光纤传感器光源驱动电路设计介绍

2 LD驱动控制电路设计 
LD与监测二极管是集成在一起的元器件。流入LD的电流经过APC电路的预偏置电流。APC电路通过电流负反馈电路抑制由于温度变化、器件老化等引起的光功率的变化。APC电路部分采用背向光反馈自动偏置控制方式，即用半导体激光器组件中的PD光电二极管监测LD背向输出的光功率。因为背向输出光功率能跟踪前向输出光功率的变化，通过闭环控制系统就可以调节激光器的电流，达到输出稳定光功率的目的。 
APC电路由运算放大器1，2和晶体管Q1以及外围电路组成，该电路是一个以三极管为核心的负反馈系统，具有自动稳定激光器光输出功率的功能。反馈取自LD的背向光，由背向光监测二极管检出并转换成相应的电流，经电容器C1滤波后，进入运放的反向输入端，将电流信号转换成电压信号V1。运放的同向输入端由LM336 和运放组成的+2.5 V稳定基准源及变位器R5组成。基准电压的输出为V2，可以通过变位器进行调节。 
在给驱动电路加上电压的瞬间，会产生一个较大的冲击电流，瞬间电流的大变化会影响半导体激光器的使用寿命。此外，一般情况下，电源电压都是由交流220 V经变压整流提供给驱动电路电压，外部串入的干扰信号也会产生瞬间的大电流，这样，长期工作也会影响半导体激光器的使用寿命。 
基于这种情况，在设计中引人慢启动电路，即在基准源的输入端并接二极管和电容，其中的电容在10～470μF左右，其最佳值在22～47μF。这样，驱动电路不受电源电压的干扰，具有慢启动效果，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。 
APC电路控制过程如下：当由于某种原因，使LD的输出光功率降低时，耦合至光电二极管的电流也同比例减小，即V1减小，这样，通常状态下的平衡被打破，使得运放1输出端的电压即V3将会增大，于是，三极管Q1的基极电流增大，集电极电流也随之增大，而集电极电流正是流入LD的电流。因此，流入激光器的电流增大，输出光功率相应增大，从而使输出光功率保持不变;反之，亦然。 
根据本传感器的激光器的性能参数，选择合适的电阻电容进行匹配，调节电位器，可以得到不同的光功率输出值。该光纤传感器LD光源的阈值电流在8 mA左右，稳定工作在10～30mA之间。输出功率与驱动电流在大于阈值电流后呈较好的线性关系。正常工作时能输出-0.1，-1，-2，-5，-10 dB等可调的稳定的光功率值。电路中的参数配置，使流入LD的电流不会超过其极限值。 
实验证明：该设计电路正确可行，基于背向监测器的自动光功率反馈保证了光纤传感器能够在功率恒定的情况下正常工作。 
3 结论 
本文所设计的驱动电路，通过慢启动和功率自动控制电路解决了激光器在使用中输出功率不稳定的问题，其稳定度优于0.5%，达到了较好的稳流效果。本文中的光纤传感器是应用于液氮的低温环境下，本次实验是在室温下进行，将其耦合器和其驱动电路部分通过光纤引出处于室温(25℃)下，温度变化不是很大，因此，没有引入温度补偿控制电路。下一步实验将使光纤传感器处于液氮的低温环境下工作，温度波动较大，需要考虑加入自动温度补偿电路，实现恒温控制。