低噪声低纹波半导体激光器电源的设计与实现.docx

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低噪声低纹波半导体激光器电源的设计与实现

低噪声、低纹波半导体激光器电源的设计与实现

摘要（Abstract）

在频率标准技术领域，随着半导体激光的广泛运用，激光频率标准成为一种更为新兴、更为先进的频率度量尺度。

简单来说，就是将激光频率锁定在某一个稳定值（例如，一条原子谱线上），这对激光器本身的稳定性提出了很高的要求。

作为激光器本身，其稳定性决定于两个方面：

温度控制和注入电流。

对激光器精密的控制操作要求这对两个因素具有较强的可控性。

那么，提供一个特殊的激光其电流源是我们工作的第一个要点。

同时，激光器中的温度控制和电流控制都需要低温波和低噪声的线性电压源作为能源驱动。

事实上，有相当多的可用的电压源已经实现并满足这些指标要求。

同时，我们发现，激光器的稳定性更取决于后级的电流控制器。

但是，在这些要求上，仍有改进的余地。

于此，在这篇文章中，笔者同时描述了由笔者设计并实现的这一种新型电源。

在下文中所描述的，正是笔者所设计的，并获得成功的电路系统。

关键词：

电源电压电流高速精密校正

Abstract:

Intheareaofthetechnologyoffrequencyscale,semiconductordiodelaserhasrecentlybecomeusefultools.It’sanewandadvancedtechnologytousethelasertobethefrequencyscale.Tolockthelaseronsomefixedvalue（e.g.,nearanatomicresonanceline）,weneedthehigh-stabilizationlaser.Sincethelaserfrequencyandoutputpowerdependonboththediodejunctiontemperatureandinjectioncurrent,stablelaseroperationrequiresthatthesequantitiesbepreciselyregulated.Then,tocompleteaspecialcurrentcontrollerforthediodelasersisthefirstpointofourjob.

Bothofthetemperaturecontrollerandthecurrentcontrollerrequirethewee-rippleandlow-noisevoltagepower.Toachievethenecessaryweerippleandlownoise,anumberofcommercialvoltagepowerdevicesareavailable.Andwefindthattheperformancelimitisusuallyrelatedtothelattercontroller.Howeverwithregardtovoltagepower,wefoundroomforimprovement.Inthisarticle,weaswelldescribeanewpowerwhichisansweredourneeds.

We’veachievedsatisfactoryperformancewiththecircuitsystemdescribedinthefollowing.

Keywords:

PowerSupplyVoltageCurrentHighspeedSensitiveRegulate

一、引言

一、介绍

作为一种很好的可调、单色激光源，随着其理论的成熟和制造工艺水平的提高，半导体激光器日益成为科学研究领域中的一项强有力的工具。

在实际运用中，对激光器的稳定性要求有两类：

第一类是光通讯、激光光谱试验等，对频率稳定性要求不高，我们称之为稳频激光器；第二类是精密长度计量和原子、分子超精细能级跃迁等精密测量，这类运用需要测至12位有效数字，精度为10-9nm。

通过选择一些具有很高稳定性的谱线精密测量其绝对值，然后使用规定条件，如原子、分子气室的气压、温度、泵浦光的光强、形状等条件，并将激光频率锁于其上，这种具有确定频率值，不确定性可达10-12的稳频激光器我们称之为激光频率标准（简称为光频标）。

北京大学电子学系光电子技术实验室从事激光频率标准的研究与实现，我所制作的电源系统，配合温控、高压线性放大器以及锁相环三次微分电路构成激光频标的主要电路系统。

二、半导体激光器二极管的性质

对注入式半导体激光器，但流经PN结的注入电流超过阈值，型和型材料覆盖层之间的有源区载流子形成反转分布，即导带中拥有电子，而且对应的价带中则流有空穴，到带中的电子向下跃迁至能量低的价带，而发生电子和空穴的复合，发生受激辐射，产生光子，由于谐振腔的反馈作用，使其产生激光。

