（光学工程专业论文）半导体激光器温度控制系统及光斑测量系统的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 本论文主要研究了两方面内容：一是研究了如何利用! 撞剑规建研制出半 导体激光器温度控制系统，再是研究了如何利用c m o s 摄像头和u s b 总线研制 出激光光斑测量系统。 首先，论文介绍了我们研制的一种半导体激光墨的温度控制系统。陈统利 用半导体制冷器( 珀尔帖片) 对半导体激光器实现制冷和加热，从而实现对其的 精密温控，构成了全固态温控系统。本系统采用p i 控制规律，最后达到了较好 的控制效果，温度可以控制在o _ 3 。作为系统的应用，我们得到了半导体激 光器的温度一闺值电流依赖关系。广一 其次论文介绍了我们研制的一种新型激光光斑测量系统。傈统在硬件上 利用了计算机的u s b 接口并采用c m o s 成像器件，在软件上实现了单帧采集、 多帧采集和a v i 文件的采集，同时可以将a v i 文件中的每一帧取出存成b m p 文 件，从而得到需要的图象。作为系统的应用，我们测量了l d 泵浦c r ”：n ： y a g 激光的光斑，并利用脉冲工作状态下半导体激光器的光照，分析了c m o s 成像器件的频率响应特性。卜1 一 最后论文介绍了利用该光斑测量系统对1 w 半导体激光器连续工作状态下 的远、近场光强分布的测量：同时介绍了利用该温控系统对在不同温度下的1 w 半导体激光器的光谱特性的测量，得到了温度一波长的依赖关系。 浙江大学硕士学位论文摘要 a b s t r a c t a t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m f o rl a s e rd i o d eb a s e do n p r o p o r t i o n - i n t e g r a t i o n ( p i ) a n dac a p t u r i n gs y s t e mf o rl a s e rs p o tc o m p o s e do fu s bc a m e r aa n dc o m p u t e ra r e s t u d i e di nt h et h e s i s a tf i r s t , t h e t e m p e r a t u r e c o n t r o l s y s t e m i si n t r o d u c e d t h ea l ls o l i d s t a t e r e f r i g e r a t i o ns y s t e mi sm a d eu po ft e c ( t h e r m a le l e c t r i c a lc o o l e r ) c o n t r o l l e db y t h e p ic o n t r o l l e r t h ee x p e r i m e n tr e s u l ts h o w st h a t ，t h ep r e c i s i o no ft h et e m p e r a t u r e c o n t r o l l e di s 0 3 c a n dt h ef u n c t i o no f t e m p e r a t u r ev e r s u st h r e s h o l dc u r r e n to f t h e l a s e rd i o d ei sg i v e nu s i n gt h ed e v e l o p e dt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m s e c o n d l y ，an e wc a p t u r i n gs y s t e mf o rl a s e rs p o ti sd e s i g n e da n dp r o d u c e db y e m p l o y i n g u s bi n t e r f a c ea n ds i n g l ec h i pc m o sc a m e r ad e v i c e as o f t w a r es y s t e mi s a l s od e v e l o p e dw h i c hi ss u i t a b l et oc a p t u r es i n g l ef r a m e ，s e v e r a lf r a m e sa n da v if i l e i na