王 興，續(xù)文敏，張建忠，張明江，喬麗君，王 濤

1)太原理工大學(xué)新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點實驗室，山西太原 030024；2)太原理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，光電工程研究所，山西太原 030024

混沌激光在高速真隨機碼產(chǎn)生[1-2]、分布式光纖傳感[3]、保密通信[4-5]及雷達[6]等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用.光子集成混沌激光器作為一種體積小，易與其他系統(tǒng)集成，不易受環(huán)境影響，且穩(wěn)定可靠的寬帶混沌激光光源，已經(jīng)受到廣泛關(guān)注[7-8].本課題組設(shè)計了一種封裝在商用蝶形外殼中，具有短腔光反饋的混合集成混沌半導(dǎo)體激光器[9]，經(jīng)測試驅(qū)動該混沌半導(dǎo)體激光器所需的電流值為0～80 mA.混沌激光器所使用的砷化鎵、磷化銦及硫化鋅等增益介質(zhì)材料對溫度敏感[10]，溫度變化會對激光器的激射波長和閾值電流產(chǎn)生影響，進而影響激光器輸出的混沌狀態(tài).驅(qū)動電流對激光器進入混沌的路徑，以及輸出混沌光狀態(tài)均有重要影響[11]，因此，對混沌激光器進行高精度的溫度和直流驅(qū)動控制十分重要.為提高激光器的驅(qū)動性能，黃斐等[12]采用FP7103芯片制作了恒流源，在30 min內(nèi)實現(xiàn)了0.023%的光功率穩(wěn)定度；李永定等[13]采用TMS320LF2812芯片實現(xiàn)48 h驅(qū)動電流穩(wěn)定度優(yōu)于0.08%；袁林成等[14]利用LM2596芯片得到200～400 kilo-count/s的激光器輸出強度波動；于小雨等[15]設(shè)計一種面向不同半導(dǎo)體熱電制冷器(thermoelectric cooler, TEC)混沌激光器的驅(qū)動電路，實現(xiàn)對具有不同型號TEC混沌激光器的溫度及驅(qū)動電流的有效控制，輸出到TEC端的最大電壓調(diào)節(jié)范圍為0～3.3 V，輸出電流穩(wěn)定度為0.02%，測試激光器輸出波長的波動穩(wěn)定在9 pm以內(nèi).然而，文獻[15]的驅(qū)動電路設(shè)計在驅(qū)動電流輸出的全量程范圍內(nèi)，不能提供穩(wěn)定的線性調(diào)節(jié)以及全量程范圍內(nèi)保持最小步進0.01 mA的調(diào)節(jié)能力.

本研究設(shè)計一種基于亞德諾半導(dǎo)體技術(shù)公司ADN8810和ADN8835芯片的混沌激光器驅(qū)動及溫控電路，實現(xiàn)了驅(qū)動電流0～80 mA，全量程范圍最小步進0.01 mA線性可調(diào)的驅(qū)動能力. 實驗結(jié)果表明，本研究設(shè)計的混沌激光器驅(qū)動及溫控電路的輸出電流穩(wěn)定度優(yōu)于0.007%，2 h內(nèi)激光器輸出光中心波長最大漂移17 pm，激光器溫度最大波動 0.17 ℃.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