这便是半导体激光器的基本工作原理。

从结构上看，半导体激光器与其他类型的激光器一样，可以看作由工作物质、光谐振腔和提供能量使得粒子数发生反转的泵组成。

本实验主要使用的是光频标常用的GaAs-GaAlAs双异质激光器。

此种激光器利用半导体晶体的解理面作为反射镜构成谐振腔，靠注入的载流子提供能量，实现电子与空穴的复合，产生受激发射的光子。

从原理上来讲，在工作物质一定的情况下，半导体激光器输出的激光频率应当由谐振腔长度和激励源的强度有关，换句话说，半导体激光器的输出频率取决于：

PN结的温度和注入电流的大小。

如下图（2.1）所示，可以看出温度和电流对输出的影响：

另外，由于半导体PN结相当脆弱，稍有电流冲击就会造成损害。

所以在具体使用半导体激光器时，我们对其供电电路和调制电路的要求相当严格。

同时要求电源的稳定性和转换速度能够达到一定的水平，由此，我们下一步就可以得出该电路系统设计要求。

三、半导体激光器电源设计指标

通过以上对半导体激光器的介绍和分析，可以看出，其性能受到电源的直接影响。

因此，我们希望，电流源越精密、越稳定越好。

而由于温控电路的制冷/制热功率放大器的需要，我们的电压源输出功率越打越好、电压纹波越小越好。

另外一方面，由于成本核算以及可实现性上的考虑，我们不可能提出一个科幻般的指标，要兼顾需求与成本。

由此，定下如下的指标和实现功能：

电压源

电压输出10V～15V：

－10V～－15V（双路对称）

纹波:

0.1mV

输出最大功率：

50W，单路输出电流大于2.0A

具有自保护功能，防止损害。

电流源

可调范围：

0－300mA

电流长期稳定度：

1mA/Day

电流纹波及噪声：

1uA

考虑到激光频率的调节，本设计还包括了调制信号的输入接口，让电流可以被其他电路控制，以实现负反馈自适应系统。

二、基本设计方案

一、电压源

由于电能要求的问题，我们无法通过电池来实现。

按照传统设置，有两种选择方案：

一是开关电源，另一种是线性电源。

由于开关电源的调整器件是工作在饱和区或者是截至区，所以调整器件的功耗比较小，效率较高。

但是由于开关电源工作的原理，要抑制纹波就要使用很大的电感，所以我们不能实现较小体积同时又达到低纹波的效果。

而由于本设计所谓的“大功率”事实上只是中小功率，所以，并不十分在乎电源的效率。

而为了实现对精度、稳定度的要求，所以我们设计方案选择线性电源。

其调整器件工作于线性区，通过串联负反馈实现对纹波的抑制。

为了实现精度和稳定度的要求，设计了两级调整模块，前一级使用稳压芯片，通过扩流，输送到后一级调整模块，再调整，实现抑制纹波和降低噪声的要求。

以下是设计方案的基本框图：

市电通过电网滤波器（防止由于异常情况而产生的各种高压情况，例如雷击）进入变压器，降至21V（峰值），经过整流滤波后通过由稳压集成块与扩流电路组成的一级调整电路；之后，通过后级的串联—取样—反馈—调整，最后输出。

