CN104201562B - 一种带温度补偿的半导体激光驱动源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带温度补偿的半导体激光驱动源，包含：依次电路连接的脉宽变换电路、驱动放大电路、功率开关电路、激光器电路；设置在驱动放大电路与功率开关电路之间的有源下拉电路；一滤波储能电路，与功率开关电路连接；其中，所述有源下拉电路包含第一电阻、第二电阻、第一三极管；所述第一电阻的一端连接第一三极管的基极，其另一端分别连接所述第二电阻的一端、驱动放大电路、功率开关电路；所述第二电阻的另一端连接第一三极管的集电极；所述第一三极管的发射极接地。本发明能够提供窄脉冲驱动信号，并抑制大电流信号在开关瞬间产生的di/dt噪声，而且实现驱动电路器件、激光器本身在高低温条件下的参数漂移进行温度补偿。

Description

一种带温度补偿的半导体激光驱动源

技术领域

本发明涉及激光引信用窄脉冲、高功率半导体激光驱动领域，具体涉及一种带温度补偿的半导体激光驱动源。

背景技术

为了提高激光引信作用距离、抗干扰性能以及超低空性能，满足小型化、全天候工作的要求，激光驱动源必须在满足小型化、低功耗的总体要求下，实现窄脉宽、高峰值功率的要求，同时电路必须具有温度补偿功能，以实现对电路器件及激光器本身在高低温情况下的特性参数漂移的补偿。

激光器为电流驱动器件，为了使激光器输出窄脉冲、高功率的激光，需要驱动器提供相应的窄脉冲大电流信号。因此驱动电路需要高速的功率开关能够响应足够窄的脉冲，并且储能电路能够提供足够的电流且在短时间内完成泄放。同时为了不影响接收系统正常工作，驱动源必须尽量抑制由于大电流脉冲信号引起的di/dt噪声干扰。

现有技术中，为了实现窄脉冲、大功率驱动，采用以下几种方式：

提高驱动源的供电电压，通过高压产生的强电场，使半导体开关器件能够较快地响应窄脉冲，并且通过高压储能来获取大电流。通过提高电压的方式，可以降低电路设计难度，获得较大的驱动电流，但是，这样会增加电源的小型化设计难度，同时导致电路在脉冲开关瞬间产生较大的反向过冲，并伴生空间辐射干扰，影响同机工作接收系统的正常工作。

采用Mark Bank电路，即多个开关管并联充电，然后串联向负载放电的电路。这种电路可以实现以较低的电源电压实现窄脉冲大电流驱动，但是由于多个开关管并联工作，对每个开关管导通电阻、延迟时间等参数要进行严格筛选，不适用于需要量产的产品。

采用MOS开关驱动芯片，提供窄脉冲驱动信号。通常MOS开关驱动芯片可以提供安培级的窄脉冲驱动电流，可以快速驱动MOS开关，使电路在较低的供电电压下工作。但这种方案会使电路在关断瞬间产生较大的反向过冲，长时间工作可能会对激光器造成性能损伤。

专利号为201220594134.7的一种窄脉冲激光发生器中，公开了一种窄脉冲激光发生器的电路结构，电路设计简单，精度高。但电路需要外部提供窄脉冲信号，不具备温度补偿功能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带温度补偿的半导体激光驱动源，能够提供窄脉冲驱动信号，并抑制大电流信号在开关瞬间产生的di/dt噪声，而且实现驱动电路器件、激光器本身在高低温条件下的参数漂移进行温度补偿。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：一种带温度补偿的半导体激光驱动源，其特点是，包含：

依次电路连接的脉宽变换电路、驱动放大电路、功率开关电路、激光器电路；

设置在驱动放大电路与功率开关电路之间的有源下拉电路；

一滤波储能电路，与功率开关电路连接；

其中，所述有源下拉电路包含第一电阻、第二电阻、第一三极管；所述第一电阻的一端连接第一三极管的基极，其另一端分别连接所述第二电阻的一端、驱动放大电路、功率开关电路；所述第二电阻的另一端连接第一三极管的集电极；所述第一三极管的发射极接地。

较佳地，所述的脉宽变换电路包含依次电路连接的第一电容及温度补偿电路；

所述的温度补偿电路包含热敏电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻；

所述第四电阻(123)与第五电阻(124)串联，所述第四电阻(123)的一端与所述第五电阻(124)连接，另一端接地，所述第五电阻(124)的一端与所述第四电阻(123)连接，另一端分别连接所述第一电容(11)及驱动放大电路(2)；

