彭理健光电子课程设计Word格式.docx
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目录
摘要I
AbstractII
1绪论1
2仿真软件OrCAD/PSpice简介2
3半导体激光器4
3.1半导体激光器的分类4
3.2半导体激光器的工作原理4
3.3半导体激光器的P-I特性5
3.4半导体激光器的优点7
4LD的建模7
5LD恒定功率驱动电路设计9
5.1慢启动电路9
5.2恒定的电流源10
5.3纹波调零电路11
5.4恒定功率电路11
5.5保护电路12
5.6仿真波形13
6心得体会14
参考文献15
摘要
随着半导体技术的日趋成熟，半导体激光器以其转换效率高、体积小、重量轻、可靠性高、能直接调制等特点，在科研、工业、军事、医疗等领域得到了日益广泛的应用。
半导体激光器的稳定性取决于驱动电源，电流的起伏会引起光功率的变化，从而影响激光器的性能。
为确保半导体激光器安全可靠地工作，本文首先深入分析了半导体激光器原理，在OrCAD/PSPICE软件开发平台上完成了LD的建模。
其次，针对半导体激光光源的工作原理和特性，设计了一种简单可行的自动功率控制（APC）驱动电路，通过背向监测光电流形成反馈，实现恒功率控制。
并且，引入了慢启动电路，防止电源电压的干扰，使激光器不会受到每次开启电源时产生的过流冲击，延长了激光器的使用寿命。
关键词：
半导体激光器；
自动功率控制；
ORCAD；
恒定功率
Abstract
Assemiconductortechnologyhasmatured,thesemiconductorlaserwithitshighconversionefficiency,smallsize,lightweight,highreliability,directmodulation,etc.,inscientificresearch,industrial,military,medicalandotherfieldshasbeenincreasinglywidelyused.Dependsonthestabilityofthesemiconductorlaserdrivepower,currentfluctuationscancausechangesinopticalpower,thusaffectingthelaserperformance.Toensuresafeandreliablesemiconductorlaserswork,thepaperfirstin-depthanalysisofthesemiconductorlasertheory,theOrCAD/PSPICEsoftwaredevelopmentplatform,themodelingdoneontheLD.Secondly,semiconductorlaserlightsourcefortheworkingprincipleandfeatures,designedasimpleandpracticalautomaticpowercontrol（APC）drivercircuit,formedbyback-monitorphotocurrentfeedbacktoachieveconstantpowercontrol.Also,theintroductionoftheslow-startcircuittopreventinterferencewiththesupplyvoltage,thelaserwillnotbegeneratedeachtimeyouturnthepoweroffwhenthecurrentimpactofextendingthelaserlife.
Keywords:
Semiconductorlasers;
Automaticpowercontrol;
ORCAD;
Constantpower
1绪论
随着社会的进步和发展，半导体激光器被带进了更广泛的科学领域。
一方面是由于其应用领域的不断扩展，另一方面也是器件本身所涉及的理论和工艺的不断完善，性能不断提高，在通信、测量、加工、控制等各个领域得到了广泛的应用，同时在医疗和生命科学等领域也发挥着越来越大的作用。
国外半导体激光器技术发展较早，1962年美国GE，BIM等单位最早实现了半导体的光受激辐射复合。