二、电流源

与供电的电压源一样，这部分的电路也是采用串联负反馈调整电路来实现恒定电流。

只不过取样方式是电流取样。

原因也是为了保证精度。

考虑到激光器的保护，需要使用慢启动电路，使得电流输出再开始时不至较大，半导体顺利过渡到正常工作区。

另外，由于避免干扰的原因，该电路暂且不宜设计为数控或者机控，这样会带来很大的噪声。

下图为其基本设计框图：

三、具体方案的理论分析和设计

一、串联负反馈的原理分析——PID（比例－积分－微分）控制

在整个系统中，利用设计适当的反馈节达到输出信号与我们的基准信号有十分稳定和快速的跟踪的效果，是设计的主要部分和关键环节。

（一）基本分析：

从上面的分析我们可以看出：

我们的两个系统实际上是同一种设计方法的两种实现

两个系统实际上都可以简化为下图所示的一种校正方法，即使得输出信号按一定的比例跟踪基准信号，并且在跟踪的过程中保持稳定和灵敏变化。

注：

X（s）可视为基准信号，Y（s）则为输出信号

那么，我们的工作实际上就是构造适当的传输系数H（s）使得输入信号与输出信号满足下面的要求：

1．首先我们应当创造一个稳定的系统，防止任何由系统的传输函数非稳定而导致的错误，其次才谈得上改善系统的性能

定义误差信号：

显然，为了达到消除纹波和噪声的基本要求，要求

随时间增长而减小到0，即：

这个定义说明了系统的有效性；

2．定义跟踪速度

:

设误差信号减至初始误差的

时所用的时间为误差衰减时间参数

，则有：

该定义说明了系统的灵敏度，那么作为我们的反馈系统来说，如果不考虑其他因素，为了达到更好的抑制纹波和噪声信号，我们需要

越大越好；当然，由于该值十分难于定性计算，我们在下面的讨论中并不具体计算该值，只是直观的判断该值的大小。

（二）、基本理论：

反馈网络的基本传输函数为：

其中的

为校正方式、

为基本线性跟踪函数。

由于

并非设计要点（有时甚至只是一个单独的、具有通频带的线性器件），为了达到上面我们所讨论出的要求，主要需要设计

部分，以下是校正方式的一般理论：

a）超前校正

下图所示为RC超前网络。

其传递函数为：

或者简化为：

其幅频和相频特性见下：

给原系统串入超前校正，一方面，由于正斜率的作用，使得截止频率提高；另一方面，在截止频率附近引入了正相移，使具有较大的稳定裕度。

这样既改善了稳定性，又使得系统的截止频率提高。

在我们的系统中，为了达到对高频噪声更好的监视，提高系统稳定性，超前校正是十分有效的。

当然，一般使用的时候，处于负载效应和增益损失的角度考虑，一般采用有源超前校正。

但是，超前校正很难改变系统的低频特性。

这需要另外的校正方式——滞后校正。

b）滞后校正

下图所示为RC超前网络。

其传递函数为：

或者简化为：

网络的频率特性曲线如下图所示：

正如上面所述的关于超前网络的描述，该网络可以看作超前网络的“逆网络”。

一方面，由于幅频负斜率的作用，显著减小了频宽，以牺牲系统的快速性来换取稳定性。

另一方面，虽然从相频曲线看，校正带来了负位移，但是由于作用处于频率较低的部位，不会给系统稳定裕量带来很大的影响。

另外，串联滞后校正并没有改变原系统最低频段的特性，故对系统的稳态精度不起破坏性作用。

相反，往往还允许适当提高开环增益，进一步改善系统的稳态精度。

c）滞后－超前校正

通常，我们在系统设计中同时需要引入上述的两种校正方式，作用于不同的频率部分，全面提高系统的控制性能。

由于该网络是上述两种网络的叠加，兼具上面两种网络的特点。

在则不对其再做赘述。

（三）、实际设计

作为实际的反馈设计，采用了以上面的基本网络为原理构造的PD（比例积分）、PID（比例积分微分）两种调节器（另有PD[比例微分]调节器，相当于超前校正，由于干扰信号的低频性质，并没有单独采用）。

1．PI调节器

传递函数为:

