CN108847572A - 一种半导体激光器的供电装置及恒流源 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种半导体激光器的供电装置及恒流源，该供电装置至少包括采集卡，用于产生输入信号；第一电源，第一电源与采集卡和半导体激光器连接；第二电源，第二电源用于为第一电源提供工作电压；第三电源，第三电源用于为半导体激光器提供工作电压；第一电源包括运算放大器、负反馈电路、晶体管、二极管和第一电阻，运算放大器的第一输入端与采集卡连接，运算放大器的第二输入端与运算放大器的输出端连接；晶体管的第一端与运算放大器的输出端连接，晶体管的第二端与半导体激光器连接，晶体管的第三端通过第一电阻接地。通过上述方式，本申请能够实现大功率、快速响应和稳定的电流输入，提高半导体激光器芯片的测试效率。

Description

一种半导体激光器的供电装置及恒流源

技术领域

本申请涉及半导体激光技术领域，具体设计一种半导体激光器的供电装置及恒流源。

背景技术

目前国际上半导体激光的发展正处于快速发展时期，而我国的激光科学技术基本保持了与国际同步发展的姿态。由于半导体激光器的转换效率高、寿命长、体积小、重量轻、可靠性高、能直接调制以及易与其他半导体器件集成等特点，其在军事、工业加工、激光医疗、光通信、光存储和激光打印等信息领域中有着非常广泛的应用。

半导体激光器有别其他一些光泵浦激光器，它的粒子数反转是由电流注入形成，大功率半导体激光器需要稳定的大电流注入，所以对于驱动电源的研究，成为大功率半导体激光器的核心技术。

目前市面上大部分大功率恒流源并不满足半导体激光器对供电电流要求，主要存在以下几个问题：

在脉冲模式中，电源响应时间长，电流上升速度慢，对于激光芯片测试速度以及在工作过程中产生的热效应大。

电流输出不够稳定，容易出现纹波和过冲现象，对于激光芯片会是很大的损坏。

市面上的激光器电源很少能做到大功率的脉冲和恒流源两种模式自如切换；在激光器测试、老化和应用中，根据不同需求，需要选择不同电流供给。

发明内容

本申请主要解决的问题是提供一种半导体激光器的供电装置及恒流源，能够实现大功率、快速响应和稳定的电流输入，提高半导体激光器芯片的测试效率。

为解决上述技术问题，本申请采用的技术方案是提供一种半导体激光器的供电装置，半导体激光器的供电装置至少包括：采集卡，用于产生输入信号；第一电源，第一电源的输入端与采集卡连接，第一电源的输出端与半导体激光器连接；第二电源，第二电源与第一电源连接，用于为第一电源提供工作电压；第三电源，第三电源与半导体激光器连接，用于为半导体激光器连接提供工作电压；其中，第一电源为恒流源，第一电源包括运算放大器、负反馈电路、晶体管、二极管和第一电阻，运算放大器的第一输入端与采集卡连接，运算放大器的第二输入端与运算放大器的输出端通过负反馈电路连接；晶体管的第一端与运算放大器的输出端连接，晶体管的第二端与半导体激光器连接，晶体管的第三端通过第一电阻接地，二极管的一端连接晶体管的第一端，二极管的另一端接地。

为解决上述技术问题，本申请采用的另一技术方案是提供一种恒流源，恒流源用于半导体激光器的供电装置，恒流源包括运算放大器、负反馈电路、晶体管、二极管和第一电阻，运算放大器的第一输入端与采集卡连接，采集卡用于产生输入信号，运算放大器的第二输入端与运算放大器的输出端通过负反馈电路连接；晶体管的第一端与运算放大器的输出端连接，晶体管的第二端与半导体激光器连接，晶体管的第三端通过第一电阻接地，二极管的一端连接晶体管的第一端，二极管的另一端接地。