同年，日本松下公司研制成功第一只半导体激光器，为半导体激光器的商品化及其后来产业化的形成开辟了道路[1]。
七十年代初，国际上实现了GaAIAs、GaAs双异质结激光器的室温连续运转，这是一个历史性的突破。
这一成果与低损耗光纤的诞生一起开创了光纤通信的时代。
至七十年代末，基本上解决了激光器的工作寿命的问题，解决了半导体激光器的横向和侧向的模式问题，研制成功了长波长激光器.开始了半导体激光器在光纤通信、光盘存储等新技术中大量实际应用的新局面。
从八十年代初以来，又取得了一系列的重大突破。
其中最重要的是DFB动态单纵模激光器的研制成功和实用化，量子阱和应变层量子阱激光器的出现，大功率激光器及其列阵的进展，可见光激光器的成功，面发射激光器的实现等。
这些成果使半导体激光器进入了越来越多的重要的应用领域。
随着半导体激光器的发展，在其得到广泛应用的同时也对激光器的驱动以及频率的稳定提出了更高的要求。
为了保证它的稳定性，就需要设计一个控制系统来监控半导体激光器的发光状况，控制半导体激光器的驱动电流以保持半导体激光器功率输出的稳定，所以半导体激光器输出功率的稳定性是亟待解决的问题[3]。
近些年来，有不少科研单位从事这一方面的研究，新型的驱动源除具备常规驱动器的功能外，还应该使输出电流更稳定，对激光器进行更加可靠、有效地保护。
2仿真软件OrCAD/PSpice简介
PSpice是一个电路通用分析程序，是EDA中的重要组成部分，它的主要任务是对电路进行模拟和仿真。
该软件的前身是SPICE（SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis）,由美国加州大学伯克莱分校于1972年研制。
1975年推出正式实用化版本SPICE2G，1988年被定为美国国家标准。
1984年Microsim公司推出了基于SPICE的微机版本PSpice（Personal-SPICE）,此后各种版本的SPICE不断问世，功能也越来越强。
进入20世纪90年代，随着计算机软件的发展，特别是Windows操作系统的广泛流行，PSpice又出现了可在Windows环境下运行的5.1、6.1、6.2、8.0等版本，也称为窗口版，采用图形输入方式，操作界面更加直观，分析功能更强，元器件参数库及宏模型库也更加丰富。
1998年1月，著名的EDA公司OrCAD公司于开发PSpice软件的Microsim公司实现了强强联合，于1998年11月推出了最新版本OrCAD/PSpice9[4]。
为了迅速推广普及OrCAD/PSpice9软件，OrCAD公司提供了一张试用光盘OrCAD/PSpice9Demo，它与商业版是完全一致的，不同之处只是在元器件上受一定的限制，因此又被称为普及版。
OrCAD/PSpice9可模拟以下6类常用的电路元器件：
1，基本无源元件，如电阻、电容、电感、传输线等。
2，常用的半导体器件，如二极管、双极晶体管、结型场效应管、MOS管等。
3，独立电压源和独立电流源。
4，各种受控电压源、受控电流源和受控开关。
5，基本数字电路单元，如门电路、传输门、触发器、可编程逻辑阵列等。
6，
常用单元电路，如运算放大器、555定时器等。
在这里集成电路可作为一个单元电路整体出现在电路中，而不必考虑该单元电路的内部结构。
OrCAD/PSpice9可分析的电路特性有6类15种：
1，直流分析，包括静态工点、直流灵敏度、直流传输特性、直流特性扫描分析。
2，交流分析，包括频率特性、噪声特性分析。
3，瞬态分析，包括瞬态响应分析，傅立叶分析。
4，参数扫描，包括温度特性分析，参数扫描分析。
5，统计分析，包括蒙托卡诺分析、最坏情况分析。
6，逻辑模拟，包括逻辑模拟、数模混合模拟、最坏情况时序分析。
OrCAD是一个软件包，进行电路模拟分析的核心软件是PSpiceA/D，为使模拟工作做得更快更好，OrCAD软件包还提供了以下5个配套软件与之相配合。
1，电路图生成软件：
其主要功能是人机交互方式在屏幕上绘制电路图，设置电路中元器件的参数，生成多种格式要求的电连接网表。
在该程序中可直接运行PSpice及其它配套软件。
2，激励信号编辑软件：
其主要功能是以人机交互方式生成电路模板中需要的各种激励信号源。
包括瞬态分析中需要的脉冲、分段线性、调幅正弦、调频、指数等5种信号波形和逻辑模拟中需要的时钟、脉冲、总线等各种信号。
3，模型参数提取软件：