显然，我们从图（5.1）中运放和其相关的阻容器件构成的网络得到的s域表达式符合上面的通式。

其作用相当于滞后校正。

在设计稳压源时，由于处理的主要是低频信号，为了避免一些高频干扰使得电路稳定性变坏，我们采用了PI调节。

根据在基本分析中所要求的那样，我们先来从理论上证明系统的稳定性：

电路的其余部分的调节系统简化为一个一阶的惯性系统，其传输函数为：

（1）

该系统具有一个普遍的低通系统的特质。

我们得到：

（2）

由于我们使用的为一般的电阻电容所构造的网络，显然有

、

，系统极点在s域左半部分，为稳定系统，满足我们的第一个要求；

其次我们考虑：

（3）

再根据终值定理：

（4）

（5）

处于对于电压源基准源调节和输出电压值变化的特性，我们考虑网络的阶跃响应（

），由

（2）、（4）、（5）得：

满足我们的第二个要求；

同时，随着

，

衰减的速度与s成正比。

也就是说，我们在基本分析中定义的跟踪速度

与

的速度呈线性关系；

2．PID调节器

著名的比例-积分-微分校正，其传递函数：

观察我们的电流源电路的反馈节部分，下面是其传输系数表达式：

对于低频：

取样反馈部分电路传输系数仍然为上面的PI形式；

对于高频：

基准源、R3、R4、R5、L1和C3的网络及运放和周围的阻容网络共同组成PID校正：

一方面，前者（基准源、R3、R4、R5、L1和C3的网络）引入

，R3与基准源匹配，满足直流时的稳定条件，高频取样仅仅考虑剩下的RLC网络。

在高频时，R4阻抗较大，高频断路，仅仅考虑剩下的RLC串联网络。

在剩下由L1、C3、R5组成的RLC网络中，由L1（位于分母）、C3引入

，构成了PI校正；

另一方面，后者引入

，运放与其输入级电阻和增益电容C2构成了典型的积分器电路，即引入了s,至此，PID网络构成；运放的输出极接一个并联阻容网络，引入典型的超前校正，进一步的提高电路的灵敏度

综上所述，整个网络构造使用了滞后－超前校正。

当然，其s域的表达式十分复杂，而其原理也是上面所陈述的，没有必要进行赘述。

我们可以直接用其化简的PID表达式来证明它满足我们的要求：

首先考虑系统的稳定性：

仍然设定系统为一阶线性惯性系统：

得到：

由于上式中的各个参数均为正实数，系统稳定；

然后，考虑我们对有效性描述的定义：

，仍然考虑阶跃响应（

），可以证明该系统满足这个条件；

另外，观察

的形式，我们发现，一般应该有两个零点，这样，采取适当的参数，一方面在低频段我们能有效保证系统的稳定性，提高稳态精度，达到滞后校正的作用；在高频段，提高系统的截止频率，提高响应速度（包括我们所定义的

）达到超前校正的作用。

至于系统在局部引入的超前校正，其分析方法同上，从略。

二、具体的电路原理分析：

由于电源电路的普及性，这里并不对整个电路的每一个部分做赘述，只是选择其中需要注意的或者是比较创新的地方加以细致说明，其他一笔带过。

（一）、变压器的设计：

选择环形变压器，注意：

市电最好加电源滤波器后再接变压器初级，以避免市电运作时由于偶然因素（雷击、大功率电器上下电等）引起的浪涌电压。

（二）、桥式整流：

需要注意的是，在每一个整流管上应该并接小电容，这是出于避免高频信号干扰损伤的目的。

整流管的选择依据最大电流、浪涌电流选择合适的整流管，本设计中使用的是2N4002。

（三）、精密电阻：

实验证明，在电流源电路中，取样电阻的精密程度直接影响了电流输出的稳定性，在实验中，我们使用了温漂小于

、额定功率为30W的精密电阻。

（四）、扩流电路：

由于仅使用78XX和79XX无法满足功率指标，所以需要在原来的基础上进行扩流，如下图所示，

这样就可以得到我们所需要的功率指标。

（五）、保护电路：

为了使得我们的电路本身具有一定的自保护功能，避免由于过载等因素引起的不可恢复的损害。

我们在电压源中采用了限流型保护电路，电路中的2SA1015和2SC1815即为吸流管。

不使用效果更好的截流型保护电路的原因是：

本身我们的负载（后级电流源）远远小于电压源的额定负载，截流型保护不是十分必要，反而会增加电路的复杂性。

另外，考虑到半导体激光器的性质，为了达到保护目的，我们在电路中加入了慢启动的部分。

左图即为电流源的慢启动电路，开始时，Q1截止，C23通过R25充电，C7上没有电荷，Q1的e极相当于接地。

当C23上的电压大于Q1阈值电压Vbe后C7开始充电，直到Q1的b极电压约为-12V左右时（即C23上的电压值约为12――1N5242B的稳压值），停止充电，C7则保持一个电压使得Q1导通。