d d i t i o n ，t h es o f l , a r ec a ng e tad a t as f f e a mf r o ma r ta v if i l ew h i c hc o u l d b es a v e d i nb m pf o r m a t l a s e rs p o to fl d p u m p e d c r 4 + ：n d ：y a gl a s e ri so b t a i n e du s i n g t h ec a p t u r i n gs y s t e m t h er e s p o n s et op u l s ei l l u m i n a t i o no fc m o sc a m e r ad e v i c ei s a l s os t u d i e d f i n a l l y ，an e a r a n df a r - f i e l dp a t t e r n so f l a s e rd i o d ew i t h1w o u t p u tp o w e r a r e r e c o r d e d u s i n g t h e c a p t u r i n gs y s t e m a n d a n a l y z e d s i m u l t a n e o u s l y , t h ep e a k w a v e l e n g t ho ft h el a s e rd i o d ea s af u n c t i o no fi t s t e m p e r a t u r e c o n t r o l l e db yt h e d e v e l o p e dt e m p e r a t t l r ec o n t r o ls y s t e m i sg i v e n 浙江大学硕士学位论文 绪论 第一章绪论 1 1 半导体激光器的发展概况及研究现状 2 0 世纪7 0 年代以来，由于光导纤维技术和半导体激光器的重要突破，导致 以光纤通信、光纤传感、光信息存储、光信息处理与显示等为代表的光信息技术 的蓬勃发展，并取得日益广泛的应用。同时各学科间韵相互渗透及交叉又形成了 一些新的边缘学科，促进了对半导体激光器工作原理的深入理解，并推动它取得 进一步的发展。 与其他种类的激光器相比，半导体激光器具有十分突出的优点，除了体积小、 重量轻、转换效率高、省电等优点外，半导体激光器的制造工艺与半导体屯子器 件和集成电路的生产工艺兼容，因此便于与其他器件实现单片光电子集成。半导 体激光器的激射频率可在较宽的范围内调谐，激射功率和频率可以方便、高效地 进行直接调制，且调制带宽范围大。而且随着半导体激光器激射波长范围的扩展 ( 目前已有x 为4 3 0 h m 附近的蓝绿光激光器直到 为几微米的中红外激光器) ， 光谱特性的改善，闽值电流的降低，量子转换效率的提高，输出光功率的增加， 可靠性及使用寿命的提高等，半导体激光器的优越性更加明显应用领域越来越 广。可以毫不夸张地说，目前半导体激光器在光电子技术领域中的位置、应用和 发展趋势，正象电子技术领域中当年由电子管向晶体管和集成电路发展转化那 样，已经起着其他激光器不可替代的作用。它将是具有划时代意义的重要光源。 2 0 世纪7 0 年代初实现了半导体激光器的室温、连续激射后，开创了半导体 激光器发展的新时期。目前它已经是光纤通信、光纤传感、光盘记录存储、光互 连、激光打印和印刷、激光分子光谱学咀及光纤放大器泵浦、固体激光器泵浦中 不可替代的重要光源。 半导体激光器泵浦固体激光器以其体积小、重量轻、效率高、长寿命和全固 态等优点成为国际上新型激光器的研究热点。 本论文就是针对这一用途研究了半导体激光器的温度控制系统，并讨论了半 导体激光器阖值电流、纵模特性与温度的关系。另外还利用c m o s 摄像头研制 出激光光斑测量系统，并测量分析了半导体激光器的远、近场分布和纵模谱。 12 半导体激光器温控系统的研究意义 由于半导体激光器的寿命、闽值电流、输出功率、激射波长等指标受环境温 度影响较大，极大的限制了其应用范围所以温控技术已经成为半导体激光器应 用的重要组成部分。 浙江大学硕士学位论文 绪论 在激光二极管( 1 a s e rd i o d e ，l d ) 泵浦固体激光器( d p l ) 的应用中沁1 ，为 实现对激光晶体的谱线耦合，必须调整l d 的输出波长使其与激光晶体的吸收峰 值匹配。l d 的输出波长主要由其掺杂浓度、工作电流和工作温度决定，一般通 过改变半导体激光器的工作温度来微调其输出光的波长，其变化规律大致为 0 2 - 0 3 n m 。