幾種脈沖恒流源實現(xiàn)形式的研究

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摘 要：研究了雪崩管放大電路、儲能網(wǎng)絡(luò)配合開關(guān)電路、恒流源電路配合高速開關(guān)3種用于半導(dǎo)體激光器電源的脈沖恒流源的實現(xiàn)形式，并分析其性能特點。高速放大電路可以獲取納秒級脈寬的脈沖電流；儲能網(wǎng)絡(luò)配合開關(guān)電路能獲得比較高幅度的脈沖電流；恒流源電路配合高速開關(guān)相對于前兩種實現(xiàn)形式，脈沖電流具有更小的紋波，更加穩(wěn)定。脈沖恒流源作為半導(dǎo)體激光電源的核心部分，對其性能有很大的影響，具有實際的研究價值。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體激光器；恒流源；脈沖電流；窄脈寬

中圖分類號：TN248.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.19.009

相對于連續(xù)驅(qū)動的形式，脈沖驅(qū)動使半導(dǎo)體激光器具有更高的光功率，并且激光器脈沖輸出結(jié)發(fā)熱效應(yīng)很小，極大地降低了散熱的設(shè)計壓力。其獨特的優(yōu)勢使其在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。作為半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源的核心部分，脈沖恒流源提供高質(zhì)量的脈沖電流，進(jìn)而極大地提升了半導(dǎo)體激光器的性能。

脈沖恒流源有多種實現(xiàn)形式，可通過線性放大、儲能網(wǎng)絡(luò)配合高速開關(guān)管等方式實現(xiàn)。本文將列舉幾種脈沖恒流源的設(shè)計方案，著重分析其脈沖電流產(chǎn)生形式，并闡述其對半導(dǎo)體激光器性能的影響。

1 脈沖恒流源的實現(xiàn)

1.1 雪崩管放大電路實現(xiàn)脈沖恒流源

該形式是通過對一定頻率的方波進(jìn)行整形而獲得所需占空比的脈沖，并用該脈沖觸發(fā)下一級的放大電路，從而產(chǎn)生激光二極管所需的脈沖電流。

信號發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖信號可由74LS123構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)諧振蕩電路整形，以增強其驅(qū)動能力。

脈沖放大電路是由雪崩電路和Marx Bank電路組成的。它采用雪崩晶體管構(gòu)成前級電路，用于加強觸發(fā)脈沖的驅(qū)動能力。其電路如圖1所示。

運用這種形式，重復(fù)頻率和脈寬指標(biāo)可以達(dá)到比較高的要求。但是，鑒于雪崩晶體管的特性，單個晶體管難以產(chǎn)生較大的脈沖電流，多個并聯(lián)使用需要解決數(shù)個晶體管同步觸發(fā)的問題，以及需要成熟的均流技術(shù)。但是，與電壓型控制器件相比，雪崩晶體管的控制難度更高。

1.2 儲能網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)脈沖恒流源

采用儲能網(wǎng)絡(luò)時，可以通過高速開關(guān)電路的通斷實現(xiàn)脈沖輸出。74LS123組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可用于整形555定時器在多諧振蕩模式下產(chǎn)生的周期性方波，從而獲取所需脈寬和頻率的觸發(fā)脈沖。

儲能電路主要用于形成脈沖電流，電路設(shè)計需保證其在開關(guān)器件關(guān)閉的時間內(nèi)完成充能。其電路原理如圖3所示。

圖3中，L1、L2為寄生電感，R1為充電電阻，RL為放電電阻，C1、C2為儲能電容。

儲能電容完全充電的前提是：T≥T1.

為了能夠切出盡量完整的矩形脈沖，則要求脈沖寬度必須小于放電時間。這種制約關(guān)系是設(shè)計電路是需要重點考慮的。

當(dāng)充電限流電阻R1=l，放電限流電阻RL=1，儲能電容為C時，充電回路的時間關(guān)系可以近似地由經(jīng)驗公式計算出來。

由式（8）可知，在放電電阻和電容一定的情況下，脈沖電流將由初始電壓U0和脈寬決定。

在納秒級脈寬的前提下，這種形式的脈沖恒流源可獲得高達(dá)數(shù)十安甚至更高的脈沖電流。其重復(fù)頻率由高速開關(guān)的觸發(fā)脈沖頻率決定，同時，電路實現(xiàn)形式相對簡單。但是，鑒于其儲能電路的放電特性，難以切割出低紋波、高穩(wěn)定性的脈沖電流。雖然在脈沖幅度上能有所提高，當(dāng)激光器負(fù)載對脈沖電流紋波提出比較高的要求時，很容易對負(fù)載造成不可逆的損毀。

1.3 恒流源配合高速開關(guān)實現(xiàn)脈沖恒流源

恒流源通過開關(guān)電路的高速通斷產(chǎn)生脈沖電流。恒流源的核心電路如圖4所示。

將參考電壓轉(zhuǎn)化為電流放大器件的電流信號，并將該信號通過放大器進(jìn)一步放大，將取樣電阻上的電壓反饋給輸出端用于穩(wěn)流，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

功率三極管的冗余并聯(lián)不僅能獲取大電流，也有均流的性能。為了增強恒流源的驅(qū)動能力，采用復(fù)合達(dá)林頓結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提高輸出電流，同時，也進(jìn)一步提高了反饋深度和系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

當(dāng)α和β確定后，管T1的基極電流與輸出電流I0成線性關(guān)系。至此，控制電壓即可調(diào)節(jié)輸出電流。

采用這種形式可以獲得高穩(wěn)定性的脈沖輸出電流，并且脈沖電流從零可調(diào)，其觸發(fā)脈沖的頻率無限制，理論上可以做的很大。其脈沖電流與其他方式相比也更加穩(wěn)定，可以極大地降低電流紋波的影響。但是，其脈沖的輸出幅度完全取決于恒流源的性能。要想獲得更高的脈沖輸出，就需要性能更好、輸出更高的恒流源。恒流源電路相對復(fù)雜，性能與其他形式的脈沖恒流源電路相比也更加困難。

2 結(jié)束語

脈沖恒流源的高性能極大地提高了激光器的激光質(zhì)量。本文分析了3種脈沖恒流源的實現(xiàn)形式，并對比了其性能。雖然雪崩管放大電路可以產(chǎn)生納秒級脈寬的脈沖電流，卻難以獲得更高的脈沖幅度。儲能網(wǎng)絡(luò)配合開關(guān)電路在脈沖電流的穩(wěn)定性方面有所欠缺。相比之下，恒流源不僅能獲得高重復(fù)率、短脈寬的驅(qū)動脈沖，還具有很低的電流紋波。雖然它的電路結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，卻能更好地驅(qū)動半導(dǎo)體激光器。

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〔編輯：白潔〕