CN117096726A - 一种半导体激光器的电流驱动控制电路 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种半导体激光器的电流驱动控制电路，包括直流电源、P沟道增强型场效应管、扼流电感以及激光二极管；P沟道增强型场效应管的源极与直流电源连接，P沟道增强型场效应管的漏极通过扼流电感与激光二极管的正极连接，输入控制信号输入P沟道增强型场效应管的栅极，并且P沟道增强型场效应管的栅极与直流电源连接。本申请利用P沟道增强型场效应管的输入电阻高、噪声小的特点，结合扼流电感的双向滤波作用，在降低了电流驱动控制电路的噪声的同时，还进一步降低了直流电源输出的噪声，也减小了输入到激光二极管的电流噪声，提高了输出电流的稳定性。
Description
技术领域
本申请涉及驱动电源技术领域，更具体地，涉及一种半导体激光器的电流驱动控制电路。
背景技术
以半导体激光器为泵浦源的全固态激光器同时兼具了固体激光器与半导体激光器的优点，具备效率高、光束质量高、功率高、噪声低等特性。全固态激光器被广泛应用于量子光学、光存储、单原子操控、引力波探测等多种科学前沿领域探索，随着科学研究的进一步发展，对激光器的噪声和功率等指标要求也越来越高。由于激光是激光二极管利用半导体材料内部的PN结构，在注入电流后产生反向电压，导致电子与空穴复合而产生，因此激光二极管电流源是激光器系统重要的组成部分之一。现有的驱动电流源的噪声较大，导致激光器的噪声较大。
发明内容
本申请提供一种半导体激光器的电流驱动控制电路，利用P沟道增强型场效应管的输入电阻高、噪声小的特点，结合扼流电感的双向滤波作用，在降低了电流驱动控制电路的噪声的同时，还进一步降低了直流电源输出的噪声，也减小了输入到激光二极管的电流噪声，提高了输出电流的稳定性。
本申请提供了一种半导体激光器的电流驱动控制电路，包括直流电源、P沟道增强型场效应管、扼流电感以及激光二极管；
P沟道增强型场效应管的源极与直流电源连接，P沟道增强型场效应管的漏极通过扼流电感与激光二极管的正极连接，输入控制信号输入P沟道增强型场效应管的栅极，并且P沟道增强型场效应管的栅极与直流电源连接。
优选地，输入控制信号经比例积分模块后输入P沟道增强型场效应管的栅极。
优选地，直流电源与P沟道增强型场效应管之间设有直流滤波模块。
优选地，输入控制信号输入比例积分模块的反相输入端，比例积分模块的同相输入端与激光二极管的负极连接，比例积分模块的输出端与P沟道增强型场效应管的栅极连接。
优选地，比例积分模块的同相输入端与激光二极管的负极之间设有采样电阻，采样电阻的第一端与激光二极管的负极连接，采样电阻的第二端接地。
优选地，比例积分模块与P沟道增强型场效应管的栅极之间设有栅极滤波模块。
优选地，输入控制信号与比例积分模块的反相输入端之间设有滤波电容，滤波电容的第一端与输入控制信号连接，滤波电容的第二端接地。
优选地，直流滤波模块与比例积分模块的正电源端之间设有低通滤波模块。
优选地，比例积分模块的负电源端接地。
优选地，直流滤波模块包括差模滤波模块和共模滤波模块。
通过以下参照附图对本申请的示例性实施例的详细描述，本申请的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本申请的实施例，并且连同其说明一起用于解释本申请的原理。
图1为本申请提供的半导体激光器的电流驱动控制电路的一个优选实施例的结构原理图；
图2为本申请提供的半导体激光器的电流驱动控制电路的一个实施例的电路图；
图3为加入本申请的电流驱动控制电路的驱动电源与现有技术中的驱动电源输出的0～2KHz噪声曲线图；
图4为加入本申请的电流驱动控制电路的驱动电源与现有技术中的驱动电源输出的0～200KHz噪声曲线图；
图5为加入本申请的电流驱动控制电路的驱动电源的长期稳定性测试曲线图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本申请的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