c 。 另外，大功率半导体激光器正常工作时热耗很大，约占总功耗的5 0 - - 7 0 ，若不能及时散热，就会使芯片温度急剧升高，输出功率严重下降，并影响使 用寿命。所以工作温度对于半导体激光器十分重要，必须给半导体激光器恒定而 且能够精密调整的工作温度，才能保证半导体激光器泵浦固体激光器具有最大的 输出功率和最小的功率波动。 以前对大功率半导体激光器往往采用冰水循环方式制冷，通过调节热沉中循 环管道内冰水的流量来达到温控的目的。这种控制方式精度不高，使用也不方便。 而利用珀尔帖片温控的方式中，双向温控源一般所采用的推挽电路工作方 式，不但驱动电路复杂，而且输出功率由输入电压和功率管的导通损耗来调节， 前者要加笨重的调压器，后者必须配备大型散热器，导致系统工作效率低。 本论文利用l i f t 0 积分( p r o p o r t i o n i n l e g r a t i 0 1 3 ，p i ) 控制调节电路和常规 脉宽调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i 0 1 1 ，p w m ) 控制芯片组成的温控电路，控制珀尔 帖片对半导体激光器进行温控。调节p w m 的输出使功率管工作在饱和和截止状 态，减小管耗，同时利用了p w m 方式响应快的特点。 温控系统部分的工作完成后，做到了能够提供给半导体激光器恒定且可以 精确、双向调整的温度，在快速恒温时超调量小保证半导体激光器输出特性稳 定，而且整个系统体积小，重量轻。 作为系统的应用我们测量了半导体激光器在不同温度下的阈值电流并得到 了温度一闽值电流的函数关系式。 1 3 基于o m o s 摄像头和u s b 接口的光斑测量系统 目前，在固体图象传感器中，c c d 和c m o s 是现在最常见的两种固体图象传感 器。 c c d 近几十年来得到了很大发展，但c c d 制作比较复杂，工艺要求严格，且 与一般集成电路工艺不兼容，成本也高。c i o s 工艺是超大规模集成电路的主流 工艺，集成度高，可咀根据需要，将多种功能集成在一块芯片上，单芯片就可以 完成摄像机全部电学功能，体积小、功耗低、价格便宜，随着近年来c m o s 集成 电路工艺的不断进步和完善，c m o s 图像传感器芯片获得了迅速的发展和广泛应 用。 c m o s 图像传感器是固体图像传感器中最重要的一个分支，由于它具有体积 浙江大学硕士学位论文 绪论 小、重量轻、功耗低、集成度高、价格低等c c d 图像传感器不具备的优点，近年 来，由于亚微米工艺技术的发展和器件结构不断改进，大大改善了c m o s 图像传 感器的图像质量，使其明显优于c c d 图像传感器的图像质量，因而，可以预期在 不久的将来它将会在许多领域取代c c d 图像传感器。 当前利用p c 机对各种数据进行采集的一般方式是通过数据采集卡，常用的 有a d 卡以及4 2 2 、4 8 5 等总线板卡。但是采用板卡不仅安装麻烦、易受机箱内 环境的干扰，而且由于受计算机插槽数量和地址、中断资源的限制，不可能挂接 很多设备。而通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，u s b ) 的出现，很好地解 决了以上冲突，根容易就能实现低成本、高可靠性、多点地数据采集。 事实上，在以前关于激光光斑测量的报道中，我们还没有见到过利用c m o s 成像器件和u s b 接口的测量系统的资料。本论文在这一方面作了一些尝试，并获 得了较好的结果。 u s b 是一些p c 大厂商，如m i c r o s o f t 、i n t e l 等为了解决日益增加的p c 外 设与有限的主板插槽和端口之间的矛盾而制定的一种串行通讯的标准。现在生产 的p c 机都配备了u s b 接口“1 。在操作系统上，m i c r o s o f t 的w i n 9 8 、w i n 2 0 0 0 ， n t 以及m a co s 、l i n u x 、f r e e b s d 等流行操作系统都增加了对u s b 的支持。 本论文就是利用m i c r o s o f t 公司的v i d e of o rw i n d o w s ( v w ) ，编制了相应 的采集软件，实现了实时获取、可选择多帧获取和单帧获取三种方式的图象采 集。 v f w 是m i c r o s o f t 公司为开发基于w i n d o w s 的视频捕捉、视频编辑和视频播 放等视频应用程序提供的软件开发工具“。该开发工具包含了开发视频应用程序 所需要的接口函数( a p i s ) ，以求简化程序员开发基于w i n d o w s 的视频应用程序 的工作。 