所述热敏电阻(121)与第三电阻(122)串联后与所述第四电阻(123)并联；

所述第一电容(11)的一端与所述第五电阻(124)连接，另一端作为半导体激光驱动源的输入端。

优选地，所述的驱动放大电路包含第二三极管、第三三极管、第六电阻、第七电阻及第一供电电源；

所述第二三极管与第三三极管直接耦合；

所述第二三极管的发射极连接第三电阻与第四电阻并联的一端；

所述第一电容与第五电阻连接的一端与所述第二三极管的基极连接；

所述第二三极管的集电极连接所述第三三极管的基极；

所述第三三极管的发射极通过第六电阻连接所述第一供电电源；

所述第三三极管的基极通过第七电阻连接所述第一供电电源；

所述第三三极管的发射极连接有源下拉电路的第一电阻。

优选地，所述的功率开关电路包含第八电阻及功率开关；

所述第一电阻与第二电阻连接的一端与所述第八电阻的一端连接；

所述第八电阻的另一端连接所述功率开关的栅极；

所述功率开关的源极连接所述第一三极管的发射极；

所述功率开关的漏极连接激光器电路。

优选地，所述的激光器电路包含第一二极管、第二二极管及激光器；

所述第一二极管的阳极连接所述功率开关的源极；

所述第一二极管的阴极连接所述功率开关的漏极；

所述第二二极管的阳极连接所述第一二极管的阴极；

所述激光器的阳极连接所述第二二极管的阴极；

所述激光器的阴极连接所述第二二极管的阳极。

优选地，所述的滤波储能电路包含滤波电容、储能电容及第二供电电源；

所述滤波电容与储能电容并联；

所述储能电容的正极连接所述第二供电电源及所述激光器的阳极；

所述储能电容的负极接地。

优选地，所述的热敏电阻为负温度系数热敏电阻。

优选地，所述的第二三极管为NPN型三极管；所述第三三极管为PNP型三极管。

优选地，所述的功率开关为N沟道MOSFET。

本发明一种带温度补偿的半导体激光驱动源与现有技术相比具有以下优点：由于设有功率开关电路，能够快速响应窄脉冲驱动信号，并提供激光器工作的大电流信号，激励激光器产生窄脉宽、高峰值功率的激光信号，并且满足小型化、低功耗的要求；使用DirectFET的封装的MOSFET作为功率开 关，具有低电阻、低输入电容和低管壳电感等特点，采用底部冷却，其米勒效应较小，开关速度快，能够快速响应窄脉冲激光驱动信号，保证电路在较低的供电电压的条件下，使激光器能够获得更大的窄脉冲驱动电流，从而使激光器输出十几纳秒、百瓦以上的峰值功率，并且实现电路的小型化要求；用互补三极管实现窄脉冲信号的驱动放大，以提供足够大的电流驱动MOSFET快速打开，并采用有源下拉电路，有效地控制驱动信号后沿的拖尾现象，并为开关关断时提供泄放回路，使得信号能够快速关断，同时减小关断过冲，从而减小电路产生的噪声效应；脉宽变换电路带有温度补偿功能，能够对驱动电路器件和激光器本身在高低温条件下的参数漂移进行温度补偿，使得在全温条件下工作时，激光器输出的光脉冲宽度及峰值功率起伏控制在较小的范围内。

附图说明

图1为本发明一种带温度补偿的半导体激光驱动源的结构框图；

图2为本发明的电路连接示意图；

图3为温度补偿网络的电阻/温度特性曲线，其中实线为负温度系数电阻热敏电阻的特性曲线，虚线为热敏电阻配合第三电阻、第四电阻、第五电阻后的特性曲线。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1及图2所示，一种带温度补偿的半导体激光驱动源，包含：依次电路连接的脉宽变换电路1、驱动放大电路2、功率开关电路3、激光器电路4；设置在驱动放大电路2与功率开关电路3之间的有源下拉电路5；一滤波储能电路6，与功率开关电路3连接；其中，所述有源下拉电路5包含第一电阻51、第二电阻52、第一三极管53；所述第一电阻51的一端连接第一三极管53的基极，其另一端分别连接所述第二电阻52的一端、驱动放大电路2、功率开关电路3；所述第二电阻52的另一端连接第一三极管53的集电极；所述第一三极管53的发射极接地。

如图2所示，脉宽变换电路1包含依次电路连接的第一电容11及温度补偿电路12；所述的温度补偿电路12包含热敏电阻121、第三电阻122、第四 电阻123、第五电阻124；所述第四电阻123与第五电阻124串联，所述第四电阻123的一端与所述第五电阻124连接，另一端接地，所述第五电阻124的一端与所述第四电阻123连接，另一端分别连接所述第一电容11及驱动放大电路2；所述热敏电阻121与第三电阻122串联后与所述第四电阻123并联；所述第一电容11的一端与所述第五电阻124连接，另一端作为半导体激光驱动源的输入端。通过调整第三电阻122、第四电阻123、第五电阻124的参数，可以调整温度补偿曲线。