圖1為驅(qū)動及溫控電路的印制電路板(printed circuit board, PCB)圖，圖2為驅(qū)動及溫控電路實物圖.驅(qū)動及溫控電路系統(tǒng)包括電源電路、驅(qū)動電流電路、溫度控制電路以及激光器接口.使用STM32F407最小系統(tǒng)板實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理[16]、對驅(qū)動電流電路控制芯片ADN8810輸入控制碼code、接收按鍵信息、接收驅(qū)動電流電路和溫度控制電路返回信號的功能；電源電路主要包括L7805、NSP2951T及ADR4540三種穩(wěn)壓器件，將輸入的7.5 V直流電濾波轉(zhuǎn)換為5.000、3.300及4.096 V直流電，提供驅(qū)動電路中全部所需電壓.激光器溫度控制電路包括阻值編程可控的AD5173構(gòu)成的分壓電路，3組滑動變阻器構(gòu)成的備用分壓電路用來調(diào)節(jié)溫控芯片ADN8835的VLIM、ILIM、IN2P引腳的輸入電壓值，實現(xiàn)調(diào)節(jié)TEC兩端最大工作電壓、TEC兩端最大工作電流以及設(shè)定激光器目標(biāo)溫度的功能，以適應(yīng)具有不同型號TEC激光器的需要.驅(qū)動電流電路以ADN8810芯片為核心，根據(jù)接收到的code值為激光器提供全量程線性可調(diào)的驅(qū)動電流.激光器接口提供一種可以直接焊接蝶形封裝激光器的接口，同時提供一種可以焊接標(biāo)準(zhǔn)商用9針接頭的過孔，以方便使用激光器夾具來驅(qū)動激光器.

圖1 驅(qū)動電路PCB版圖Fig.1 (Color online) PCB layout of driving circuit

圖2 驅(qū)動電路實物圖Fig.2 (Color online) Driving circuit physical diagram

在設(shè)計中將控制和顯示部分分離，在單片機控制部分STM32F407最小系統(tǒng)板上加入控制按鍵和顯示屏，基于STM32F407控制芯片編寫控制程序，實用性和可操作性強.將微控制單元(microcontroller unit, MCU)部分分離出來的設(shè)計方案增強了設(shè)計的應(yīng)用范圍，方便根據(jù)需要改變控制所使用的MCU器件，使系統(tǒng)功能具有繼續(xù)擴展的空間.

PCB設(shè)計采用4層結(jié)構(gòu)：頂層和底層為電源層和數(shù)據(jù)信號的走線層，這兩層焊接電子元器件以及接口插件，并使用鋪銅消除電源電路對驅(qū)動芯片和溫控芯片可能產(chǎn)生的電磁干擾；中間兩層為數(shù)字接地層和模擬接地層，將數(shù)字地和模擬地分開，減少數(shù)字電路噪聲對模擬電路系統(tǒng)的干擾，提高系統(tǒng)的整體控制效果.

2 驅(qū)動電流電路設(shè)計

圖3為驅(qū)動電流電路原理圖.其中，驅(qū)動電流電路由2塊ADN8810芯片及其外圍電路構(gòu)成.單個ADN8810芯片輸出驅(qū)動電流的滿量程值IFS為

(1)

其中，UREF為ADR4540穩(wěn)壓元件產(chǎn)生的參考電壓，理論值為4.096 V，該參考電壓輸入ADN8810芯片的VREF引腳；RSN為電路中參考電阻阻值，本設(shè)計中采用10 Ω的高精度低溫漂金屬膜電阻[17]作為RSN. ADN8810芯片輸出驅(qū)動電流IOUT為

圖3 驅(qū)動電流電路原理圖Fig.3 (Color online) Schematic diagram of driving current circuit

(2)

其中，code為STM32向ADN8810芯片輸入的控制碼數(shù)值，其取值范圍為0～4 095.

由式(1)可得，單個ADN8810滿量程輸出約為40 mA. code值每增加1，ADN8810芯片對應(yīng)接收到IOUT理論上增加0.010 07 mA，與0.01 mA的期望值相差0.000 07 mA.隨著code值的不斷增加，0.000 07 mA累積的系統(tǒng)誤差會超過0.01 mA，甚至達到最大約0.28 mA.