其主要功能是提取来自厂家的器件的数据信息，生成PSpice模拟时所需要的模型参数。
因为尽管PSpiceA/D模型库中提供了一万多种元器件和单元集成电路的模型参数，但在实际应用中仍有用户需要采用未包括在模型参数库中的元器件，这时ModelED软件就显得至关重要。
4，波形显示和分析模块：
其主要功能是将PSpice的分析结果用图形显示出来。
不仅能显示电压、电流这些基本电路参量的波形，还可以显示由基本参量组成的任意表达式的波形，所以有“示波器”之称。
该模块还能对模拟结果进行再加工，以提取更多的信息。
5，优化程序：
其主要功能是自动调整元器件的参数设计值，使电路的特性得到改善，实现电路的优化设计。
3半导体激光器
3.1半导体激光器的分类
半导体激光器按泵浦方式不同,可以分为注入式激光器、光泵激光器和电子束泵浦激光器[5]。
其中注入式激光器是利用同质结构或异质结将大量的过剩载流子（电子一空穴对）注入激活区以形成集居数反转。
这类激光器由于容易实现受激辐射，且结构紧凑，使用方便，以及加工工艺简单成熟，并且注入式半导体激光器的电源简单，可以改变注入电流直接调制输出，因此它是目前使用最为广泛的一种半导体激光器。
用电注入直接泵浦的方式激励的一种小型化激光器，它具有半导体和固态物质的共同优点。
其最重要的特性是，在发射闭值以上的一段区域，输入电流与输出功率呈线形关系。
通过调节激励电流的大小来调整输出的光功率。
由于半导体激光器是一个二极管，因此，激励器的工作负载是二极管的伏—安特性负载。
3.2半导体激光器的工作原理
工作物质为半导体晶体的一类激光器，称为半导体激光器。
其激励方式主要分为电注入式、电子束激励式和光泵浦式三种。
绝大多数半导体激光器的激励方式是电注入式，即给PN结加正向电压，使得结平面区域产生受激发射。
这犹如一个正向偏置的二极管，因此半导体激光器又称为激光二极管。
如图2-1所示，简单的半导体激光器由带隙能量较高的P型和N型半导体材料和一层很薄的有源层构成。
在PN结加上正向偏置电压后，电子从N区向P区流动，空穴从P区向N区流动，在作用区内，电子和空穴复合产生光子。
当注入电流较小时，注入结区的电子和空穴数目较少，此时只能自发辐射（荧光），光向四面八方传播：
当注入电流大到一定程度时，便向外输出激光。
图2-1半导体激光器的结构
因此，半导体激光器是一种相干辐射光源，要使它能产生激光，必须具备三个基本条件：
（1）增益条件:
建立起激射媒质（有源区）内载流子的反转分布。
在半导体中代表电子能量的是由一系列接近于连续的能级所组成的能带，因此在半导体中要实现粒子数反转，必须在两个能带区域之间，处在高能态导带底的电子数比处在低能态价带顶的空穴数大很多，这靠给同质结或异质结加正向偏压，向有源层内注人必要的载流子来实现，将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带中去。
当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用[7]。
（2）要实际获得相干受激辐射，必须使受激辐射在光学谐振腔内得到多次反馈而形成激光振荡，激光器的谐振腔是由半导体晶体的自然解理面作为反射镜形成的，通常在不出光的那一端镀上高反多层介质膜，而出光面镀上减反膜.对F-P腔（法布里-帕罗腔）半导体激光器可以很方便地利用晶体的与P-N结平面相垂直的自然解理面构成F-P腔。
（3）为了形成稳定振荡，激光媒质必须能提供足够大的增益，以弥补谐振腔引起的光损耗及从腔面的激光输出等引起的损耗，不断增加腔内的光场.这就必须要有足够强的电流注入，即有足够的粒子数反转，粒子数反转程度越高，得到的增益就越大，即要求必须满意一定的电流阀值条件。
当激光器达到阀值，具有特定波长的光就能在腔内谐振并被放大，最后形成激光而连续地输出。
3.3半导体激光器的P-I特性
若半导体激光器注入电流I，其两端会产生正向电压U，非平衡载流子复合后将产生光功率P，激光器的静态工作特性主要是端电压U和注入电流I的特性曲线，输出光功率随注入电流变化的P-I特性曲线以及光谱特性。
半导体激光器的这一特性可以反映出其PN结特性的优劣，通过大电流下的正向V-I特性可估算出串联电阻。
图2-2是典型半导体激光器V-I特性曲线示意图。
图2-2半导体激光器V-I特性曲线
