張 濤

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南 鄭州 450018）

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，半導(dǎo)體激光源廣泛應(yīng)用于較多領(lǐng)域，如倒車?yán)走_(dá)、二維碼識(shí)別器、機(jī)器人應(yīng)用、光學(xué)傳感器、光網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)及測(cè)距儀等。自激光發(fā)明以來，光學(xué)的應(yīng)用發(fā)生了巨大變化，出現(xiàn)了許多傳統(tǒng)光學(xué)無法實(shí)現(xiàn)的新應(yīng)用和新技術(shù)[1]。激光可作為是高強(qiáng)度的光源，能形成極大的能量聚集，可切割最硬的東西，如鉆石。激光還可用于汽車制造，如倒車?yán)走_(dá)。對(duì)于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，激光可被用作外科手術(shù)刀，用于切割血管、縫合血管以及做視網(wǎng)膜手術(shù)等。對(duì)于天文領(lǐng)域，激光可用于測(cè)量星體的大小等。本文重點(diǎn)論述了光網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)中的——半導(dǎo)體激光源脈沖電路設(shè)計(jì)。光網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)合光學(xué)和電子學(xué)，以半導(dǎo)體激光器為光源、光波為信息載體的光通信技術(shù)。該技術(shù)開創(chuàng)了通信領(lǐng)域的新時(shí)代，已成為有線信道最重要的通信方式。目前，激光的應(yīng)用還處于發(fā)展階段。不斷拓展新的應(yīng)用領(lǐng)域、研制新的激光光源及提高和改善激光的性能，是光學(xué)、電子學(xué)及信息學(xué)等領(lǐng)域的學(xué)者和設(shè)計(jì)人員面臨的新挑戰(zhàn)。半導(dǎo)體激光源作為光纖網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)射源通過波長(zhǎng)通道直接進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)同步數(shù)據(jù)和發(fā)送文件等。半導(dǎo)體激光器波長(zhǎng)覆蓋范圍一般在800 nm～1.65 μm。半導(dǎo)體激光器易于光纖耦合，易于進(jìn)行高速電流調(diào)制，被廣泛應(yīng)用于光纖網(wǎng)絡(luò)通信。本文具體介紹了半導(dǎo)體激光源電路的基礎(chǔ)知識(shí)，詳細(xì)地闡述了半導(dǎo)體激光源電路的應(yīng)用價(jià)值，以期為相關(guān)人員提供參考。

1 總體設(shè)計(jì)思路

半導(dǎo)體激光源脈沖電路的原理是通過頻率輸出電路進(jìn)行可選擇性的多頻段（1 Hz、5 Hz、10 Hz、30 Hz及50 Hz）方波信號(hào)輸出，經(jīng)過脈沖整形集成電路調(diào)制出需要的驅(qū)動(dòng)波形，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)管的電流放大，輸出適合半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)的電流，結(jié)合半導(dǎo)體形成激光輻射。激光是由半導(dǎo)體發(fā)射出激光輻射，輻射源通過優(yōu)化光學(xué)透鏡組合對(duì)半導(dǎo)體激光分散光束進(jìn)行平行光路校準(zhǔn)，最后得到的良好相干光——激光。半導(dǎo)體激光器的工作原理是通過電注入進(jìn)行激勵(lì)，在半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶之間或能帶與雜質(zhì)能級(jí)之間，通過激發(fā)非平衡載流子而實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生光的受激輻射放大。本文中主要闡述了半導(dǎo)體激光源的驅(qū)動(dòng)脈沖電路設(shè)計(jì)方案，更加突出了科學(xué)性和通俗性，同時(shí)列舉了五五五集成電路比較器在半導(dǎo)體激光源中的應(yīng)用實(shí)例。

2 半導(dǎo)體激光源脈沖電路基礎(chǔ)知識(shí)

