CN104022440B - 一种激光二极管微秒脉冲驱动电路及驱动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光二极管微秒脉冲驱动电路及驱动方法。包括可调稳压电路单元、控制单元、倒相单元、驱动单元和输出单元；输出单元与驱动单元和输出反馈单元同时连接；驱动单元与输出单元、可调稳压电路单元，倒相单元同时连接；倒相单元与控制单元、驱动单元、可调稳压电路单元同时连接；输出反馈单元反馈信号到控制单元；控制单元接收触发脉冲；输出单元连接激光二极管。本发明通过控制单元的单片机接收输入脉冲后再输出脉冲，单片机输出脉冲波形边缘陡峭。输出脉冲处于开环控制，倒相单元和驱动单元采用高速器件，使输入到驱动单元的脉冲波形边缘陡峭。输出单元输出边缘陡峭的脉冲电流，使激光二极管输出激光脉冲。
Description
技术领域
本发明属于电路控制领域，具体涉及一种激光二极管微秒脉冲驱动电路及驱动方法。
背景技术
半导体激光二级管需要用恒流源作为驱动。当需要得到脉冲激光时，需要采用脉冲电源作为驱动。由于需要得到的激光脉冲宽度要求比较小，所以对驱动脉冲电流的波形要求较高，需要脉冲电流的上升沿和下降沿比较陡峭，脉冲顶部要平，尽可能的接近矩形波。目前的驱动电路中，当脉冲电流较小时，容易达到要求，当脉冲电流较大时，由于传统电路受到增益带宽积的限制，不容易得到接近矩形波的脉冲电流。
目前常用的驱动方式为运放驱动，如图1所示，驱动脉冲输入到运算放大器U5同相输入端，运算放大器U5通过电阻R12连接场效应管Q5栅极，场效应管Q5导通时，电源VDD1和电容C3放电同时输出电流，使激光二级管LD1发激光。场效应管Q5源极上串接输出电流取样电阻R13，电阻R13采集到的输出电流信息通过电阻R11反馈到运算放大器U5反相输入端。引入负反馈后，电阻R13上的电压与输入脉冲电压相同，从而控制输出电流。
这种电路在驱动宽脉冲时，输出电流波形质量较高。当输入窄脉冲，特别是对微秒级脉冲时，信号中的高频分量较多，受到运算放大器U5增益带宽积参数影响，输出电流脉冲上升和下降时间相对变长，电流脉冲波形上升沿和下降沿不够陡峭，甚至有可能变成尖脉冲，使得激光二级管LD1输出光脉冲不能达到要求，甚至激光二级管LD1无法正常工作。
由于场效应管Q5极间会存在一定的极间电容，场效应管Q5额定电流越大，这种极间电容越大。由于极间电容存在，场效应管Q5被驱动时，栅极瞬间需要较大的驱动电流，驱动脉冲越窄，要求的上升和下降时间越快，需要的的驱动电流越大。而运算放大器U5输出电流有限，可能达不到这个驱动电流要求。选择大电流器件作为驱动级，电流能达到场效应管Q5驱动需求，但大电流器件驱动速度本身受限，不能输出高质量的窄脉冲。
运算放大器U5采用深度负反馈，反馈信号会产生相位偏移，在一定条件下会产生自激振荡。为了消除自激振荡，需要在运算放大器U5的反相输入端和输出端连接移相小电容，以破坏自激振荡条件。引入的移相小电容会引起转换速率的下降，不能输出高质量的窄脉冲。
发明内容
本发明针对上述不足之处而提供的一种激光二极管微秒脉冲驱动电路及驱动方法。
本发明是这要实现的，一种激光二极管微秒脉冲驱动电路，驱动电路含可调稳压电路单元、输出单元、驱动单元、输出反馈单元、倒相单元和控制单元，控制单元设置触发脉冲输入端Pin,控制单元输出端与可调稳压电路单元信号输入端连接；可调稳压电路单元输出端同时与倒相单元电源输入端和驱动单元电源输入端连接；控制单元输出端与倒相单元信号输入端连接，倒相单元输出端与驱动单元信号输入端连接，驱动单元输出端与输出单元信号输入端连接，输出单元设置输出正极点A和输出负极点B与激光二极管连接；输出反馈单元输入端与输出单元连接，输出反馈单元输出端与控制单元连接。