在w i n 9 5 出现之前，v f w 是以单独的d k ( d e v e l o p m e n tk i t ) 方式提供视频 开发环境。w i n 9 5 之后w i n d o w s 本身增强了多媒体功能，相应于w i n d o w s 的各种 编程语言也纷纷提供了对多媒体的支持。本论文就是利用了v i s u a lc + + 6 0 中的v f w 开发包。 1 4 半导体激光器光场特性和纵模特性测量 在说明半导体激光器的性能时，普遍感兴趣的一个稳态特性是纵模谱。所 谓稳态特性是指注入电流恒定时的特性，而纵模谱表示在给定电流下各纵模问功 率如何分布。 利用半导体激光器泵浦固体激光时，被泵浦的晶体一般会有几组吸收峰， 分别对应晶体的不同能级。只有当半导体激光器的峰值波长与其中的一组吸收峰 匹配时，j 能达到最好的泵浦效果。 浙江大学顾士学位论文绪论 作为泵浦光源，希望半导体激光器能提供高的峰值功率密度，所以它是一 种要产生很大峰值热流的器件。为了对准峰值吸收波长，半导体激光器必须稳定 在特定温度下工作。因此，为了更准确的控制发射波长，有必要通过对纵模谱的 分析得出辐射波长与热沉温度间的关系。 另外，人们通常将半导体激光器输出的光场分布分别用近场和远场特性来 描述。近场特性是指光强在半导体激光器解理面上的分布它往往和激光器的侧 向模式联系在一起。远场特性是指距输出腔面无穷远处的光束在空问的分布。 本论文在最后测量了1 w 激光二极管的纵模谱，分析了峰值波长和热沉温度 的相互关系，同时测量了其远近场分布。 1 5 本论文的研究成果 1 ) 研制了半导体激光器的温度控制系统，完成了电路的设计、制作及调试， 并实际应用于激光二极管，达到了0 3 的控制精度。 2 ) 完成光斑采集系统的硬件设计工作，针对激光采集的特点，编制了激光 采集软件，实现了单帧、多帧和a v i 数据流方式的采集，并对c m o s 摄 像头的采集特性进行了试验分析。 3 ) 利用上述温控系统，完成了对1 w 半导体二极管纵模谱的测量，得出波 长、阈值电流和温度的函数关系。 4 ) 利用上述光斑测量系统，测量了1 w 半导体二极管的远近场光强分布。 浙江大学硕士学位论文第二章半导体激光器温度控制系统的研究 第二章半导体激光器温度控制系统的研究 本章介绍了我们研制的半导体激光器温度控制系统，并给出了试验结果。 该系统从p i d 调节控制规律入手，利用通用电子器件，采用p l t m 控制方式，通过 改变半导体制冷器即珀尔贴片的工作电流的大小及方向实现精密温控。 2 1 半导体制冷器( 珀尔贴片) 的制冷原理“ 半导体制冷又称热电制冷或温差电制冷。具有热电能量转换特性的材料， 在通过直流电时有制冷功能，因此而得名热电制冷。由于半导体材料具有最佳的 热电能量转换特性，它的应用才真正使热电制冷实用化，为此人们又把热电制冷 称为半导体制冷。至于温差电制冷名称的由来，是由于人们先发现了材料的温差 电动势之后再发现其反效应，即具有制冷功能的珀尔帖效应，与温差发电对应， 把后者称为温差电制冷。 2 1 1 热电效应的产生 总的热电效应由同时发生的血种不同效应组成。其中珀尔帖、塞贝克和汤姆 逊三种效应表明电和热能相互转换是直接可逆的。另外两种效应是热的不可逆效 应，即焦耳和富里叶效应。 1 、塞贝克效应 塞贝克效应是指在两种不同金属构成的回路中，如果两个接头处的温度不 同，在回路中有一电动势存在。这一现象又称为温差电效应，这种电动势就称塞 贝克电动势或温差电动势。 结点2 ( t + dt ) 结点1 ( t ) 导体b 圈2l 塞儿克效应的不意图 如图2 1 所示，温差电流i 和温差电动势e 。是同向的，而e 。的大小与结 点的温差成正比。比例常数称为塞贝克系数( 也称温差电动势率) ，其值为 口m 2 1 i 粤面a u t s 7 ( 2 i ) - + 0 凸1 ，0、 d u 浙江大学硕士学位论文 第二章半导体激光器温度控制系统的研究 其单位为v k ( 或hv k ) 。 显然塞贝克系数是由一对材料形成的，由于所选的材料不同，电位的变化 可以是正或负。因此，塞贝克系数不只是大小，而且符号也很重要。 在实际应用中对所有的材料都赋予了一个塞贝克系数的绝对值。假设种 材料与某种塞贝克系数为零的理想材料结合在一起，就会得到这种绝对值。 这种理想材料只能是处在极低温度下的超导体。在这样的温度下进行测量并 用外插法推算到室温。当对铜进行这样的测量时，得到室温下绝对塞贝克系数约 为2uv k 。由于这个数值在所希望的测量精度以内，所以通常都以铜为偶来测 量。