脉宽变换电路1采用微分的方式将输入信号微分后得到一个窄脉冲。其中，微分电阻网络由温度补偿电路12中的电阻组成，包含热敏电阻121、第三电阻122、第四电阻123、第五电阻124，热敏电阻121为负温度系数的热敏电阻，其温度特性曲线为负指数型，如图3中实线所示。通过串并联第三电阻122、第四电阻123、第五电阻124，可以将热敏电阻121的温度曲线根据设计需要进行调整，使其在高低温下的调整幅度满足设计要求，如图3中虚线所示。通过该阻容网络，可以补偿器件和激光器在低温条件下的参数漂移，使激光驱动源在全温范围下满足脉宽和峰值功率变化范围要求。

如图2所示，驱动放大电路2包含第二三极管21(NPN型三极管)、第三三极管22(PNP型三极管)、第六电阻23、第七电阻24及第一供电电源25；所述第二三极管21与第三三极管22直接耦合，形成高频互补三极管；所述第二三极管21的发射极连接第三电阻122与第四电阻123并联的一端；所述第一电容11与第五电阻124连接的一端与所述第二三极管21的基极连接；所述第二三极管21的集电极连接所述第三三极管22的基极；所述第三三极管22的发射极通过第六电阻23连接所述第一供电电源25；所述第三三极管22的基极通过第七电阻24连接所述第一供电电源25；所述第三三极管22的发射极连接有源下拉电路5的第一电阻51。

前述的微分电阻网络(热敏电阻121、第三电阻122、第四电阻123、第五电阻124)为第二三极管21的基极偏置电阻；第七电阻24既是第二三极管21的集电极电阻，同时也是第三三极管22的基极偏置；第六电阻23为第二三极管21的发射极电阻。基准脉冲信号经微分后接入第二三极管21的基极，再由集电极输出至第三三极管22的基极，经放大后由第三三极管22的集电极输出。经过两个互补三极管放大后信号仍为正向脉冲，且其驱动能力 得到放大，能够提供足够大的电流对MOSFET的栅极电容进行充电，使之快速打开。

如图2所示，功率开关电路3包含第八电阻31(栅极保护电阻)及功率开关32(DirectFET封装技术的N沟道MOSFET)；所述第一电阻51与第二电阻52连接的一端与所述第八电阻31的一端连接；所述第八电阻31的另一端连接所述功率开关32的栅极；所述功率开关32的源极连接所述第一三极管53的发射极；所述功率开关32的漏极连接激光器电路4。

如图2所示，激光器电路4包含第一二极管41、第二二极管42及激光器43；所述第一二极管41的阳极连接所述功率开关32的源极；所述第一二极管41的阴极连接所述功率开关32的漏极；所述第二二极管42的阳极连接所述第一二极管41的阴极；所述激光器43的阳极连接所述第二二极管42的阴极；所述激光器43的阴极连接所述第二二极管42的阳极。

如图2所示，滤波储能电路6包含滤波电容61、储能电容62及第二供电电源63；所述滤波电容61与储能电容62并联；所述储能电容62的正极连接所述第二供电电源63及所述激光器43的阳极；所述储能电容62的负极接地。

功率开关电路3、滤波储能电路6、激光器电路4构成激光器的工作回路。当前级电路没有驱动信号到达的时候，MOS管处于关闭状态，第二供电电源63向储能电容62充电；当前级驱动信号到达时，MOS开关瞬时开启，储能电容62向激光器43放电，激光器43发光；当驱动信号结束后，开关断开，激光器43结束发光，电源再次向储能电容62充电，为下一个信号储能。

在驱动放大电路2和功率开关电路3之间增加有源下拉电路5，该电路在第三三极管22集电极输出电压较低时呈现为大电阻，当其两端的电压达到0.7V左右时，呈现很小的电阻。这样，可以有效地控制驱动信号后沿的拖尾现象，并为开关关断时提供泄放回路，使得信号能够快速关断，保证窄脉冲信号的质量。同时由于有源下拉电路的设计，减小了MOS管关断时产生的信号过冲，从而减小电路产生的噪声。

由于激光器43为电流驱动器件，为了使激光器43输出窄脉冲高功率的激光，驱动器必须提供相应的窄脉冲大电流信号。然而由于器件分布参数、激光器的管脚引线、以及电路布局布线引起的电路分布参数的影响，会阻碍 窄脉冲大电流信号的形成，使得信号的沿恶化，且峰值受限，因此必须减小激光放电回路的分布参数。为此，选用DirectFET封装技术的N沟道MOSFET，这种封装是表面安装型MOSFET封装技术的一项突破，具有低电阻、低输入电容和低管壳电感等特点，减小器件分布参数的影响；同时将N沟道MOSFET的电路连接形式可以实现将激光器43的阴、阳两极串联在储能电容62的放电回路中，使得激光器43不用直接于地回路连接，减小放电回路的回流面积，从而抑制由于大电流脉冲信号引起的di/dt噪声干扰，也避免了激光发射电路和接收电路之间的噪声耦合。反向削峰第一二极管41、第二二极管42的适用，进一步减小MOS管关断瞬间产生的反向过冲，保护激光器不会被击穿。另外，DirectFET封装的MOSFET只有SO-8封装的覆盖面积，体积很小，MOSFET封装覆盖面积仅为5mm×4mm，高度仅为0.7mm，可以实现电路的小型化要求。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种带温度补偿的半导体激光驱动源，其特征在于，包含：