可调稳压电路单元包括数模转换器U2，数模转换器U2的输入端与控制单元中单片机U1相连接，数模转换器U2输出端与运算放大器U3同相输入端连接，运算放大器U3输出端与三端可调稳压器U4的调整端ADJ连接，调整端ADJ通过电阻R3与输出端Vout连接，运算放大器U3反相输入端通过电阻R1接地，运算放大器U3反相输入端通过电阻R2与三端可调稳压器U4的输出端Vout连接，三端稳压器U4的输出端Vout与滤波电容C1正极连接，滤波电容C1负极接地，三端稳压器U4的输出端Vout同时与倒相单元(5)和驱动单元(3)连接。
倒相单元中双极型NPN三极管Q1的基极通过电阻R5与控制单元中单片机U1连接，双极型NPN三极管Q1的发射极接地，双极型NPN三极管Q1的集电极与驱动单元连接，双极型NPN三极管Q1的集电极通过电阻R4与三端可调稳压器U4的输出端Vout连接。
驱动单元中，P沟道增强型场效应管Q2的源极与三端可调稳压器U4的输出端Vout连接，P沟道增强型场效应管Q2的漏极与N沟道增强型场效应管Q3的漏极相连接后与输出单元连接，N沟道增强型场效应管Q3的源极接地，P沟道增强型场效应管Q2的栅极和N沟道增强型场效应管Q3的栅极同时与双极型NPN三极管Q1的集电极相连接。
输出单元中，主电源正极VDD与储能电容C2正极连接，储能电容C2负极接地，主电源正极VDD上设置输出正极点A；N沟道增强型场效应管Q4栅极通过电阻R6与N沟道增强型场效应管Q3漏极和P沟道增强型场效应管Q2的漏极同时连接；N沟道增强型场效应管Q4源极与输出反馈单元(4)连接，N沟道增强型场效应管Q4漏极上设置输出负极点B。
输出反馈单元中，电阻R8一端接地，另一端与N沟道增强型场效应管Q4的源极和电阻R7同时连接，电阻R7另一端与控制单元连接。
优选地，滤波电容C1为电解电容，储能电容C2为电解电容。
优选地，控制单元为51单片机。
优选地，数模转换器U2是MCP4921芯片，三端可调稳压器U4是LM317芯片。
本发明还提供一种激光二极管微秒脉冲驱动电路的驱动方法，包括以下步骤：
控制单元通过触发脉冲输入端Pin接收外部触发脉冲信号；
控制单元向倒相单元输出与触发脉冲输入端Pin同步的脉冲信号；
控制单元接收反馈单元所反馈的激光二极管工作电流信号；
控制单元向可调稳压电路单元输出电压调整信号；
可调稳压电路单元向倒相单元和驱动单元输出可调整后的稳压电压；
倒相单元接收控制单元输出的脉冲信号，倒相后输出到驱动单元；
驱动单元接收倒相单元输出的脉冲信号，倒相并放大后驱动输出单元；
输出单元接收驱动单元输出的脉冲信号，输出脉冲电流驱动激光二极管。
本发明的有益效果：本发明通过控制单元接收外部输入脉冲后再输出脉冲，可以方便输出或切断脉冲输出。同时控制单元采用单片机，单片机输出脉冲波形边缘陡峭。控制单元输出脉冲经过倒相单元倒相后，再输入驱动单元，驱动单元再倒相后控制输出单元。这部分脉冲是处于开环控制，倒相单元和驱动单元采用高速器件，使输入到驱动单元的脉冲波形边缘陡峭。输出单元接收到边缘陡峭的脉冲后，输出边缘陡峭的脉冲电流，使激光二极管输出激光脉冲。通过输出反馈单元检测输出单元所输出的脉冲电流，再反馈给控制单元，使控制单元方便检测出输出电流值。输出单元所输出的电流大小值由驱动单元所输出的脉冲电压幅值确定，通过控制单元控制可调稳压电路单元的输出电压值，可以调整驱动单元输出的脉冲电压幅值。可调稳压电路单元采用数模转换器件，方便控制单元调整输出电压值，同时可以精确控制。本发明的激光二极管微秒脉冲驱动电路，接收外部输入脉冲后，输出脉冲大电流驱动激光二级管，所输出的激光二级管驱动电流脉冲边缘陡峭，可以输出微秒级脉冲大流。