关闭电路后，电容通过Q1的e极放电。

上面即是电路中比较独立的电路部分，与我们前面所述的串联负反馈网络构成了整个电路系统。

电路图详见附图1、2。

四、实际电路的完成和印刷电路板的制造

对于电子产品来说，印制线路板设计是其从电原理图变成一个具体产品必经的一道设计工序，其设计的合理性与产品生产及产品质量紧密相关，而同时，线路板的设计由于具体的电路设计及要求有很大关系。

在此将本电路的印制线路板设计以及一些普遍的原则介绍如下，所使用的EDA软件为PROTEL99se：

一、板的布局：

印制线路板上的元器件放置的通常顺序：

放置与结构有紧密配合的固定位置的元器件，如电源插座、指示灯、开关、连接件之类，这些器件放置好后用软件的LOCK功能将其锁定，使之以后不会被误移动；

放置线路上的特殊元件和大的元器件，如发热元件、变压器、IC等；

放置小器件。

二、元器件离板边缘的距离：

所有的元器件尽量放置在离板的边缘3mm以内或至少大于板厚，这是由于在大批量生产的流水线插件和进行波峰焊时，要提供给导轨槽使用，同时也为了防止由于外形加工引起边缘部分的缺损，如果印制线路板上元器件过多，不得已要超出3mm范围时，可以在板的边缘加上3mm的辅边，辅边开V形槽，在生产时用手掰断即可。

三、高低压之间的隔离：

在许多印制线路板上同时有高压电路和低压电路，高压电路部分的元器件与低压部分要分隔开放置，隔离距离与要承受的耐压有关，通常情况下在2000kV时板上要距离2mm，在此之上以比例算还要加大，例如若要承受3000V的耐压测试，则高低压线路之间的距离应在3.5mm以上，许多情况下为避免爬电，还在印制线路板上的高低压之间开槽。

当然，在我们的设计中，只有低压电路，不存在上述的问题，在此泛泛而谈。

四、印制线路板的走线：

印制导线的布设应尽可能的短，在高频回路中更应如此；印制导线的拐弯应成圆角，而直角或尖角在高频电路和布线密度高的情况下会影响电气性能；当两面板布线时，两面的导线宜相互垂直、斜交、或弯曲走线，避免相互平行，以减小寄生耦合；作为电路的输入及输出用的印制导线应尽量避免相邻平行，以免发生回授，在这些导线之间最好加接地线。

五、印制导线的宽度：

导线宽度应以能满足电气性能要求而又便于生产为宜，它的最小值以承受的电流大小而定，但最小不宜小于5mil，在我们设计的电路中，由于高密度、高精度的要求，导线宽度取20mil～40mil；导线宽度在大电流情况下还要考虑其温升，单面板实验表明，当铜箔厚度为50μm、导线宽度40mil～60mil、通过电流2A时，温升很小，因此，一般选用40mil～60mil宽度导线就可能满足设计要求而不致引起温升；印制导线的公共地线应尽可能地粗,因为当地线过细时，由于流过的电流的变化，地电位变动，电路参考电平不稳，会使噪声容限劣化。