把所得的结果当作绝对塞贝克系数。 若用口和a ，表示材料i 和2 的绝对塞贝克系数，由这两种材料所制成的热 电偶，其系数，为： d 1 2 。a i 一口2 ( 22 ) 显然，当口为j 下“，为负时，口。最大。 对于塞贝克效应的迸一步研究发现，温差电动势由体积电动势和接触电动势 两部分组成。 体积电动势是任何两端存在温差的导电材料内部产生的电动势，在物理学中 又称汤姆逊电动势。它是由导电机构的热运动而产生的。接触电动势是在热电偶 接头处存在的电动势，在物理学中又称珀尔贴电动势，是由接触面两边的金属价 电子密度不同和电子逸出电位不同而引起的。 2 、珀尔贴效应 珀尔帖效应是指直流电通过两种不同导电材料构成回路时，结点将产生吸热 或放热的现象，如图2 2 所示。 培 收于电瓷，的方向 圈22 i _ j 尔贴放1 血的小息剧 系 式中t 是绝对温度。因此 口= 口t 实验表明，结点上的换热量( 珀尔贴 热) 与电流成f 比： q 。2 丌曲i ( 2 3 ) 式中 行。比例常数( j a ) ，称为珀尔 贴系数。 由汤姆逊完成的温差电路热力学分 析，确立了摩贝克和珀尔帖系数之间的关 ( 2 - 4 ) 两种不同材料结点【二单位时问内吸收或放出的热为 浙江大学硕士学位论文第二章半导体激光器温度控制系统的研究 q 。2 a i t( 2 - 5 ) 金属热电偶的珀尔帖效应，可以用接触电位差现象定性地说明。 由于热电偶接触面两边的金属价电子密度不同和电子逸出电位不同，因此 电子从一种金属向另一种金属迁移，在接触面两边形成正负电荷的积累并建立起 一个静电场，阻止电荷的迁移，最后达到平衡，在接触面两边建立起一定的电位 差，即接触电位差u 。在半导体热电偶中，由于p 型和n 型半导体的导电机构 不同，接触面的不对称性更加显著，其接触电位差u 。比金属大得多。如图2 3 所示。 u mu m 至习e 玉 剖23 接触电位差的产生 由于接触电位差的存在，使通过接头的电子经历电位突变，当接触电位差与 外电场同向时，电场力做功使电子能量增加e u 。同时，电子与晶体点阵碰撞 将此能量变为晶体内能的增量。结果使接头的温度升高，并释放出热量。当接触 电位差与外电场反向时电子反抗电场力做功e u 。，其能量来自接头处的晶体 点阵。结果使接头的温度下降，并从周围环境吸收热量。 对于半导体热电偶，珀尔帖效应特别显著。当电流方向从p 型半导体流向n 型半导体时，接头处温度升高并放出热量；反之，接头处温度降低并从外界吸收 热量。由于半导体内有两种导电机构，它的珀尔帖效应不能只用接触电位差来解 释，否则将得出与上述事实截然相反的结论。下面用p n 结的能带图来进一步 阐明这个问题。其过程如图2 4 所示。 a )结点放热b ) 结点吸热 图2 4 半导体结点处的珀尔帖效麻 浙江大学硕士学位论文第二章半导体激光器温度控制系统的研究 当电流方向是p n 时，p 型半导体中的空穴和n 型半导体中的自由电子相 向向接头处运动。在接头处，n 型半导体导带内的自由电子将通过接触面进入p 型半导体的导带。这时，自由电子的运动方向是与接触电位差一致的，因此当自 由电子通过接头时将要克服接触电位差而吸收能量。但是，进入p 型半导体导带 的自由电子立刻与价带中的空穴复合，它们的能量转变为热量从接头处放出。由 于这部分能量大大超过它们为了克服接触电位差所吸收的能量，抵消一部分之后 还是呈现放热。 同样，p 型半导体价带中的空穴将通过接触面进入n 型半导体的价带，也同 样要克服接触电位差而吸热。由于进入n 型半导体价带的空穴立刻与导带中的自 由电子复合，它们的能量变为热量从接头处放出，这部分热量也大大超过克服接 触电位差吸收的能量，一部分抵消后还是放热。其结果，接头处温度升高而成为 热端，并要向外界放热。 当电流方向是n p 时，p 型半导体中的空穴和n 型半导体中的自由电子作 离开接头的背向运动。在接头处，p 型半导体价带内的电子跃入导带成为自由电 子，在价带中留下一个空穴，即产生电子一空穴对。而新生的自由电子立刻通过 接触面进入n 型半导体的导带，这时自由电子的运动方向是与接触电位差相反 的，电子通过接头时放出能量。但是，产生电子一空穴对时所吸收的能量大大超 过了它们通过接头时放出的能量。 同样，n 型半导体也产生电子一空穴对，新生的空穴也立刻通过接触面进入 p 型半导体的价带，产生电子一空穴对时所吸收的能量也大大超过了它们通过接 头时所放出的能量。总的结果使接头处的温度下降而成为冷端，并要从外界吸热， 即产生制冷效果。 3 、汤姆逊效应 若电流流过有温度梯度的导体，则在导体和周围环境之间将进行能量交换， 这种现象称为汤姆逊效应。 