半导体激光器的P-I特性（又称L-I特性），描述了激光器光功率P0随注入电流I的变化规律，是使用半导体激光器的系统进行设计的重要依据。
半导体激光器只有在其PN结上加大的正向电压，流入激光器的注入电流足够大时，才能产生激光，理想的输出P-I特性曲线如图2-3所示。
图2-3半导体激光器P-I特性曲线
从理论上讲，当半导体激光器工作在额定范围内时，输出光功率P与注入电流I应该是严格线性的关系，其一阶微分曲线应该是一条近似水平的直线。
如果在一阶微分曲线上出现了明显的拐点，或者是说该曲线不够平滑，那么就认为该半导体激光器有缺陷。
也就是说，当该半导体激光器工作在出现拐点的驱动电流时，其输出光功率与注入电流值不成线性比例关系。
由于输入电流与输出光功率呈线性关系，半导体激光器具有易于调制的重要特性，即可以通过调制输入电流，对半导体激光器的输出光强进行直接调制。
3.4半导体激光器的优点
半导体激光器的优点：
1）半导体激光器是直接的电子—光子转换器，因而它的转换效率很高。
理论上，半导体激光器的内量子效率由于存在某些非辐射复合损失，其内量子效率要低很多，但是仍然可以达到70%以上。
2）半导体激光器所覆盖的波段范围最广.可以通过选用不同的半导体激光器有源材料或改变多元化合物半导体各组元的组分，而得到范围很广的激射波长以满足不同的需要。
3）半导体激光器的使用寿命最长。
目前用于光纤通信的半导体激光器其工作寿命可达到数十万乃至百万小时。
4）具有直接调制的能力。
5）半导体激光器的体积小、质量轻、价格便宜。
4LD的建模
首先打开自己的OrCAD的安装路径，打开C:
/OrCAD/OrCAD_10.5/tools/
pspice/library，在老师发的文件中找到所需的DHLD图标，将以上的DHLD文件拖到此文件夹中，将DHLD以记事本的形式打开，找到C:
/OrCAD/OrCAD_10.5/
tools/pspice/library中的nom，也以记事本的形式打开，将DHLD中的内容复制到此nom记事本中[4]。
保存后，单击开始/程序/OrCAD_10.5/PspiceAccessories/ModelEditor,z在出现的界面中，点击File/Open,在出现的窗口中找到C:
tools/pspice/library，点击PINLD打开即可。
在重新生成的PspiceModelEditor界面中，点击File/ExporttoCapturePartlibrary,出现如图3所示的界面，修改输入路径为C:
\OrCAD\OrCAD_10.5\tools\pspice\library\
DHLD.lib后，输出路径为C:
\OrCAD\OrCAD_10.5\tools\capture\library\
DHLD.olb，点击OK即可。
图4.1CreatePartsforLibrary
最后点击开始/程序/OrCAD_10.5/Capture/CIS，打开绘图窗口，点击Place/Part,出现如图4所示界面。
点击AddLibrary，找到自己建的LD模型，双击LD,就可随意放置LD元件了。
图4.2元件模型的添加
完成建模后，绘图窗口中出现的DHLD元件模型如图5所示：
图4.3DHLD元件模型
其中，子电路名：
DHLD
接口端点：
NA,NB,NL,NR
NA,NB:
实际器件的两个电学端点；
NA：
正极，NB:
负极
NL,NR:
两个虚拟端点，用于光输出；
NL：
左端面，NR:
右端面
5LD恒定功率驱动电路设计
这里以HTL670T5为例，根据半导体激光器的光功率与电流的关系，通过慢启动电路、纹波调零电路、功率恒定电路等设计的驱动电路。
具体各部分电路介绍如下。
5.1慢启动电路
半导体激光器往往会由于接在同一电网上的日光灯等电器的关闭或开启而损坏，这是因为在开关闭合与开启的瞬间会产生一个很大的冲击电流，该电流足以使半导体激光器损坏，必须避免。
为此，驱动电源的输入应当设计成慢启动电路而非单纯的延迟电路[3]。
如图5.1所示，图中输入端接上经过稳压后的直流电压，右边是输入级的输出端，为半导体激光器的功率稳定输出提供工作电压，整个电路的结构可以看作是在射级输出器上添加了两个π型滤波网络，分别由L1、C1、C2和L2、C6、C7组成。
电容C5构成的C型滤波网络以及一个时间延时网络。
慢启动输入电压U在开关闭合的瞬间产生了大量的高频成分，经过两个π型滤波网络滤除了大部分高频分量，直流及低频分量则可以顺利地通过。