通过上述方案，本申请的有益效果是：该半导体激光器的供电装置至少包括采集卡、第一电源、第二电源和第三电源；第一电源为恒流源，第一电源包括运算放大器、负反馈电路、晶体管、二极管和第一电阻；采集卡产生的输入信号输入运算放大器的同向输入端，运算放大器的第二输入端与运算放大器的输出端通过负反馈电路连接，第二电源为运算放大器提供工作电压；第三电源与半导体激光器连接，用于为半导体激光器连接提供工作电压；晶体管的第一端与运算放大器的输出端连接，晶体管的第二端与半导体激光器连接，晶体管的第三端通过第一电阻接地，二极管的负极连接晶体管的第一端，二极管的正极接地，以保护晶体管不被烧坏；且能够实现大功率、快速响应和稳定的电流输入，提高半导体激光器芯片的测试效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1是本申请提供的半导体激光器的供电装置一实施例的结构示意图；

图2是本申请提供的半导体激光器的供电装置另一实施例的结构示意图；

图3是本申请提供的半导体激光器的供电装置另一实施例中的模拟输入电压和输出电流波形示意图；

图4是本申请提供的半导体激光器的供电装置另一实施例中的模拟输入电压和输出电流对应关系示意图；

图5是本申请提供的半导体激光器的供电装置另一实施例中的实际输入电压和输出电压波形示意图；

图6是本申请提供的半导体激光器的供电装置又一实施例的结构示意图；

图7是本申请提供的恒流源的电路结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性的劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

参阅图1，图1是本申请提供的半导体激光器的供电装置一实施例的结构示意图，该半导体激光器的供电装置至少包括：采集卡11、第一电源12、第二电源13和第三电源14。

采集卡11用于产生输入信号，采集卡11主要是捕获外界光电、视频、音频等模拟信号并将其数字化导入计算机进行数字处理的捕获设备，主要有图像采集卡、视频采集卡、音频采集卡(比如声卡)和数据采集卡等。

第二电源13与第一电源12连接，第二电源13用于为第一电源12提供工作电压，第二电源13为第一电源12正常运行供电，通常第二电源13输出的电压为12V。

第三电源14与半导体激光器15连接，用于为半导体激光器连接提供工作电压。

第一电源12的输入端与采集卡11连接，采集卡11为第一电源12提供输入信号，即电压信号；根据输入信号的不同，第一电源12可工作在脉冲模式或者恒流模式；第一电源12的输出端与半导体激光器15连接，用于给半导体激光器15提供工作电流。

第一电源12为恒流源，第一电源12包括运算放大器121、负反馈电路122、晶体管123、二极管124和第一电阻125。

运算放大器121的第一输入端与采集卡11连接，运算放大器121的第二输入端与运算放大器121的输出端通过负反馈电路122连接，第一电源12为运算放大器121提供工作电压；其中，运算放大器121的第一输入端为同相输入端，运算放大器121的第二输入端为反向输入端。

晶体管123的第一端与运算放大器121的输出端连接，晶体管123的第二端与半导体激光器15连接，晶体管123的第三端通过第一电阻125接地；晶体管123可以为MOS管，图1中所示为N型MOS管，但本实施例中并不仅限于N型MOS管；晶体管123的第一端为栅极，晶体管123的第二端为漏极，晶体管123的第三端为源级。

二极管124的一端连接晶体管123的第一端，二极管124的另一端接地；二极管124用于防止晶体管123在脉冲模式中，快速开关导致浪涌电流对晶体管123造成损坏；图1中所示为二极管124的负极连接晶体管123的第一端，二极管124的正极接地。

运算放大器121和负反馈电路122构成运放负反馈电路，运放负反馈电路有两个特点：虚短和虚断，因此运算放大器121的第一输入端电压等于第二输入端相电压；当第一电阻125的阻值为固定值时，采集卡11输出的电压与晶体管123第二端的电流成正比；通过调节采集卡11输出的电压便可控制输入半导体激光器15的输入电流。

