1、 192 低噪声、低纹波半导体激光器电源的设计与实现 信息科学技术学院电子学系 99 级 谭跃 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
2、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: In the area of the technology of frequency scale, semiconductor diode laser has recently become useful tools. Its a new and advanced
3、technology to use the laser to be the frequency scale. To lock the laser on some fixed value (e.g., near an atomic resonance line), we need the high-stabilization laser. Since the laser frequency and output power depend on both the diode junction temperature and injection current, stable laser opera
4、tion requires that these quantities be precisely regulated. Then, to complete a special current controller for the diode lasers is the first point of our job. Both of the temperature controller and the current controller require the wee-ripple and low-noise voltage power. To achieve the necessary we
5、e ripple and low noise, a number of commercial voltage power devices are available. And we find that the performance limit is usually related to the latter controller. However with regard to voltage power, we found room for improvement. In this article, we as well describe a new power which is answe
6、red our needs. Weve achieved satisfactory performance with the circuit system described in the following. Keywords: Power Supply Voltage Current High speed SensitiveRegulate 193 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
7、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
8、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
9、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： 194 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
10、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。
11、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。 195 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
12、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： 电网滤波变 压整 流滤 波一 级 调 整扩 流串 联 调 整取样基准判断市 电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
13、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： 串 联 调 整基准判断取 样调制稳 压 源激 光 器三、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。 196 （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
14、的过程中保持稳定和灵敏变化。 H ( s ) H o ( s )+x ( t )X ( s )y ( t )Y ( s )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： ( ) | ( ) ( ) |e t y t x t 显然，为了达到消除纹波和噪声的基本要求，要求 ()et 随时间增长而减小到0，即： lim ( ) 0t et 这个定义说明了系统的有效性； 2定义跟踪
15、速度 ev :设误差信号减至初始误差的 22 时所用的时间为误差衰减时间参数 ，则有： 2 (0)2e ev 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 ev 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： 00( ) ( )() 1 ( ) ( )H s H sFs H s H s 197 其中的 ()Hs为校正方式、 0()Hs为基本线性跟踪函数。 由于 0()Hs并非设计要点（有时甚至只是一个单独的、具有通频带
16、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 ()Hs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： 21212 1121()1R R C sHs RRR R C sRR 或者简化为： () saHs sb 其幅频和相频特性见下： XiR1C1Xo.R2. 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，
17、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198 校正。 b)滞后校正 下图所示为 RC 超前网络。其传递函数为： 212 221()1R C sHs RRR C sR 或者简化为： 1() saHs sb 网络的频率特性曲线如下图所示： C2XiR1Xo.R2. 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
18、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。 199 （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
19、函数为 : 1()H s K Ts 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： 0() aHs sa （ 1） 该系统具有一个普遍的低通系统的特质。 我们得到： 21()() 1(1 )a Ks TFss a K s aT （ 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
20、 0K 、 1 0T ，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： lim ( ) 0t et （ 3） 再根据终值定理：000lim ( ) lim ( )tsf t sF s （ 4） s0li m ( ) li m | (1 ( ) ) ( s ) |t e t F s x （ 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（ 1()Xss ），由（ 2）、（ 4）、（ 5）得： 00 2l im ( ) l im ( ) l im | | 01( 1 )t s ssae t s e s ss a K s aT 满足我们的
21、第二个要求； 同时，随着 0s ， ()et 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 ev 与 0s 的速度呈线性关系； 200 2 PID 调节器 著名的比例 -积分 -微分校正，其传递函数： 1() dH s K K s Ts 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： R5 C2 M1 R2 L1 out R3 R6 R7 R4 C3 C1 U2A 3 2 8 4 1 + - V+ V - OUT R1 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
22、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 1s ， 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 1s ，构成了 PI 校正； 另一方面，后者引入 1s ，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
23、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：0() aHs sa 得到：221()()(1 ) ( )dda K s Ks TFs aa K s a a K s T 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： lim ( ) 0t et ，仍然考虑阶跃响应201 （ 1()Xss ），可以证明该系统满足这个条件； 另外，观察 ()Fs 的形式，我们发现，一般应该
24、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 ev ）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
25、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 05/ppm C 、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， 11 11BEQQREGQVRII11 1()BEQO R E G R E G VI I Q I R 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