附图说明
图1为现有技术的电路原理。
图2为本发明的电路框图。
图3为本发明的电路原理图。
附图中：1-可调稳压电路单元，2-输出单元，3-驱动单元，4-输出反馈单元，5-倒相单元，6-控制单元。
具体实施方式
结合附图2和图3，一种激光二极管微秒脉冲驱动电路，驱动电路含可调稳压电路单元1、输出单元2、驱动单元3、输出反馈单元4、倒相单元5和控制单元6，控制单元6设置触发脉冲输入端Pin,控制单元6输出端与可调稳压电路单元1信号输入端连接；可调稳压电路单元1输出端同时与倒相单元5电源输入端和驱动单元3电源输入端连接；控制单元6输出端与倒相单元5信号输入端连接，倒相单元5输出端与驱动单元3信号输入端连接，驱动单元3输出端与输出单元2信号输入端连接，输出单元2设置输出正极点A和输出负极点B与激光二极管连接；输出反馈单元4输入端与输出单元2连接，输出反馈单元4输出端与控制单元6连接。
可调稳压电路单元1包括数模转换器U2，数模转换器U2的输入端与控制单元6中单片机U1相连接，数模转换器U2输出端与运算放大器U3同相输入端连接，运算放大器U3输出端与三端可调稳压器U4的调整端ADJ连接，调整端ADJ通过电阻R3与输出端Vout连接，运算放大器U3反相输入端通过电阻R1接地，运算放大器U3反相输入端通过电阻R2与三端可调稳压器U4的输出端Vout连接，三端稳压器U4的输出端Vout与滤波电容C1正极连接，滤波电容C1负极接地，三端稳压器U4的输出端Vout同时与倒相单元5和驱动单元3连接。
倒相单元5中双极型NPN三极管Q1的基极通过电阻R5与控制单元6中单片机U1连接，双极型NPN三极管Q1的发射极接地，双极型NPN三极管Q1的集电极与驱动单元3连接，双极型NPN三极管Q1的集电极通过电阻R4与三端可调稳压器U4的输出端Vout连接。
驱动单元3中，P沟道增强型场效应管Q2的源极与三端可调稳压器U4的输出端Vout连接，P沟道增强型场效应管Q2的漏极与N沟道增强型场效应管Q3的漏极相连接后与输出单元2连接，N沟道增强型场效应管Q3的源极接地，P沟道增强型场效应管Q2的栅极和N沟道增强型场效应管Q3的栅极同时与双极型NPN三极管Q1的集电极相连接。
输出单元2中，主电源正极VDD与储能电容C2正极连接，储能电容C2负极接地，主电源正极VDD上设置输出正极点A；N沟道增强型场效应管Q4栅极通过电阻R6与N沟道增强型场效应管Q3漏极和P沟道增强型场效应管Q2的漏极同时连接；N沟道增强型场效应管Q4源极与输出反馈单元4连接，N沟道增强型场效应管Q4漏极上设置输出负极点B。
输出反馈单元4中，电阻R8一端接地，另一端与N沟道增强型场效应管Q4的源极和电阻R7同时连接，电阻R7另一端与控制单元6连接。
优选地，滤波电容C1为电解电容，储能电容C2为电解电容。
优选地，控制单元为51单片机。
优选地，数模转换器U2是MCP4921芯片，三端可调稳压器U4是LM317芯片。
本发明还提供一种激光二极管微秒脉冲驱动电路的驱动方法，包括以下步骤：
控制单元6通过触发脉冲输入端Pin接收外部触发脉冲信号；
控制单元6向倒相单元5输出与触发脉冲输入端Pin同步的脉冲信号；
控制单元6接收反馈单元4所反馈的激光二极管工作电流信号；
控制单元6向可调稳压电路单元1输出电压调整信号；