区别于现有技术，本实施例提供的半导体激光器的供电装置，该半导体激光器的供电装置至少包括：采集卡、第一电源、第二电源和第三电源；第一电源为恒流源，第一电源包括运算放大器、负反馈电路、晶体管、二极管和第一电阻；采集卡产生的输入信号输入运算放大器的同向输入端，运算放大器的第二输入端与运算放大器的输出端通过负反馈电路连接，第二电源为运算放大器提供工作电压；第三电源与半导体激光器连接，用于为半导体激光器连接提供工作电压；晶体管的第一端与运算放大器的输出端连接，晶体管的第二端与半导体激光器连接，晶体管的第三端通过第一电阻接地，二极管的负极连接晶体管的第一端，二极管的正极接地，以保护晶体管不被烧坏；且能够实现大功率、快速响应和稳定的电流输入，提高半导体激光器芯片的测试效率。

参阅图2和图3，图2是本申请提供的半导体激光器的供电装置另一实施例的结构示意图，该半导体激光器的供电装置至少包括：计算机21、分压电路22、采集卡23、第一电源24、第二电源25和第三电源26。

采集卡23提供的输入信号由计算机21通过采集卡23输出，再经过分压电路22，将电压信号输入至第一电源24。

第一电源24包括运算放大器241、第一电容242、晶体管243、二极管244、第一电阻245、第二电阻246、第三电阻247和第二电容248。

运算放大器241的输出端与晶体管243的第一端通过第二电阻246连接，运算放大器241的输出端与第一电容242耦接于第二电阻246的一端。

晶体管243的第一端与二极管244的一端耦接于第二电阻246的另一端；晶体管243的第二端与半导体激光器27的负端连接，半导体激光器27的正端连接第三电源26；晶体管243的第三端与运算放大器241的第二输入端通过第三电阻247连接。

二极管244可以为瞬态抑制二极管，用以防止浪涌电流损坏晶体管243。

第二电源25为运算放大器241提供驱动电压，且第二电源25通过第二电容248接地。

第一电源24的电路属于运放负反馈电路，因而运算放大器241的第一输入端与运算放大器241的第二输入端的输入电压相同，运算放大器241的第一输入端输入电压Vin等于晶体管第三端的电压Vo。

如图2中所示，晶体管243为N型MOS管，由于场效应管用栅源电压Ugs控制漏极电流Id，栅极基本不消耗电流，因而漏极电流Id等于栅极电流Is，而栅极电流Is的计算公式如下所示：

Is＝Vo/R1＝Vin/R1

其中，R1为第一电阻245的阻值；当第一电阻245的阻值R1固定时，输入电压Vin和漏极电流Id成正比。

因此，晶体管243第二端输出的电流Id与运算放大器241的第一端输入的电压Vin成正比。

利用仿真软件(例如multisim)可以得到晶体管243第二端输出的电流Id与运算放大器241的第一端输入的电压Vin的波形图，如图3所示，运算放大器241的第一端输入的电压为2.5V的脉冲信号，第一电阻245的阻值R1＝0.5Ω，则Id＝Vin/R1＝2.5V/0.5Ω＝5A。

晶体管243第二端输出的电流Id与运算放大器241的第一端输入的电压Vin之间的对应关系如图4所示；由图中可以得知，晶体管243第二端输出的电流Id和运算放大器241的第一端输入的电压Vin成线性比例，且线性度比较好。因此可以根据晶体管243第二端输出的电流Id与运算放大器241的第一端输入的电压Vin之间的线性关系，调节运算放大器241的第一端输入的电压Vin，从而得到半导体激光器27所需要的电流。