為了消除系統(tǒng)誤差，令I(lǐng)OUT=0.01 mA，RSN=10 Ω，code=1，計算可得所需的UREF為4.069 V.因此，設(shè)計中采用一個阻值為1 kΩ與一個阻值為6.8 Ω電阻構(gòu)成分壓電路的辦法，使ADN8810芯片的VREF引腳的實際輸入電壓為4.069 V. code值每增加1，對應(yīng)驅(qū)動電流理論增加值為0.01 mA，理論上消除了系統(tǒng)誤差.為了提供更大的驅(qū)動能力，驅(qū)動電流電路采用兩塊ADN8810芯片輸出串聯(lián)的設(shè)計方式，滿量程驅(qū)動電流值為80 mA. 此時，驅(qū)動電流電路輸出的驅(qū)動電流值I為

I=IOUT1+IOUT2

(3)

式(3)僅在兩個ADN8810模塊的輸出驅(qū)動電流值相差不大的情況下成立，若兩個輸出電流值相差較大，會出現(xiàn)互相損耗的現(xiàn)象，I將明顯小于IOUT1與IOUT2之和.使用STM32的1個串行外設(shè)接口(serial peripheral interface, SPI)同時向兩塊ADN8810輸入相同的控制碼code值時，得到的驅(qū)動電流值與code值的線性關(guān)系如圖4. 可見，線性度為0.005%，效果良好.測試結(jié)果由安捷倫公司34410A型六位半數(shù)字萬用表測得.

圖4 驅(qū)動電流值與code值的關(guān)系圖Fig.4 Diagram of the corresponding relation between the value of driving current and the value of code

采用上述輸入控制碼code值方式，驅(qū)動電流電路調(diào)節(jié)的最小步進為0.02 mA.為實現(xiàn)最小0.01 mA的驅(qū)動電流調(diào)節(jié)最小步進，并同時規(guī)避互相損耗發(fā)生，采用如圖5的控制流程.系統(tǒng)開始工作時默認對電流進行控制.首先，進行按鍵掃描，若SWITCH鍵未按下，表示當(dāng)前對驅(qū)動電流值進行控制；接下來判斷按下的是up還是down鍵，來完成對驅(qū)動電流值的增加或減少控制.在調(diào)節(jié)驅(qū)動電流值時，先進行BUF2值判斷，通過判斷結(jié)果確定當(dāng)前電流值的變化應(yīng)該在ADN8810模塊1還是模塊2上實現(xiàn).code1和code2分別指輸入到第1和第2塊ADN8810芯片中的控制碼數(shù)值.STM32最小系統(tǒng)板增減驅(qū)動電流時采用依次增減code1和code2值的方式， 保持兩塊ADN8810芯片接收到的控制碼值相差不超過1.

圖5 驅(qū)動電流調(diào)節(jié)控制流程圖Fig.5 Control flow chart of driving current

圖6為輸出驅(qū)動電流的穩(wěn)定性測試圖. 實驗在60 min內(nèi)，每10 s自動記錄驅(qū)動電路的輸出驅(qū)動電流值. 測試激光器為武漢電信器件有限公司生產(chǎn)的分布式反饋(distributed feedback, DFB)激光器，工作電流為0～120 mA.電流測試儀器為安捷倫34410A型數(shù)字萬用表.實驗分別測量驅(qū)動電流理論輸出為20、40、60及80 mA時的實際驅(qū)動電流值，其穩(wěn)定度[18]分別為0.000 5%、0.000 1%、0.003 3%及0.006 5%. 可見，輸出驅(qū)動電流的穩(wěn)定度優(yōu)于0.007%.

3 溫度控制電路設(shè)計

圖7為溫度控制電路原理圖.將激光器內(nèi)熱敏電阻接入H橋電路[19-20]測量激光器的實時溫度，并通過調(diào)節(jié)激光器內(nèi)TEC實現(xiàn)對激光器的溫度控制.其中，ADN8835芯片上的OUT1引腳電壓UOUT1反映了當(dāng)前激光器的實時溫度.溫度控制電路以ADN8835芯片為控制核心，包括溫度設(shè)置部分，實現(xiàn)對激光器目標(biāo)溫度的設(shè)置；TEC電壓和電流控制部分，可以分別控制制冷和制熱模式下輸出到TEC兩端的電壓最大值以及流經(jīng)TEC的最大電流值，達到保護激光器的目的[21].比例-積分-微分(proportion integration differentiation，PID)控制部分，將激光器目標(biāo)溫度的設(shè)置電壓與激光器內(nèi)熱敏電阻的反饋電壓進行比較，產(chǎn)生差分信號調(diào)節(jié)激光器內(nèi)TEC的溫度.