到达由电阻R和C组成的时间延时网络，0.047uF的电容与电解电容C2并联是为了减少电解电容对高频分量的电感效应[2]。
图5.1慢启动电路
5.2恒定的电流源
该电路的工作原理如图5.2所示，当输入电压增大或负载变化使得输出电流发生时，取样电路将获得一定比例的输入电压误差信息，然后与基准电压比较后，放大电路把放大了的误差信号施加到调整管，从而实现了对输入电压的自动调节，达到稳流的目的。
显然，这是一种电压负反馈电路，由于这种电路可实现很高的稳压电流技术性能，故称由此电路生成的高指标电源为精密稳流电源。
图5.2恒定的电流源原理图
在稳流电源中，基准电压UREF的选取直接影响着电源的稳定性能。
它的不稳定因素主要是由温度造成的，因此一般要选用低温度系数稳压管，本电路选用MC1403。
其在输入5~15V时，其输出电压为2.5V，温漂仅为60ppm/℃。
取样电阻R2的影响大体与基准电压相同且要承受较大的功率损耗，气温升高，阻值变化较大。
解决的办法是选择低温度系数的电阻材料，通过严格的热处理工艺进行热处理，以保证电阻材料的性能稳定，同时在结构设计上考虑冷却措施，保证在长时间工作时，温升不要太高，以便增强电阻的稳定性。
误差放大器一般选用低温漂、低噪声运算放大器。
本例采用NE5534。
5.3纹波调零电路
纹波电压的大小是衡量电源的重要参数之一。
为了减少稳定电源的纹波电压，特增设了纹波调零电路。
在图5.3所示的电路中，纹波成分经反相放大后加至调零管的基极，因此，在正常工作中，调节纹波调零电位器可使输出端纹波电压非常小。
图5.3纹波调零电路
5.4恒定功率电路
激光二极管的工作电流的调节范围为25mA~50mA，电路中A点输入电压为
A点电压调节范围为1V~2V，激光二极管电流采样电阻R2为30Ω。
光电探测器与激光二极管封装在一起形成一体化器件。
精密可调电阻器P1的阻值为200kΩ，实际阻值调整到45kΩ左右。
图5.4恒定功率电路
光电探测器D点输出的电压信号与激光二极管输出的激光强度成正比，为了提高功率电路的灵敏度及输出光功率的稳定程度，在信号反馈电路中设计了减法器电路以及反相放大电路。
电压比较器LM358中与电阻R3、R4、R5及R7构成减法器电路，当R4=R5，R3=R7，R5=R7时，减法器输出电压Ue为
当半导体激光器管壳温度升高后，激光二极管的输出光功率要下降，输出光强降低。
光电探测器反向电阻值随之较低，经过反相放大器放大，A点电压随之大幅提高，通过三极管9013的控制，使激光器的工作电流增加，从而避免了激光器的输出功率的降低。
5.5保护电路
虽然慢启动电路消除了高频冲击电流的危害，但不能有效地防止直接或低频电流过载对半导体激光器的危害，因此，应该设立过载保护电路。
一般情况下采用限流式保护电路。
若长时间工作于短路的情况下，过热仍然会导致调整管的损坏。
此时可以采用截流式保护电路。
过电压保护的精度主要取决于稳压二极管。
而其工作点是随流经稳压管的电流和环境温度变化的。
因此，设计上必须选用稳定电压的温漂非常小的稳压管。
5.6仿真波形
在Analysistype中选择TimeDomain，在Options中选择第一项，然后设置Runtotime和Maximunstepsize，最后点击SKIPBP，完成瞬态分析参数设置。
然后点击确定，在出现的黑色界面中设置所需的测量点，出现的仿真波形如下图5.6所示[6]。
图5.6仿真波形
从上图仿真波形可以大致看出，该电路解决了电路在工作温度范围内其输出功率不稳定的问题，电路的稳定度较高。
6心得体会
经过为期一个星期的课程设计，完成了选题、设计功能电路、软件仿真、以及撰写实验报告，几天的辛苦终于快有了最后的成果。
此次选择的题目是“LD的建模及其恒定功率驱动电路的设计”，选题之后就是寻找参考电路，然后在orCAD\PSpice首先给LD建模然后中绘出恒定功率驱动电路原理图，修改相关元件参数，使其适应本次的设计，观察仿真的数据是否符合设计要求。
通过此次设计，对已经学习过的功率放大器的相关知识有了更深入的了解，俗话说：
纸上得来终觉浅。
要想学到真正的本事，非得自己动手去亲自实践，不断发现问题、解决问题。
参考文献
[1]陈维友等著.光电子器件电路模型
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