在实际测量过程中，可利用信号发生器产生输入信号，从而测量输入信号与输出电流之间的关系；例如，如图5所示，输入电压Vin为方波A，峰值为2.5V，脉冲频率100Hz，占空比为1％；输出波形图如曲线B所示；从图中可以得知，电流响应时间为22μs，响应速度比较快，电流也比较平稳。此外由于使用测试夹具从而带来的下降沿的过冲，实际并不存在过冲现象，所以满足了半导体激光芯片对电流源的大功率、快速响应和稳定输出的要求。

区别于现有技术，本实施例提供的半导体激光器的供电装置包括采集卡、第一电源、第二电源和第三电源；第一电源包括运算放大器、第一电容、晶体管、二极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第二电容；首先利用采集卡产生输入信号，将输入信号输入运算放大器的同向输入端，运算放大器的第二输入端与运算放大器的输出端通过第一电容连接，以防止电路产生震荡；晶体管第二端输出的电流与运算放大器的第一端输入的电压成正比，通过控制运算放大器的第一端输入的电压从而控制输出电流；利用瞬态抑制二极管保护晶体管不被烧坏；且能够实现大功率、快速响应和稳定的电流输入，提高半导体激光器芯片的测试效率。

参阅图6，图6是本申请提供的半导体激光器的供电装置又一实施例的结构示意图，该半导体激光器的供电装置至少包括：计算机61、分压电路62、采集卡63、第一电源64、第二电源65、第三电源66、稳压电路67、电流反馈电路68和过流指示电路69。

其中，计算机61、分压电路62、采集卡63、第一电源64、第二电源65、第三电源66和半导体激光器60之间的连接关系如上述实施例中所述，在此不再赘述。

第二电源65为稳压电路67和电流反馈电路68提供驱动电压；稳压电路67用于稳定第二电源65输出的电压信号；过流指示电路69用于检测第二电源65提供的电流是否超过预设电流。

晶体管643可以为多个晶体管并联组成，为了实现大电流监测，本实施例在图2所示的实施例中增加了电流反馈电路68和过流指示电路69；可以将输出电流经过霍尔元件(图中未示出)，将电流信号转化为电压信号，然后反馈到计算机。

此外，由于第一电源64功率比较大，为了增加安全性和可靠性，可以在电流输出处接入保险丝(图中未示出)，以保护电路和设备。

本实施例通过增加稳压电路电流反馈电路和过流指示电路，使得半导体激光器的供电装置的安全性和可靠性提升。

参阅图7，图7是本申请提供的恒流源的电路结构示意图，该恒流源用于上述实施例中的半导体激光器的供电装置，该恒流源包括运算放大器71、负反馈电路72、晶体管73、二极管74和第一电阻75。

运算放大器71的第一输入端与采集卡(图中未示出)连接，采集卡用于产生输入信号，输入的电压信号大小为Vin，运算放大器71的第二输入端与运算放大器71的输出端通过负反馈电路72连接。

晶体管73的第一端与运算放大器71的输出端连接，晶体管73的第二端D与半导体激光器(图中未示出)连接，晶体管73的第三端通过第一电阻75接地。

二极管74的负极连接晶体管73的第一端，二极管74的正极接地。

进一步地，负反馈电路72包括第一电容C1，运算放大器71输出端与第一电容C1耦接于第二电阻76的一端，晶体管73的第一端与二极管74的一端耦接于第二电阻76的另一端，晶体管73的第三端与运算放大器71的第二输入端通过第三电阻77连接，第二电源(图中未示出)通过第二电容78接地，第二电源提供的电压大小为VCC。

区别于现有技术，本实施例提供的恒流源包括运算放大器、负反馈电路、晶体管、二极管和第一电阻；采集卡产生的输入信号输入运算放大器的同向输入端，运算放大器的第二输入端与运算放大器的输出端通过负反馈电路连接，第二电源为运算放大器提供工作电压；第三电源与半导体激光器连接，用于为半导体激光器连接提供工作电压；晶体管的第一端与运算放大器的输出端连接，晶体管的第二端与半导体激光器连接，晶体管的第三端通过第一电阻接地，二极管的负极连接晶体管的第一端，二极管的正极接地，以保护晶体管不被烧坏；且能够实现大功率、快速响应和稳定的电流输入，提高半导体激光器芯片的测试效率。