实验得出单位长度吸收或放出的热量与电流和温度梯度的乘积成比例 o t 0 ，= d 兰二( 2 6 ) 出 式中n 每单位长度导体的吸热( 放热) 率，也称汤姆逊热； 比例常数( j 7 ( a k ) ) ，称为汤姆逊系数； i 通过导体的电流； d t d x 温度梯度。 如果定义电流方向和温度梯度的方向一致时有吸热现象，则汤姆逊系数t 为正值。汤姆逊系数的特点是只涉及一种材料的性质。 对于某些计算考虑汤姆逊热可以提高计算精度，但般因为这种热交换是 二级效应，它在电路的热分析计算中处于次要地位可以忽略不计。 r 浙江大学硕士学位论文第二章半导体激光器温度控制系统的研究 4 、焦耳效应 单位时问内由稳定电流产生的热量等于导体电阻和电流平方的乘积 岛= ，2 r = 12 譬 ( 2 7 ) 式中q ，由焦耳效应产生的热量，简称焦耳热 i 通过导体的电流； r 导体的电阻： p 导体的电阻率； 1 导体长度； s 导体截面积。 5 、傅立叶效应 单位时间内经过均匀介质沿某一方向传导的热量与垂直这个方向的面积和 该方向温度梯度成正比 政：竿( 瓦一t ) ：k 7 ( 2 - 8 ) 式中k 、k 导体的热导率和总热导； l 热端绝对温度； t 冷端绝对温度。 6 、热电制冷的产冷量 在制冷热电偶中，个结点上放热，而另一个结点上吸热，因此，在两个结 点间有温差。由于热传导，热从热结点流向冷结点。因热电偶内流动的电流产生 焦耳热( 1 2 r ) ，使局部温度升高，温度升高就使更多的热流向冷结点，起了增加 从热结点至冷结点总热量的作用。若热在电流为i 的导体上达到平衡，则传导给 冷结点的纯热流可用一维傅立叶方程来表示 11 q 。= 妻凸+ 级= 去，2 r + k a t ( 2 9 ) z 由热传导传给冷结点的总热量影响了珀尔帖制冷，因此把它减掉就得到了单个热 电偶的纯产冷量，即 1 q o = q 。一q h = a t ，一妄，2 r k a t ( 2 1 0 ) z 2 1 2 热电制冷原理 热电制冷是热电效应，主要是珀尔帖效应在制冷技术方面的应用。实用的 热电制冷装置是由热电效应比较显著、热电制冷效率比较高的半导体热电偶构成 的。 由于两种不同的半导体材料问存在着珀尔贴效应，当载流子通过结点时，能 级的改变使得载流子通过结点时必然与周围环境进行能量交换。这就使得利用珀 q 浙江大学硕士学位论文 第二章 兰量壁堂堂堡望鏖堡型墨堑塑堕壅 我们来研究一下图2 5 所示的尔贴效应构成制冷系统成为可能。作为一个例子 组合在一起的两种不同的热电材料片。 热结点结点温度就升高。 按片 幽26 热电制玲蟓理倒 图2 5 所示的电路的连接方法在实际中无法应用，因此要用图2 6 的连接 方法来代替。根据试验证明，在温差屯路中引入第三种材料( 导线和连接片) 不 会改变电路的特性。这样，半导体元件可以各种不同的连接方式来满足使用要求。 图2 6 是半导体热电偶的原理图。此时，上面的接头处电流从n 到p ，温 度下降而吸热，这就是冷端。而另一端电流由p 到n ，温度上升而放热，这是热 端。当电源方向改变时冷热端也随之改变。 按图2 6 把若干对热电偶在电路上串联起来，而在导热方面是并联，这就 构成了一个常见的珀尔帖片。考虑到两个结点间的温差以及热电偶内电流产生的 焦耳热，则圈2 6 所示珀尔帖片的制冷量： 1 q 。= q ，一q 。= ( 口，一口。) 瓦，一 ，2 r k a t ( 2 一1 1 ) z 而其制热量： l q o = q p + q k = ( 口。一口r ) 瓦，+ ，2 r + k a t ( 2 一t 2 ) 式中口。瑾。p 型和n 型电偶臂的温差电动势率 瓦i 一热端和冷端的温度 2 2 温控系统的实现 2 2 1 系统总体结构 0 弋裂热一 j 子 一可一嘣 一 电 ； 一删政 浙江大学硕士学位论文 第二章半导体激光器温度控制系统的研究 系统利用p i 控制调节电路和常规p w m 控制芯片组成的温控电路，控制珀尔 帖片对激光二极管进行温控睛1 。 激光二极管温控电路包括以下五部分：r v 转换电路，温度指示、设定电 路，误差放大及p i 控制调节电路、p 州电路以及功放电路。如图2 7 所示。珀 尔帖片的温度变化引起热敏电阻的阻值变化，经r v 转换电路得到与热敏电阻值 相应的电压值，经过误差放大电路得到与当前温度和设定温度之差相对应的电压 信号，再经p i 调节电路( 实际系统中将误差放大电路和p i 电路的比例环节合而 为一了) 控制p w m 电路，根据升温或降温的需要改变p w m 波的占空比，再由p w m 电路控制功放电路，使珀尔帖片制热或制冷。 