本申请提供一种半导体激光器的电流驱动控制电路，利用P沟道增强型场效应管的输入电阻高、噪声小的特点，结合扼流电感的双向滤波作用，在降低了电流驱动控制电路的噪声的同时，还进一步降低了直流电源输出的噪声，也减小了输入到激光二极管的电流噪声，提高了输出电流的稳定性。
如图1所示，本申请提供的半导体激光器的电流驱动控制电路包括直流电源DC、P沟道增强型场效应管Q1、扼流电感L3以及激光二极管LD，激光二极管LD的正极和负极与电流驱动控制电路的输出端连接。
P沟道增强型场效应管Q1的源极S与直流电源DC连接，P沟道增强型场效应管Q1的漏极D通过扼流电感L3与激光二极管LD的正极连接，输入控制信号输入P沟道增强型场效应管Q1的栅极G，并且P沟道增强型场效应管Q1的栅极G与直流电源DC连接。
作为一个实施例，P沟道增强型场效应管Q1的芯片型号为IRF4905，场效应管IRF4905属于电压控制型半导体器件，是单极性器件。
P沟道增强型场效应管具有输入电阻高、噪声小、功耗低、安全工作区域宽、受温度和辐射影响小等优点，特别适用于高灵敏度和低噪声的电路，可以方便地用作驱动电流源中的控制元器件。
其中，扼流电感L3是一个双向滤波器，一方面滤除信号线上的共模电磁干扰，另一方面抑制本身不向外发出电磁干扰，防止扰乱同一电磁环境下其他电子元器件的正常工作，因此扼流电感L3能够很好地抑制差模噪声。同时，扼流电感L3改善了P沟道增强型场效应管漏极D输出电流的变化程度，使得输入到激光二极管LD的电流噪声得以减小，提高了驱动控制电路的输出电流的稳定性。
优选地，P沟道增强型场效应管Q1的栅极G与漏极D之间还设有电容C7，所设电容C7是为了防止发生自激振荡。
优选地，如图1所示，直流电源与P沟道增强型场效应管之间设有直流滤波模块1，用于滤除直流电源DC输入到P沟道增强型场效应管Q1的源极S的电流噪声及干扰杂波。
优选地，如图1所示，输入控制信号经比例积分模块3后输入P沟道增强型场效应管Q1的栅极G。输入控制信号输入比例积分模块3的反相输入端，比例积分模块3的同相输入端与激光二极管LD的负极连接，比例积分模块3的输出端与P沟道增强型场效应管Q1的栅极G连接。比例积分模块3的反相输入端还设有保护电路4。
优选地，如图1所示，比例积分模块3的同相输入端与激光二极管LD的负极之间设有采样电阻R10，采样电阻R10的第一端与激光二极管LD的负极连接，采样电阻R10的第二端接地。由此，比例积分模块3不仅利用传输信号与反馈信号对输出信号进行微调，还保持了信号的相位匹配。
优选地，如图1所示，比例积分模块3与P沟道增强型场效应管Q1的栅极G之间设有栅极滤波模块2，用于将比例积分模块3输出的信号中的噪声及干扰杂波滤除，进一步降低P沟道增强型场效应管Q1的漏极D输出的电流中的噪声。
调节输入控制信号时，信号经导线传输到比例积分模块3的反相输入端，使得比例积分模块3的同相输入端和反相输入端之间发生电压差变化，引起比例积分模块3输出端的输出量变化，通过栅极滤波模块2进一步改变P沟道增强型场效应管Q1的栅极电压值，从而控制经扼流电感L3流入激光二极管LD的电流值，同时采样电阻R10的电压值实时反馈给比例积分模块3的正相输入端以微调比例积分模块3输出端的信号，直至比例积分模块3的同相输入端电压和反相输入端电压近似相等，从而使流入激光二极管LD的电流始终维持在预设电流值，由此降低电流驱动控制电路的输出电流的噪声、提高输出电流的稳定性。
图2示出了其中一个实施例的电路图。如图2所示，直流滤波模块1包括差模滤波模块和共模滤波模块。差模滤波模块包括差模电感L1，共模滤波模块包括第一极性电容C4、第二极性电容C5以及共模电感L2。差模电感L1的第一端连接到直流电源DC的正极输出端，差模电感L1的第二端与第二极性电容C5的阳极相连，第二极性电容C5的阴极与直流电源DC的负极输出端连接。共模电感L2的两个输入端分别与第二极性电容C5的两端连接，共模电感L2的两个输出端分别与第一极性电容C4的两端连接，第一极性电容C4的阴极接地。共模电感L2上未接地的输出端和第一极性电容C4的阳极作为直流滤波模块1的输出端。