依次电路连接的脉宽变换电路(1)、驱动放大电路(2)、功率开关电路(3)、激光器电路(4)；

设置在驱动放大电路(2)与功率开关电路(3)之间的有源下拉电路(5)；

一滤波储能电路(6)，与功率开关电路(3)连接；

其中，所述有源下拉电路(5)包含第一电阻(51)、第二电阻(52)、第一三极管(53)；所述第一电阻(51)的一端连接第一三极管(53)的基极，其另一端分别连接所述第二电阻(52)的一端、驱动放大电路(2)、功率开关电路(3)；所述第二电阻(52)的另一端连接第一三极管(53)的集电极；所述第一三极管(53)的发射极接地。

2.如权利要求1所述的半导体激光驱动源，其特征在于，所述的脉宽变换电路(1)包含依次电路连接的第一电容(11)及温度补偿电路(12)；

所述的温度补偿电路(12)包含热敏电阻(121)、第三电阻(122)、第四电阻(123)、第五电阻(124)；

所述第四电阻(123)与第五电阻(124)串联，所述第四电阻(123)的一端与所述第五电阻(124)连接，另一端接地，所述第五电阻(124)的一端与所述第四电阻(123)连接，另一端分别连接所述第一电容(11)及驱动放大电路(2)；

所述热敏电阻(121)与第三电阻(122)串联后与所述第四电阻(123)并联；

所述第一电容(11)的一端与所述第五电阻(124)连接，另一端作为半导体激光驱动源的输入端。

3.如权利要求2所述的半导体激光驱动源，其特征在于，所述的驱动放大电路(2)包含第二三极管(21)、第三三极管(22)、第六电阻(23)、第七电阻(24)及第一供电电源(25)；

所述第二三极管(21)与第三三极管(22)直接耦合；

所述第二三极管(21)的发射极连接第三电阻(122)与第四电阻(123)并联的一端；

所述第一电容(11)与第五电阻(124)连接的一端与所述第二三极管(21)的基极连接；

所述第二三极管(21)的集电极连接所述第三三极管(22)的基极；

所述第三三极管(22)的发射极通过第六电阻(23)连接所述第一供电电源(25)；

所述第三三极管(22)的基极通过第七电阻(24)连接所述第一供电电源(25)；

所述第三三极管(22)的发射极连接有源下拉电路(5)的第一电阻(51)。

4.如权利要求1所述的半导体激光驱动源，其特征在于，所述的功率开关电路(3)包含第八电阻(31)及功率开关(32)；

所述第一电阻(51)与第二电阻(52)连接的一端与所述第八电阻(31)的一端连接；

所述第八电阻(31)的另一端连接所述功率开关(32)的栅极；

所述功率开关(32)的源极连接所述第一三极管(53)的发射极；

所述功率开关(32)的漏极连接激光器电路(4)。

5.如权利要求4所述的半导体激光驱动源，其特征在于，所述的激光器电路(4)包含第一二极管(41)、第二二极管(42)及激光器(43)；

所述第一二极管(41)的阳极连接所述功率开关(32)的源极；

所述第一二极管(41)的阴极连接所述功率开关(32)的漏极；

所述第二二极管(42)的阳极连接所述第一二极管(41)的阴极；

所述激光器(43)的阳极连接所述第二二极管(42)的阴极；

所述激光器(43)的阴极连接所述第二二极管(42)的阳极。

6.如权利要求5所述的半导体激光驱动源，其特征在于，所述的滤波储能电路(6)包含滤波电容(61)、储能电容(62)及第二供电电源(63)；

所述滤波电容(61)与储能电容(62)并联；

所述储能电容(62)的正极连接所述第二供电电源(63)及所述激光器(43)的阳极；

所述储能电容(62)的负极接地。

7.如权利要求2所述的半导体激光驱动源，其特征在于，所述的热敏电阻(121)为负温度系数热敏电阻。

8.如权利要求3所述的半导体激光驱动源，其特征在于，所述的第二三极管(21)为NPN型三极管；所述第三三极管(22)为PNP型三极管。

9.如权利要求4所述的半导体激光驱动源，其特征在于，所述的功率开关(32)为N沟道MOSFET。