輸出到TEC兩端的最大直流電壓可以根據(jù)制冷和制熱模式分為UTEC_MAX_COOLING和UTEC_MAX_HEATING， 其與VLIM引腳電壓的關(guān)系為

(4)

(5)

UTEC_MAX_COOLING=UVLIMC×AVLIM

(6)

UTEC_MAX_HEATING=UVLIMH×AVLIM

(7)

圖6 輸出驅(qū)動電流穩(wěn)定性測試圖Fig.6 Stability test chart of output driving current

圖7 溫度控制電路原理圖Fig.7 (Color online) Schematic diagram of temperature control circuit

其中，UREF是ADN8835上VREF引腳輸出的參考電壓，UREF=2.5 V；ILIMH是ADN8835內(nèi)部改變電壓制冷制熱模式的開關(guān)電流，根據(jù)芯片手冊有ILIMH=10 μA；AVLIM是由ADN8835內(nèi)部電路設(shè)計決定的一個值，根據(jù)手冊有AVLIM=2 V/V；UVLIMC和UVLIMH分別為制冷和制熱模式下VLIM引腳的輸入電壓.制冷模式下的最大電壓永遠大于制熱模式下的最大電壓，因此，只需使UTEC_MAX_COOLING符合要求即可.按照制冷模式計算，UVLIMC的范圍為0.2～2.2 V.由式(4)和式(6)可得

(8)

設(shè)計中RV1采用阻值為10 kΩ的電阻，RV2接入的是100 kΩ阻值A(chǔ)D5173的一個通道.因此，VTEC_MAX_COOLING的實際范圍為0.5～4.5 V.

通過TEC的最大電流根據(jù)制冷和制熱兩種模式分為ITEC_MAX_COOLING和ITEC_MAX_HEATING， 其與ILIM引腳的輸入電壓關(guān)系為

(9)

(10)

(11)

(12)

其中，UREF=2.5 V；ILIMC是ADN8835內(nèi)改變電流制冷加熱模式的開關(guān)電流，根據(jù)手冊ILIMC=40 μA；RCS是由ADN8835內(nèi)部電路設(shè)計決定的一個電阻值，根據(jù)手冊RCS=0.285 V/A；UILIMH≤1.2 V；UILIMC≥1.3 V；RC1=10 kΩ；制熱時RC2阻值為0～8 kΩ；制冷時RC2為10～100 kΩ；制熱模式下TEC最大電流可調(diào)范圍為0.5～3.6 A；制冷模式下TEC最大電流可調(diào)范圍為0.7～4.3 A.

激光器內(nèi)的UTEC即為TEC+與TEC-之間的電壓，而TEC+和TEC-直接與AND8835的LDR和SFB引腳相連. 因此，ADN8835對TEC電壓的控制最終是通過對LDR和SFB電壓的控制實現(xiàn)的.LDR和SFB引腳的電壓ULDR和USFB為

ULDR=UB-40(UOUT2-1.25)

(13)

USFB=ULDR+5(UOUT2-1.25)

(14)

其中，UOUT2為PID控制網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓；UB=2.5 V.

定義UTEC=ULDR-USFB， 則

UTEC=-5(UOUT2-1.25)

(15)

可見，隨著UOUT2的增大，其差值的幅值呈現(xiàn)先減小再增大的趨勢；UOUT2=1.25 V處是臨界點，電壓差的幅值在該點發(fā)生反轉(zhuǎn)，對應(yīng)的電流方向、TEC的制冷制熱也隨之變化.UOUT2符合以下關(guān)系

(16)