作为一个实施例，C4＝C5＝1500uF，差模电感L1为磁环绕线电感，L1＝350uH。
如图2所示，直流滤波模块1的输出端分别与P沟道增强型场效应管Q1的源极S、栅极滤波模块2和比例积分模块3连接。
如图2所示，比例积分模块3包括运算放大器U1，运算放大器U1的反相输入端与输出端之间设有积分电容C6，运算放大器U1的反相输入端通过第八电阻R8与输入控制信号连接，运算放大器U1的负电源端接地，运算放大器U1的正电源端通过第一电阻R1与直流滤波模块1的输出端连接。第八电阻R8用于对输入控制信号进行分压。
如图2所示，运算放大器U1的同相输入端与直流滤波模块1的输出端之间设有稳压器U2，稳压器U2的第一引脚1为输入端，与直流滤波模块1的输出端连接。稳压器U2的第二引脚2接地。稳压器U2的第三引脚3为输出端，稳压器U2的第三引脚3与比例积分模块3的同相输入端之间设有第六电阻R6。稳压器U2的第三引脚3与比例积分模块3的反相输入端之间设有串联的第九电阻R9和第七电阻R7，第九电阻R9的第一端和第六电阻R6的第一端均与稳压器U2的第三引脚3连接。
作为一个实施例，运算放大器U1采用型号为OP27的芯片，OP27兼有低噪声(电流噪声/>)、宽带宽8MHz、高压摆率2.8V/us、高精度的特点，适用于精密直流性能的应用场景。
作为一个实施例，稳压器U2采用型号为LM7805的芯片。
优选地，如图2所示，第六电阻R6的第一端与稳压器U2的第三引脚3之间设有第一滤波电容C1，第一滤波电容C1的第一端与稳压器U2的第三引脚3连接，第一滤波电容C1的第二端接地。第一滤波电容C1用于对稳压器U2输出的5v参考电压进行滤波。
优选地，如图2所示，第九电阻R9和第七电阻R7之间设有保护电路，保护电路具有短路保护、过流保护、过压保护和欠压保护等保护作用，有效保证了激光二极管的安全。
优选地，如图2所示，直流滤波模块1与比例积分模块的正电源端(即运算放大器U1的正电源端)之间设有低通滤波模块，用于滤除输入到运算放大器U1的正电源端的信号中的高频信号。低通滤波模块包括第一电阻R1和第二滤波电容C2，第二滤波电容C2的第一端与运算放大器U1的正电源端连接，第二滤波电容C2的第二端接地。
优选地，如图2所示，输入控制信号与比例积分模块3的反相输入端(即运算放大器U1的反相输入端)之间设有第三滤波电容C8，第三滤波电容C8的第一端与输入控制信号连接，第三滤波电容C8的第二端接地。第三滤波电容C8用于对输入控制信号进行滤波。
优选地，如图2所示，运算放大器U1的反相输入端还设有第四电阻R4，第四电阻R4的另一端接地。第四电阻R4用于对输入控制信号进行分压。
优选地，如图2所示，采样电阻R10与运算放大器U1的同相输入端之间还设有第五电阻R5。
如图2所示，栅极滤波模块2包括第三电阻R3、第二电阻R2和第三极性电容C3，第三电阻R3的第一端与运算放大器U1的输出端相连，第二端与P沟道增强型场效应管Q1的栅极G相连，第三极性电容C3和第二电阻R2并联在P沟道增强型场效应管Q1的栅极与源极之间。第三电阻R3与第三极性电容C3组成的滤波电路用于滤除高频，相比于普通电容，包含极性电容的滤波电路的滤波效果更好。第二电阻R2为上拉电阻，用于拉高栅极电压。
在图2所示的优选实施例中，第七电阻R7、第九电阻R9、第四电阻4共同为运算放大器U1的反相输入端提供基准电压参考点，第六电阻R6、第五电阻R5、采样电阻R10的采样电压值共同为运算放大器U1的同相输入端提供基准电压参考点。
具体地，具体地，本申请的电流驱动控制电路同通过PCB板实现。电路PCB板为双面设计，一面放置直插元器件及部分对信号不敏感的贴片元器件，另一面放置敏感性强的贴片元器件，在两面大面积铺铜接地以加强PCB的散热性能，同时移除敏感信号线间的部分铜皮，防止产生寄生电容与耦合电容电感。本申请中，PCB板需要对部分产热量大的直插元器件加装散热器进行散热处理，并将PCB板置于金属电磁屏蔽盒内，以免受外界电磁干扰。