電子技術(shù)應(yīng)用中，脈沖電路是通過專業(yè)的設(shè)計(jì)理念來產(chǎn)生電脈沖信號(hào)，并對(duì)電脈沖信號(hào)進(jìn)行變換、整形及放大的電路。例如，家中的日用電器、電子開關(guān)、警車報(bào)警器、定時(shí)器、電子醫(yī)療器械、電子鐘表以及兒童電子玩具等都涉及到了脈沖電路。脈沖電路輸出波形有各種各樣的狀態(tài)，如階梯形脈沖、尖頂形脈沖、鋸齒形脈沖、矩形（方波）脈沖、三角形脈沖及鐘形脈沖。其中，最具有代表性的是矩形脈沖。一個(gè)矩形（方波）脈沖的特性可用脈沖幅度、脈沖波形周期、頻率、脈沖前沿、脈沖后沿及脈沖寬度來表示[2]。脈沖信號(hào)的產(chǎn)生是一個(gè)按設(shè)定的電壓幅度，在一定時(shí)間間隔發(fā)出的脈沖連續(xù)信號(hào)。脈沖信號(hào)之間的時(shí)間間隔稱為脈沖周期；而在單位時(shí)間（如50 ms）內(nèi)所產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)稱為頻率。頻率是描述周期性循環(huán)信號(hào)（包括脈沖信號(hào)在內(nèi)）在單位時(shí)間內(nèi)所出現(xiàn)的脈沖數(shù)量多少的計(jì)量名稱，標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量單位是Hz（赫）。五五五集成電路比較器就是一個(gè)典型的頻率脈沖信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生的波形相當(dāng)精確、穩(wěn)定。頻率在數(shù)學(xué)表達(dá)式中用“f”表示，頻率時(shí)間的長(zhǎng)短就是脈沖頻率的高低。

3 關(guān)鍵器件選擇

五五五集成電路比較器誕生于20世紀(jì)70年代初，是將數(shù)字電路和模擬電路集合成一體的電子集成元器件，既有模擬電路的特點(diǎn)，又有數(shù)字電路的特點(diǎn)。它能以簡(jiǎn)單的方式和數(shù)字集成電路直接連接，中間不需要轉(zhuǎn)換，為其廣泛使用提供了極大的方便。該器件最初是為定時(shí)而設(shè)計(jì)制造的，隨著開發(fā)的深入，發(fā)現(xiàn)其具備較多獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大。目前，該電路不僅應(yīng)用于電子領(lǐng)域，而且廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科研、儀表、測(cè)量、控制、家用電器及防火防盜等領(lǐng)域。五五五集成電路比較器使用方便，帶載能力較強(qiáng)，靈敏度較高，設(shè)計(jì)理念簡(jiǎn)單易懂。NE五五五集成電路比較器的工作溫度范圍為0～70 ℃，軍用級(jí)SE五五五集成電路比較器的工作溫度范圍為-55～+125 ℃，高可靠性的金屬灌試8腿T型封裝。8個(gè)引腿定義具體如下。1腿為GND，即電源接地或低電平0 V，一般設(shè)計(jì)為公共接地。2腿為TRIG，即觸發(fā)、啟動(dòng)循環(huán)波形時(shí)間周期，觸發(fā)信號(hào)上升沿電壓必須大于2/3Vcc下沿電壓必須低于1/3Vcc。3腿為OUT，五五五集成電路比較器被觸發(fā)的時(shí)間周期里，該腿輸出電平小于電源電壓，波形周期完畢后，電平回復(fù)到0 V。4腿為REST，即低電平復(fù)位腿，當(dāng)該腿為低電平時(shí)會(huì)重置時(shí)鐘同時(shí)使輸出回復(fù)到低電位。該腿通常忽略不用或被接到正電源。5腿為CTRL在單穩(wěn)態(tài)或震蕩的模式下，該腿可用作調(diào)試輸出頻率。6腿為THR，閥值大于2/3Vcc，輸出為低態(tài)。7腿為DIS，當(dāng)輸出為高電平時(shí)，對(duì)地為高阻抗；當(dāng)輸出為低電平時(shí)，對(duì)地為低阻抗。8腿為Vcc，接電源的正極。五五五集成電路比較器的基本功能原理：（1）當(dāng)2腿和6腿的輸入電壓Vi從高于2/3VDD向1/3VDD～2/3VDD減小時(shí)，輸出端電壓V0保持低電平0不變；（2）當(dāng)2腿和6腿輸入電壓Vi由2/3VDD下降至略低于2/3VDD時(shí)，輸出端電壓V0由低電平0變?yōu)楦唠娖?；（3）當(dāng)2腿和6腿輸入電壓Vi由1/3VDD下降至0 V時(shí)，輸出端電壓V0保持高電平1不變。（4）當(dāng)輸入電壓Vi由0 V上升時(shí)，在0～2/3VDD范圍時(shí)，輸入電壓V0保持高電平1不變。當(dāng)Vi大于2/3VDD時(shí)，電路翻轉(zhuǎn)，輸出電壓V0由高電平1變?yōu)榈碗娖?；（5）當(dāng)輸入電壓Vi由0 V上升時(shí)，電路翻轉(zhuǎn)電壓為1/3VDD。輸入電壓Vi（由高于2/3VDD電壓）下降時(shí)，電路的翻轉(zhuǎn)電壓為2/3VDD。使電路發(fā)生翻轉(zhuǎn)的兩個(gè)電壓是不同的，這是由于五五五集成電路具有施密特電路特性。