六、印制导线的间距：

相邻导线间距必须能满足电气安全要求，而且为了便于操作和生产，间距也应尽量宽些。

最小间距至少要能适合承受的电压。

这个电压一般包括工作电压、附加波动电压以及其它原因引起的峰值电压。

如果有关技术条件允许导线之间存在某种程度的金属残粒，则其间距就会减小。

实验表明，间距取为13～15mil能够达到要求。

七、印制导线的屏蔽与接地：

印制导线的公共地线，应尽量布置在印制线路板的边缘部分。

在印制线路板上应尽可能多地保留铜箔做地线，这样得到的屏蔽效果，比一长条地线要好，传输线特性和屏蔽作用将得到改善，另外起到了减小分布电容的作用。

印制导线的公共地线最好形成环路或网状，这是因为当在同一块板上有许多集成电路，特别是有耗电多的元件时，由于图形上的限制产生了接地电位差，从而引起噪声容限的降低，当做成回路时，接地电位差减小。

另外，接地和电源的图形尽可能要与数据的流动方向平行，这是抑制噪声能力增强的秘诀；多层印制线路板可采取其中若干层作屏蔽层，电源层、地线层均可视为屏蔽层，一般地线层和电源层设计在多层印制线路板的内层，信号线设计在内层和外层。

焊盘：

焊盘的直径和内孔尺寸：

焊盘的内孔尺寸必须从元件引线直径和公差尺寸以及搪锡层厚度、孔径公差、孔金属化电镀层厚度等方面考虑，焊盘的内孔一般不小于25mil，因为小于25mil的孔开模冲孔时不易加工，通常情况下以金属引脚直径值加上8mil作为焊盘内孔直径，如电阻的金属引脚直径为20mil时，其焊盘内孔直径对应为28mm，焊盘直径取决于内孔直径：

1．当焊盘直径为60mil时，为了增加焊盘抗剥强度，可采用长不小于60mil，宽为60mil

和长圆形焊盘，此种焊盘在集成电路引脚焊盘中最常见。

2．焊盘直径可用下列公式选取：

直径小于15mil的孔：

D／d＝0.5～3

直径大于80mil的孔：

D／d＝1.5～2

式中：

（D－焊盘直径，d－内孔直径）,其他：

孔直径

20mil

24mil

32mil

40mil

48mil

64mil

80mil

焊盘直径

60mil

60mil

80mil

100mil

120mil

140mil

160mil

有关焊盘的其它注意点：

焊盘内孔边缘到印制板边的距离要大于80mil，这样可以避免加工时导致焊盘缺损。

焊盘的开口：

有些器件是在经过波峰焊后补焊的，但由于经过波峰焊后焊盘内孔被锡封住，使器件无法插下去，解决办法是在印制板加工时对该焊盘开一小口，这样波峰焊时内孔就不会被封住，而且也不会影响正常的焊接。

焊盘补泪滴：

当与焊盘连接的走线较细时，要将焊盘与走线之间的连接设计成水滴状，这样的好处是焊盘不容易起皮，而是走线与焊盘不易断开。

相邻的焊盘要避免成锐角或大面积的铜箔，成锐角会造成波峰焊困难，而且有桥接的危险，大面积铜箔因散热过快会导致不易焊接。

八、大面积敷铜：

印制线路板上的大面积敷铜常用于两种作用，一种是散热，一种用于屏蔽来减小干扰，初学者设计印制线路板时常犯的一个错误是大面积敷铜上没有开窗口，而由于印制线路板板材的基板与铜箔间的粘合剂在浸焊或长时间受热时，会产生挥发性气体无法排除，热量不易散发，以致产生铜箔膨胀，脱落现象。

因此在使用大面积敷铜时，应将其开窗口设计成网状。

九、板材与板厚：

印制线路板的厚度应根据印制板的功能及所装元件的重量、印制板插座规格、印制板的外形尺寸和所承受的机械负荷来决定。

多层印制板总厚度及各层间厚度的分配应根据电气和结构性能的需要以及覆箔板的标准规格来选取。

具体设计中并没有涉及这方面的问题，从略。

五、实验结果及误差分析

一、基本测量

测量仪器：

附图3所示的放大器和MEICHVANGELECTRONICLTDCOM的V-212示波器

测量条件：

23

测量结果：

电压源

电压输出10V～15V：

－10V～－15V（双路对称）

纹波:

0.01mV