图3-4分别为加入本申请的电流驱动控制电路的驱动电源与现有技术中的驱动电源输出的0～2KHz噪声曲线图和0～200KHz噪声曲线图，从图中可以看出，加入本申请的电流驱动控制电路的驱动电源的输出噪声明显得到减弱，使噪声输出降低了20～40dB。
图5为加入本申请的电流驱动控制电路的驱动电源的长期稳定性测试曲线图，图5说明了加入该电路后的驱动电源稳定性得到提高，长期稳定性在万分之七(7小时)。
综上，本申请提供的半导体激光器电流驱动控制电路，工作频率在0-2MHz，可以输出连续可调电流范围0-20A，电流调节方便，后续可扩展性强，适用于不同激光二极管的驱动源。本申请的直流滤波模块能够有效滤除直流电源输出的共模噪声及差模噪声；栅极滤波模块能有效滤除运算放大器的输出端传输到P沟道增强型场效应管的栅极信号中的噪声及干扰信号；比例积分模块不仅依据传输信号与反馈信号进行微调，还保持了信号的相位匹配；同时，采用了高精度的比例积分模块和低噪声的P沟道增强型场效应管IRF4905来控制输出电流，提高了输出电流的精准度与稳定性，使得其输出噪声较现有的PLD12500电流源降低了20～40dB，并且电源的稳定性得到明显提高，长期稳定性为0.0007(7小时)。
虽然已经通过例子对本申请的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本申请的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本申请的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本申请的范围由所附权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种半导体激光器的电流驱动控制电路，其特征在于，包括直流电源、P沟道增强型场效应管、扼流电感以及激光二极管；
所述P沟道增强型场效应管的源极与所述直流电源连接，所述P沟道增强型场效应管的漏极通过所述扼流电感与所述激光二极管的正极连接，输入控制信号输入所述P沟道增强型场效应管的栅极，并且所述P沟道增强型场效应管的栅极与所述直流电源连接。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器的电流驱动控制电路，其特征在于，所述输入控制信号经比例积分模块后输入所述P沟道增强型场效应管的栅极。
3.根据权利要求2所述的半导体激光器的电流驱动控制电路，其特征在于，所述直流电源与所述P沟道增强型场效应管之间设有直流滤波模块。
4.根据权利要求2所述的半导体激光器的电流驱动控制电路，其特征在于，所述输入控制信号输入所述比例积分模块的反相输入端，所述比例积分模块的同相输入端与所述激光二极管的负极连接，所述比例积分模块的输出端与所述P沟道增强型场效应管的栅极连接。
5.根据权利要求4所述的半导体激光器的电流驱动控制电路，其特征在于，所述比例积分模块的同相输入端与所述激光二极管的负极之间设有采样电阻，所述采样电阻的第一端与所述激光二极管的负极连接，所述采样电阻的第二端接地。
6.根据权利要求2所述的半导体激光器的电流驱动控制电路，其特征在于，所述比例积分模块与所述P沟道增强型场效应管的栅极之间设有栅极滤波模块。
7.根据权利要求4所述的半导体激光器的电流驱动控制电路，其特征在于，所述输入控制信号与所述比例积分模块的反相输入端之间设有滤波电容，所述滤波电容的第一端与所述输入控制信号连接，所述滤波电容的第二端接地。
8.根据权利要求3所述的半导体激光器的电流驱动控制电路，其特征在于，所述直流滤波模块与所述比例积分模块的正电源端之间设有低通滤波模块。
9.根据权利要求8所述的半导体激光器的电流驱动控制电路，其特征在于，所述比例积分模块的负电源端接地。
10.根据权利要求3所述的半导体激光器的电流驱动控制电路，其特征在于，所述直流滤波模块包括差模滤波模块和共模滤波模块。
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