图2 7 温度控制电路整体框图 2 2 2p i 调节规律及其实现方法跚m 1 许多调节器的输入和输出量是不同的，所以一般用相对变化量来表示调节 器的输入和输出，调节器的输入x 是偏差x 相对于输入信号范围( x 一x 。) 的 比值，输出信号y 是输出变化量y 相对于输出信号范围( y 一一y 。) 的比值，即 x 2 。“。m “一z 一) ( 2 一1 3 ) y = y l ( y 。一y ) 1 、比例调节规律 只具有比例作用的调节器为比例调节器，其输出与输入成比例关系，即 耳= k p x ( 2 1 4 ) 式中足。一一比例放大倍数，或称比例增益。 在一般的实际调节器中，比例作用的强弱是用比例度6 刻度的，它l k r 的 关系表示如下 6 ：上$ 】0 09 4( 2 一j 5 ) k 。 堕鬯：! 登堡主堂垡堡塞 苤三童兰量壁堂堂墨墨壁量型墨篓堕竖塞 显然，比例度6 越小，则k ，越大，比例作用越强，在一定的输入量x 下， 输出的变化量就越大，调节作用越强。反之亦然。 比例度的定义还可以表述为：调节器的输入变化量相对于输入信号范围， 占相应的输出量相对于输出信号范围的百分数，即 占：【( 2 二苎一) ，( 址) 】+ 1 0 0 ( 2 1 6 ) z m a x 一石m m 一一一y 州“ 式中x 2 i x l 输入信号的变化量； y 2 - - y i 相应的输出信号变化量； x 一一x m 。输入信号范围： y 。- - y 。i 。输出信号范围。 比例调节规律的实现有两种方法，一种是串连负反馈，一种是并联负反馈。 图2 8 为利用串联负反馈实现比例调节规律的原理电路图与方框图。图2 8 ( a ) 的虚线框中为反馈电路部分，反馈系数为 = 月p ，郎】 ( 21 7 ) 由串联负反馈放大器的特点可知，当kb l 时图2 8 电路的传递函数 为 g ( s ) 。丢：监：k ，( 2 - 1 8 ) r 卢p 2 则比例度为 6 = b 1 0 0 = 兰堕1 0 0 ( 2 - 1 9 ) v 。 r “ 图28 串联负反馈实现比例调节规律的电路碌理及方框图 图28 ( b ) 的比例运算电路与图2 8 ( a ) 的原理相同。当i c 的输入阻抗与增 益均很大时，比例运算关系式与式( 2 1 8 ) 相同：它们的方框图如图2 8 ( c ) 所示。 图2 9 为并联负反馈实现比例调节规律的电路原理图。当i c 的输入阻抗和 增益很大时，图2 9 ( a ) 、( b ) 、( c ) 的传递函数分别为 品尹- 产， 斟2 9 并联曼反馕实蜕比例调节规律 比例调节规律就是调节器的输出与输入成比例关系，只要调节器有偏差输 入，其输出立即按比例地变化，因此比例调节规律的优点在于作用及时迅速。但 只具有比例调节规律的调节系统，当被调参数受干扰影响而偏离给定值后，调节 系统的输出必定改变，在系统稳定以后，由于比例关系，被调参数就不可能回到 原先数值上，即存在残余偏差一余差。 余差是比例调节器应用方面的一个缺点，在调节器的输出变化量相同的情 况下，比例度6 越小( 即f ( p 越大) ，余差越小。但是，若比例度过分减小，系统 容易振荡，甚至发散。此外，余差的大小还与干扰的幅度有关，若为阶跃干扰， 其幅度越大，在相同比例度6 下，余差也越大。由于负荷的变化通常是系统的一 种干扰，因此负荷变化不大，允许有余差的系统，可以采用比例调节器。 2 、比例积分调节规律 比例调节器的缺点是有余差，若要求消除系统余差就得增加积分作用。 积分作用的输出与偏差对时间的积分成比例，即 e = ，f x d t ( 2 2 1 ) 式中i 一积分速度，其倒数是积分时间t ，即 f = 1 i( 22 2 ) 则 浙江大学硕士学位论文第二章半导体激光器温度控制系统的研究 一= 軎f 励( 2 - 2 3 ) 上式表明只要偏差存在，积分作用的输出就会随时问不断变化，直到偏差 消除，调节系统的输出才稳定不变，这就是积分作用消除余差的基本原理。上式 还表明，积分时间7 - , 越短，积分速度越快，积分作用越强。 由于积分作用的输出与偏差存在的时间有关，即使有一个较大的偏差存在， 但一开始积分作用的输出总是比较小的。因此与比例作用相比，存在调节速度慢 和不及时的缺点，因而积分作用一般不单独使用常与比例作用一起组成比例积 分调节器。这种调节器的传递函数为 g ( 耻去( 1 + 去) ( 2 谢) 微分方程式为 卜去( + 毒肛) ( z 埘) 上式可表示成比例和积分两种作用的输出之和。 ，7 = 耳+ j ( 2 2 6 ) 式中 k = 吉工l = 嘉肛 在阶跃信号的输入下，p i 调节器的输出变化如图2 1 0 所示。在加入阶跃瞬 间，输出跳跃上去，这是比例作用，以后成线性增加，这是积分作用。