强的数据处理能力。模拟器件在实际使用过程中，会受到温度、器件批次的影响，采用该实施例结构可以在线调整控制策略，弥补器件和环境的负面影响。

实施例8

图11是图2所示的半导体光放大器的驱动电路中恒温模块的第五种实施例的结构示意图(恒温箱30未示出)；本实施例中，所述温度控制器18可采用自动控制方式，温度控制器18包括：差分放大器25、比例运算放大器26、积分运算放大器27、微分运算放大器28、以及电路跟随器29，温度设定电路21和温度传感器17分别输出电压信号至差分放大器25。差分放大器25输出放大后的误差信号，经过比例运算放大器26，积分运算放大器27和微分运算放大器28后的计算结果求和后输出。由于模拟运算放大器输出信号带负载能力不强，加入一级电压跟随器29，受控电源24接收经过调整后的控制信号驱动温度调节器20。

该实施例通过采用自动控制方式实现的半导体光放大器的温度控制。该方法相比采用数字微处理器的方法使用简单，成本更低，对误差的处理在经过整定的比例，积分和微分参数下可以完成系统要求。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (4)

1.一种半导体光放大器的驱动电路，其特征在于，所述驱动电路包括恒流模块，所述恒流模块包括：参考电压电路、运算放大器、三极管、以及电阻器，所述参考电压电路的第一端与电源端子连接，所述参考电压电路的第二端与所述运算放大器的同相端连接，所述运算放大器的输出端与所述三极管的基极连接，所述三极管的发射极与所述运算放大器的反相端连接，所述三极管的发射极与所述运算放大器的反相端的连接点与地之间连有所述电阻器，所述三极管的集电极与电源端子之间连有所述半导体光放大器。

2.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述恒流模块还设有缓启动电路，所述缓启动电路设于所述参考电压电路和运算放大器的同相端之间、或设于所述参考电压电路和电源端子之间。

3.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述驱动电路还包括：恒温模块，所述恒温模块通过采集所述半导体光放大器的实际温度，对所述半导体光放大器进行加热或制冷，以保证所述半导体光放大器的温度保证稳定。

4.如权利要求3所述的驱动电路，其特征在于，所述恒温模块包括：设定温度电路、温度传感器、温度控制器、受控电源、温度调节器、以及恒温箱，所述半导体光放大器设于所述恒温箱中，所述设定温度电路和所述温度传感器分别与所述温度控制器连接，所述温度控制器、受控电源、温度调节器、以及恒温箱依次连接。

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