高速窄脉冲激光器驱动电路设计.pdf
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2019-05-16
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科技信息
SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION
!"#$ 年 第 $% 期
0
引言
半导体脉冲激光器
（
&’
）
光脉冲所提供的高时间分辨力和惊人的
功率密度为许多研究领域提供了有力的手段
，
例如在物理学
、
化学和
生物学中物质超快瞬变过程研究
，
以及在光通信和远距离精密测距
等方面的应用
，
而且对于国防科技和医学科学方面的发展也有深远
意义
($)
。
在激光探测和激光通信中
，
系统带宽
、
作用距离
、
精度
、
抗干扰
和低功耗都取决于半导体激光器发射脉冲质量
，
在脉冲式半导体激光
测距机和激光雷达中
，
脉冲激光的上升时间和测量精度有关
，
上升时
间越短越有利于提高测量精度
，
脉冲激光的峰值功率和测距能力密切
相关
，
功率越大测距能力越强
，
激光脉冲宽度与接收信号的信噪比有
关
，
脉宽越窄
，
信噪比越高
［
!
］
。
激光器产生的光脉冲特性在一定程度上
依赖于脉冲驱动电源的设计
*
脉冲电源的设计是激光应用中的一项关
键技术
*
其中
，
开关控制电路又在其中起到关键的作用
。
在激光测距的
应用中
，
目前广泛采用价格昂贵的功率
+,-./0
管作为控制开关
［
!12)
，
其光信号的脉冲沿都在几十纳秒量级
，
无法实现高精度的测量
。
以高
精度测量的便携式应用为研究对象
，
采用普通的开关三极管作为开关
电路
，
设计了脉冲信号沿只有纳秒量级的高速窄脉冲激光器驱动电
路
，
电路体积小
，
成本低
。
1
驱动电路基本模型
图
$
给出了脉冲半导体激光器驱动电路基本电路模型
。
由电源电
路
、
充电电路
、
储能电路
、
开关控制电路
、
控制开关和半导体激光二极
管
&’
组成
。
当开关控制电路的输入脉冲信号为低电平时
，
开关控制
电路控制开关
3
转向
4*
接通充电电路
，
对储能电路进行充电
；
当输入
脉冲信号变为高电平时
，
充电电路已完成对储能电路的充电
，
开关控
制电路把控制开关
3
快速转向
5*
储能电路与半导体激光二极管
&’
接通
，
储能电路上所储电能快速通过
&’
释放
，
激光二极管上流过很
短暂的大电流
，
同时释放出一束时间很短的激光束
。
2
驱动电路模型分析及电路实现
!6$
开关电路
开关电路是半导体激光驱动电路中最为核心
，
也是最难于实现的
部分
。
在图
$
的电路模型中
，
开关电路不仅具有如继电器一样的
“
单刀
双掷
”
快速切换功能
，
而且还充当电流充放电的公共端
，
在其上的电流
流向可以是双向的
。
目前的电子器件很难达到
78
级的开关速度
，
且又
能实现
“
单刀双掷
”
的切换功能
，
这也是快速闭合开关成为目前制约脉
冲功率技术发展的主要原因
。
图
1
激光驱动电路模型
幸运的是
，
该电路模型中
&’
的能量全部来自于储能电路所储存
的能量
。
储能电路中所储存的能量在短时间内由
&’
回路快速释放
后
，
此时储能电路虽与
&’
连接组成回路
，
但该回路并未有电流
，
因此
只需要考虑
&’
回路与储能电路的快速闭合
，
而不必考虑快速断开瞬
间电路的影响
。
可以选用高频晶体三极管来实现快速开关的功能
。
!6!
储能电路
常用的储能元件有电容和电感
。
本设计采用电容储存
&’
放电回
路所需的能量
，
采用电感储存的能量给储能电容充电
。
&’
回路闭合
时
，
电容快速放电
，
电感充电
9&’
回路断开时
，
电容充电
，
电感放电
。
!6:
电路实现
在激光测距或激光通信中
，
激光调制频率越高
，
通信容量越大
，
激
光测距的分辨率也越高
。
另外
，
减小激光脉冲的占空比
，
可以在同等发
射功率的条件下
，
能量集中在更短的时间内发送
，
提高激光信号的信
噪比
，
这都要求调制信号的上升沿与下降沿尽可能小
。
特别地
，
在激光
测距仪中
，
出于激光安全考虑
，
激光发射功率是需要严格控制的
。
基于以上要求
，
并考虑成本等因素
，
设计的脉冲激光器驱动电路
，
调制频率为
;!+<=>
信号上升及下降沿小于
$78
，
占空比小于
$!6;?
，
出光功率为
$;"@
。
!6:6$
原理图
&’
驱动电路如图
!
所示
。
其中
，
&$
为储能电感
，
A$
为储能电容
，
B#
为开关三极管
。
图
2 LD
驱动电路
!6:6!
电路工作原理
根据充放电过程可分三个步骤来分析
：
①
当开关控制输入信号为高电平时
，
B#
导通
，
&#
中的电流
C
可
由如下方法估算
（
设电感是理想电感
）：
DEF
G$
HICJ&
G#
GK
（
#
）
其中
，
D
为电源电压
，
F
G#
为
’#
导通电压
，
I
为晶体管导通电阻
，
C
为充电回路电流
，
K
为充电时间
。
解得
：
C
（
K
）
E
（
D#F
G#
）（
$%&
1’( )*
）
I
（
!
）
电感
&#
中的储能为
@
&
（
K
）
E
#
!
&C
!
（
K
）
E
#
!
&(
（
D+F
G#
）（
$%&
1’( ,*
）
I
)
!
（
:
）
经过
0L!
（
0
为输入信号的周期
）
后
，
电感充电完成
，
电感
&$
的最
终储能为
：
@
&
E
$
!
&(
（
D%F
G$
）（
$%&
-(
!*
）
I
)
!
（
2
）
②
电感
&$
充电完成后
，
开关控制输入信号变为低电平
，
B$
截
止
，
电感
&$
的电流不能突变
，
对电容
A$
进行充电
。
充电电流流向为
，
高速窄脉冲激光器驱动电路设计
陈祚海
1
陈伟元
2
（
1．
苏州大学电子信息学院 江苏 苏州
215021
；
2．
苏州市职业大学电子信息工程系 江苏 苏州
215104
）
【
摘 要
】
高速窄脉冲激光驱动电路是实现高分辨率激光测距的关键
。
介绍了高速窄脉冲激光驱动电路的工作原理
，
推导出驱动电路主要
元器件参数的计算公式
，
设计的由普通元器件组成的高速窄脉冲激光器的驱动电路
，
在调制频率为
52MHz
时
，
实测光信号占空比约为
11%
，
能
量效率为
10%
，
光信号边沿约为
1ns
。
可用于便携式的高辨率激光测距
。
【
关键词
】
高速窄脉冲
；
激光驱动
；
能量转换
；
占空比
○
机械与电子
○
548
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