以上仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种半导体激光器的供电装置，其特征在于，所述供电装置至少包括：

采集卡，用于产生输入信号；

第一电源，所述第一电源的输入端与所述采集卡连接，所述第一电源的输出端与半导体激光器连接；

第二电源，所述第二电源与所述第一电源连接，用于为所述第一电源提供工作电压；

第三电源，所述第三电源与所述半导体激光器连接，用于为所述半导体激光器连接提供工作电压；

其中，所述第一电源为恒流源，所述第一电源包括运算放大器、负反馈电路、晶体管、二极管和第一电阻，所述运算放大器的第一输入端与所述采集卡连接，所述运算放大器的第二输入端与所述运算放大器的输出端通过所述负反馈电路连接；所述晶体管的第一端与所述运算放大器的输出端连接，所述晶体管的第二端与所述半导体激光器连接，所述晶体管的第三端通过所述第一电阻接地，所述二极管的一端连接所述晶体管的第一端，所述二极管的另一端接地。

2.根据权利要求1所述的半导体激光器的供电装置，其特征在于，

所述采集卡的一端与所述运算放大器的第一输入端通过分压电路连接，所述采集卡的另一端与计算机连接。

3.根据权利要求2所述的半导体激光器的供电装置，其特征在于，

所述采集卡提供的所述输入信号由所述计算机通过所述采集卡输出，再经过所述分压电路，将电压信号输入所述第一电源。

4.根据权利要求1所述的半导体激光器的供电装置，其特征在于，

所述半导体激光器的负端与所述晶体管的第二端连接，所述半导体激光器的正端连接所述第三电源。

5.根据权利要求1所述的半导体激光器的供电装置，其特征在于，

所述二极管为瞬态抑制二极管，以防止浪涌电流损坏所述晶体管。

6.根据权利要求1所述的半导体激光器的供电装置，其特征在于，

所述负反馈电路包括第一电容，所述运算放大器输出端与所述晶体管的第一端通过第二电阻连接，所述晶体管的第三端与所述运算放大器的第二输入端通过第三电阻连接，所述第二电源通过第二电容接地。

7.根据权利要求1所述的半导体激光器的供电装置，其特征在于，

所述运算放大器输出端与所述第一电容耦接于所述第二电阻的一端，所述晶体管的第一端与所述二极管的一端耦接于所述第二电阻的另一端。

8.根据权利要求1所述的半导体激光器的供电装置，其特征在于，

所述运算放大器的第一输入端与所述运算放大器的第二输入端的输入电压相同，所述晶体管第二端输出的电流与所述运算放大器的第一端输入的电压成正比。

9.一种恒流源，其特征在于，所述恒流源用于所述半导体激光器的供电装置，所述恒流源包括运算放大器、负反馈电路、晶体管、二极管和第一电阻，所述运算放大器的第一输入端与采集卡连接，所述采集卡用于产生输入信号，所述运算放大器的第二输入端与所述运算放大器的输出端通过所述负反馈电路连接；所述晶体管的第一端与所述运算放大器的输出端连接，所述晶体管的第二端与半导体激光器连接，所述晶体管的第三端通过所述第一电阻接地，所述二极管的一端连接所述晶体管的第一端，所述二极管的另一端接地。

10.根据权利要求9所述的恒流源，其特征在于，

所述负反馈电路包括第一电容，所述运算放大器输出端与所述第一电容耦接于第二电阻的一端，所述晶体管的第一端与所述二极管的一端耦接于所述第二电阻的另一端，所述晶体管的第三端与所述运算放大器的第二输入端通过第三电阻连接，所述第二电压通过第二电容接地。