4 電路設(shè)計(jì)

五五五集成電路比較器的工作特點(diǎn)是通過電容、電阻簡(jiǎn)單的調(diào)試，即可達(dá)到震蕩作用，且輸入電源范圍廣，輸出電流大，很適合作為半導(dǎo)體激光源脈沖信號(hào)發(fā)生器。因此，設(shè)計(jì)中，可把五五五集成電路比較器設(shè)計(jì)為多諧震蕩電路。方波振蕩器實(shí)際上是一種脈沖占空比為50%的多諧振蕩器?；倦娐贩治鲋校嘀C振蕩器既能滿足頻率可調(diào)而又能使占空比始終穩(wěn)定為50%。從原理分析，占空比始終等于50%的多諧震蕩器，它的電容充放電回路的電阻應(yīng)當(dāng)完全相等。例如，多諧震蕩器的充電電阻和放電電阻均為可調(diào)電阻器，同時(shí)擔(dān)負(fù)調(diào)節(jié)震蕩頻率的作用。該電路的工作過程分析具體如下。（1）當(dāng)外接電容充電時(shí)，電源通過電阻使晶體管的基極得到偏置電壓，晶體管導(dǎo)通飽和，電源通過晶體管、可調(diào)電阻向電容充電。此時(shí)二極管因處于反向偏置而截至。（2）當(dāng)外接電容充電達(dá)到2/3VDD時(shí)，二極管進(jìn)入正向偏置而導(dǎo)通，電容開始放電放電回路為電容→可調(diào)電阻→二極管→第7腿。此時(shí)電容的充、放電均通過同一個(gè)可調(diào)電阻進(jìn)行，做到了嚴(yán)格相等。此外，充電回路中有晶體管的導(dǎo)通電阻，放電回路中有二極管的導(dǎo)通電阻，兩者阻值基本相等，不會(huì)影響電容的充放電。電路中的電阻只作為晶體管的偏置電阻，與電容的充放電無關(guān)。電路的振蕩頻率可由公式：f=1/0.693（2倍的可調(diào)電阻RP）×電容C計(jì)算。通過分析可知，調(diào)節(jié)可調(diào)電阻RP可改變振蕩電路的振蕩頻率，但不會(huì)影響輸出脈沖的占空比。然后通過MXT429脈沖整形集成電路把輸入的方波電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成負(fù)正（發(fā)光二極管脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)觸發(fā)IRF3205PBF（MOSFET）導(dǎo)通，進(jìn)而產(chǎn)生高壓脈沖信號(hào)，經(jīng)過發(fā)光二極管SFH4850將電能轉(zhuǎn)換為光能，產(chǎn)生光信號(hào)。MXT429脈沖整形集成電路各腿定義為：1腿VDD；2腿IN；3腿NC；4腿GND；5腿GND；6腿OUT；7腿OUT；8腿VDD。

5 設(shè)計(jì)原則

本設(shè)計(jì)注重可靠性和維修性，采取了各種保障性措施，如采用插拔式8孔插針底座作為五五五集成電路連接器。該底座體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于維修更換，更有效地提高了維修售后服務(wù)效率。

6 結(jié) 論

根據(jù)分析可知，該半導(dǎo)體激光源脈沖電路的設(shè)計(jì)思路清晰，技術(shù)資料準(zhǔn)備充分。此外，新半導(dǎo)體激光源脈沖電路具有能量轉(zhuǎn)換效率高、超小型化、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)及多頻段調(diào)試操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，適用于光網(wǎng)絡(luò)通信。