可调稳压电路单元1向倒相单元5和驱动单元3输出可调整后的稳压电压；
倒相单元5接收控制单元6输出的脉冲信号，倒相后输出到驱动单元3；
驱动单元3接收倒相单元5输出的脉冲信号，倒相并放大后驱动输出单元2；
输出单元2接收驱动单元3输出的脉冲信号，输出脉冲电流驱动激光二极管。
本发明的激光二极管微秒脉冲驱动电路，在工作时，控制单元6从Pin接收外部输入脉冲后再输出脉冲，可以方便输出或切断脉冲输出。同时控制单元6采用单片机，单片机输出脉冲波形边缘陡峭，与输入脉冲波形边缘陡峭程度无关。控制单元6输出脉冲经过倒相单元5倒相后，再输入驱动单元3，驱动单元3再倒相后输出到输出单元2。这部分脉冲是处于开环控制，倒相单元5的双极型NPN三极管Q1和驱动单元3的P沟道增强型场效应管Q2、N沟道增强型场效应管Q3都是采用高速器件，使输入到驱动单元3的脉冲波形边缘陡峭。控制单元6输出的脉冲经过倒相单元5和驱动单元3两次倒相后，与控制单元6所输出的脉冲同相，也与外部输入脉冲同相。输出单元2接收到边缘陡峭的脉冲后，输出边缘陡峭的脉冲电流，使激光二极管输出激光脉冲。输出单元2的N沟道增强型场效应管Q4为大功率高速场效应管，可以保证输出电流脉冲的陡峭性。输出单元2所输出的电流大小值由驱动单元3所输出的脉冲电压幅值确定，通过控制单元6控制可调稳压电路单元1的输出电压值，可以调整驱动单元3输出的脉冲电压幅值。可调稳压电路单元1采用数模转换器件，方便控制单元6调整输出电压值，同时可以精确控制。可调稳压电路单元1通过控制单元6控制数模转换器U2，数模转换器U2为MCP4921,其中，SCK为串行时钟引脚，SDI为串行数据输入引脚，由控制单元6向数模转换器U2传输需要转换的二进制电压值，CS为数模转换器U2的选通引脚。在工作时，控制单元6通向数模转换器U2传输需要转换的二进制电压值，数模转换器U2转换成相对应的模拟电压后，输出到运算放大器U3的同相输入端。运算放大器U3输出端连接到三端可调稳压器U4的调整端ADJ，用以控制三端可调稳压器U4的输出电压。三端可调稳压器U4的输出电压经输出反馈单元4中电阻R1和电阻R2串联分压后，电阻R1上的电压输入到运算放大器U3的反相输入端，通过引入负反馈到运算放大器U3，使三端可调稳压器U4的调整端ADJ电压稳定，从而稳定三端可调稳压器U4的输出电压。控制单元6改变传递给数模转换器U2的需要转换的二进制电压值发生改变，数模转换器U2的输出模拟电压发生改变，三端可调稳压器U4调整端ADJ电压同步发生改变，从而三端可调稳压器U4的输出电压发生改变。驱动单元3输出电压由可调稳压电路单元1输出电压决定，只需要改变调稳压电路单元电压，就可以改变驱动单元3输出电压，驱动单元3输出电压控制输出单元2输出电流。储能电容C2用于输出单元2输出脉冲时需要的电流，输出单元2不输出脉冲时，电源VDD向储能电容C2充电；输出单元2输出脉冲时，储能电容C2和电源VDD同时提供电流，以使激光二极管发光LD。
Claims (7)
1.一种激光二极管微秒脉冲驱动电路，其特征是：驱动电路含可调稳压电路单元(1)、输出单元(2)、驱动单元(3)、输出反馈单元(4)、倒相单元(5)和控制单元(6)，控制单元(6)设置触发脉冲输入端Pin,控制单元(6)输出端与可调稳压电路单元(1)信号输入端连接；可调稳压电路单元(1)输出端同时与倒相单元(5)电源输入端和驱动单元(3)电源输入端连接；控制单元(6)输出端与倒相单元(5)信号输入端连接，倒相单元(5)输出端与驱动单元(3)信号输入端连接，驱动单元(