其中，Z1/Z2是PID控制網(wǎng)絡(luò)中OUT2對OUT1的比例關(guān)系，由PID控制網(wǎng)絡(luò)中電阻值與電容值共同決定；UTEMPSET是溫度設(shè)定電壓，即IN1N引腳的輸入電壓.激光器溫度的調(diào)節(jié)是一個典型的PID控制過程，在調(diào)節(jié)過程中，激光器熱敏電阻值的變化導(dǎo)致ADN8835的IN1N腳輸入電壓發(fā)生變化，IN1N腳和IN1P腳的1.25 V電壓之間存在的電壓差，經(jīng)過差分放大后從OUT1引腳輸出反饋電壓.將OUT1腳的反饋電壓輸入到IN2N引腳，經(jīng)過與溫度設(shè)定IN2P引腳輸入電壓之間差分電壓的放大，PID網(wǎng)絡(luò)輸出的OUT2電壓也不斷調(diào)整.在ADN8835內(nèi)部，OUT2輸出的電壓被輸入控制器，按照OUT2輸出電壓的大小，不斷調(diào)整內(nèi)部的線性驅(qū)動和PWN驅(qū)動，二者同時控制TEC兩端電壓的改變.當(dāng)溫度達到設(shè)定值時，激光器內(nèi)部熱敏電阻阻值變化達到溫度設(shè)定電阻的阻值，此時LDR和SFB的差值在0 V震蕩，TEC的電流流向不斷微變，制冷和制熱不斷切換，最終使溫度趨于穩(wěn)定，達到設(shè)定溫度值.

OUT1引腳的電壓UOUT1為

(17)

其中，RFB是PID控制網(wǎng)絡(luò)中的反饋電阻阻值；RTH是熱敏電阻阻值；RX是補償電阻阻值，本設(shè)計中RX=7.68 kΩ；R為25 ℃時的熱敏電阻與補償電阻的阻值之和，R=RX+RTH25.

在本溫度控制電路設(shè)計中，參考電壓源于ADN8810芯片VREF引腳產(chǎn)生的2.5 V參考電壓，因此，UOUT1不可能大于2.5 V，也不可能小于0 V.通過UOUT1可得到激光器的實時溫度值.

使用WTD公司的DFB激光器對溫控電路的工作效果進行測試. 該DFB激光器的工作電流范圍為0～120 mA，TEC端的電壓范圍為0～3.3 V.使用APEX AP2041B高分辨率光譜儀檢測測試激光器的輸出光中心波長.將激光器溫度設(shè)定為25 ℃，光譜儀分辨率設(shè)定為1.12 pm，每隔10 s記錄1次激光器輸出光中心波長，結(jié)果如圖8. 可見，激光器輸出光中心波長在120 min內(nèi)的最大波動為17 pm.設(shè)定激光器溫度為25 ℃，待溫控電路工作30 min后，使用安捷倫34410A型數(shù)字萬用表每10 s自動記錄溫控電路中的UOUT1， 結(jié)果如圖9. 可見，在120 min內(nèi)UOUT1的最大變化值為24 mV，換算可得激光器的溫度波動最大為0.17 ℃.

圖8 激光器輸出光中心波長隨時間的波動Fig.8 The fluctuation of the center wavelength of the laser output light with time

圖9 OUT1引腳電壓測量圖Fig.9 OUT1 voltage measurement chart

結(jié) 語

為了對混沌激光器進行更好控制，根據(jù)實際需要設(shè)計一種基于ADN8810和ADN8835的驅(qū)動及溫控電路.本設(shè)計具備全量程范圍內(nèi)0.01 mA的驅(qū)動電流調(diào)節(jié)精度，連續(xù)線性可調(diào).電路可調(diào)節(jié)激光器內(nèi)TEC端的最大電壓和最大電流，輸出到TEC端的最大電壓調(diào)節(jié)范圍為0.5～4.5 V，通過TEC兩端的最大電流調(diào)節(jié)范圍為0.5～4.3 A.實驗結(jié)果表明，本研究設(shè)計的驅(qū)動及溫控電路輸出電流穩(wěn)定度優(yōu)于0.00 7%.2 h內(nèi)激光器輸出光中心波長最大波動為17 pm，激光器溫度最大波動為0.17 ℃，能夠滿足實際需要.