3)输出端与输出单元(2)信号输入端连接，输出单元(2)设置输出正极点A和输出负极点B与激光二极管连接；输出反馈单元(4)输入端与输出单元(2)连接，输出反馈单元(4)输出端与控制单元(6)连接，可调稳压电路单元(1)包括数模转换器U2，数模转换器U2的输入端与控制单元(6)中单片机U1相连接，数模转换器U2输出端与运算放大器U3同相输入端连接，运算放大器U3输出端与三端可调稳压器U4的调整端ADJ连接，调整端ADJ通过电阻R3与输出端Vout连接，运算放大器U3反相输入端通过电阻R1接地，运算放大器U3反相输入端通过电阻R2与三端可调稳压器U4的输出端Vout连接，三端稳压器U4的输出端Vout与滤波电容C1正极连接，滤波电容C1负极接地，三端稳压器U4的输出端Vout同时与倒相单元(5)和驱动单元(3)连接；
倒相单元(5)中双极型NPN三极管Q1的基极通过电阻R5与控制单元(6)中单片机U1连接，双极型NPN三极管Q1的发射极接地，双极型NPN三极管Q1的集电极与驱动单元(3)连接，双极型NPN三极管Q1的集电极通过电阻R4与三端可调稳压器U4的输出端Vout连接；
驱动单元(3)中，P沟道增强型场效应管Q2的源极与三端可调稳压器U4的输出端Vout连接，P沟道增强型场效应管Q2的漏极与N沟道增强型场效应管Q3的漏极相连接后与输出单元(2)连接，N沟道增强型场效应管Q3的源极接地，P沟道增强型场效应管Q2的栅极和N沟道增强型场效应管Q3的栅极同时与双极型NPN三极管Q1的集电极相连接；
输出单元(2)中，主电源正极VDD与储能电容C2正极连接，储能电容C2负极接地，主电源正极VDD上设置输出正极点A；N沟道增强型场效应管Q4栅极通过电阻R6与N沟道增强型场效应管Q3漏极和P沟道增强型场效应管Q2的漏极同时连接；N沟道增强型场效应管Q4源极与输出反馈单元(4)连接，N沟道增强型场效应管Q4漏极上设置输出负极点B；
输出反馈单元(4)中，电阻R8一端接地，另一端与N沟道增强型场效应管Q4的源极和电阻R7同时连接，电阻R7另一端与控制单元(6)连接。
2.根据权利要求1所述的激光二极管微秒脉冲驱动电路，其特征是滤波电容C1为电解电容。
3.根据权利要求1所述的激光二极管微秒脉冲驱动电路，其特征是储能电容C2为电解电容。
4.根据权利要求1所述的激光二极管微秒脉冲驱动电路,其特征是控制单元(6)为51单片机。
5.根据权利要求1所述的激光二极管微秒脉冲驱动电路,其特征是，其特征是数模转换器U2是MCP4921芯片。
6.根据权利要求1所述的激光二极管微秒脉冲驱动电路,其特征是，三端可调稳压器U4是LM317芯片。
7.一种如权利要求1-6任一所述的激光二极管微秒脉冲驱动电路的驱动方法，包括以下步骤：
控制单元(6)通过触发脉冲输入端Pin接收外部触发脉冲信号；
控制单元(6)向倒相单元(5)输出与触发脉冲输入端Pin同步的脉冲信号；
控制单元(6)接收反馈单元(4)所反馈的激光二极管工作电流信号；
控制单元(6)向可调稳压电路单元(1)输出电压调整信号；
可调稳压电路单元(1)向倒相单元(5)和驱动单元(3)输出可调整后的稳压电压；
倒相单元(5)接收控制单元(6)输出的脉冲信号，倒相后输出到驱动单元(3)；
驱动单元(3)接收倒相单元(5)输出的脉冲信号，倒相并放大后驱动输出单元(2)；
输出单元(2)接收驱动单元(3)输出的脉冲信号，输出脉冲电流驱动激光二极管LD。
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