若取积分 作用的输出等于比例作用的输出，耳= _ 即 l x ：上f 黝：上x t( 2 2 7 ) 8蕊j 3 砸? 则l = t 以上两式是定义和测定积分时间的依据。积分时间的定义如下：在阶跃输 入时积分作用的输出变化到等于比例作用的输出所经历的时间就是积分时间。 幽21 0 阶跃输入下p 1 删节措的响应曲线 浙江大学硕士学位论文第二章半导体激光器温度控制系统的研究 积分时间的基本测定方法是，从给p i 调节器( 若是p i d 调节器，预先去除 微分作用) 加入一适当幅度的阶跃输入信号开始，到积分作用的输出( 图2 1 0 中 的c d ) 变化到等于比例作用的输出( 图2 1 0 中的a b ) 为止，这段时间就是实际积 分时间。 比例积分调节规律的实现方法也有两种，一是串连负反馈实现p i 调节规律， 一是并联负反馈实现p i 调节规律。 图2 1 1 是串连负反馈实现p i 调节规律的原理图。图2 1 1 ( a ) 的虚线框为 反馈电路，其传递函数为 胁器= 器 z s ， 当满足k f l ( s ) i 的条件时，电路的传递函数为 g ( s ) - 1 + 志_ 1 + 去 ( 2 屯9 ) 上式具有比例积分运算规律，积分时问l = r i c ，调节r ，可改变积分时间，比例 增益恒等于1 。 图2 1 1 ( b ) 所示运算电路的传递函数为 1 + 上 ，孑 k i t i s 式中比例增益k ，= r ，r ，： 积分时间l = r s c ， 积分增益世，= 1 + k r p 2 r p l ( 2 3 0 ) ( b ) 【兰l2 1 1 串鞋负反馈实现p i 涮节原理图 图2 12 是并联负反馈实现积分和比例积分调节规律的原理电路图c 对图2 1 2 ( a ) 而言，传递函数为 鲨塑苎兰翌生型塞 笙三童兰呈竺堂些量塑堕塑型墨堕盟笪塞 g = 等= 半= 蒜= 杀s ， 这是纯积分作用，积分时间丁，= 月，c ，。但由于纯积分调节的缓慢和不及时， 因此需要与比例作用一起组成p i 调节规律。 ( a ) ( b ) 翻21 2 并联负反馈实现i 与p i 调节埂律原理电路图 图2 1 2 ( b ) 是p i 运算电路。当i c 的开环增益k 一一时，传递函数为 g ( s ) - k t , ( 1 + 去) ( 2 _ 3 2 ) 式中比例增益k h = c ，c 。， 积分时间l = r c ， 而当开环增益k 为有限值且去( 1 + 苦) 艮、r ，s 时，反相端电压有 一 盎竽：警r 1 + 缸r ：争蕊阻 e3 o1 【2 一。一i 瓦鬲棚+ 口2 ，( 2 4 l j 对理想运放有= ，将式( 2 4 0 ) 和式( 2 4 1 ) 代入上式，得 ，= k e l ( p r 。：一o ) ：l ! ；二墨生( p o ：一) ( 2 - 4 2 ) 通过实验发现当r ，= 8 + 6 k ，r 。，= 4 9 k 时系统的控制效果较好。此时有 “= 警= 警观，s 。 由以上分析可见，电路采用了差动输入方式。这样可以消除由于导线电阻 带来的误差，保证了运放精度。另外，为了保证偏差差动电路两个输入端的电阻 值对称，考虑了电阻r p 和r i 的影响之后，电阻r 。的阻值应为 问6 = r i3 + r ，月fs( 2 - 4 3 ) 串连负反馈的积分环节的作用是对比例环节的输出信号；进行比例积分 运算，输出调整信号电压，给p w m 电路。其传递函数如下 ：器：喾 悟 k ，i s 式中比例增益丘，：= 鲁= l 积分时间i = 坍r ，c ，2 墨亨立月，g = 9 + 】5 i - - 堕5 x 1 0 ；x 1 0 - 6 = 1 6 ( s ) ，其中 积分增益足，：a c ，2 ：o 6 2 5 爿 1 0s ，a 为l m 3 5 8 的开环增益。 ml 。 由于a 毕竟是有限值t 所以足，也是有限值，所阻即使，存在，积分作用 也不是无限作用下去，因此应用这种比例积分电路仍然会存在静差。 2 3 斧 b f f m 立壁生! ：! 塑主堂焦堡茎 苤三童兰呈堡堂堂墨塑堕丝型墨竺堕塑室 综上所述，全部p i 电路的参数如下 传递函数： 刚耻斋：譬 式中比例增益k p = k p l k p 2 = 2 7 6 积分时间l = m r ，c 】= 1 6 ( s ) 积分增益k ，= 三l = 0 6 2 5 a 1 0 5 mc - 3 、p 咖电路以及功放电路 在说明具体电路前先简单介绍一下实现p w m 控制的芯片s g 3 5 2 4 ”“ 1 7 2 。 s g 3 5 2 4 单片控制电路包括了基准电压源、误差放大器、可设定频率的振荡器、 触发器、两个工作特性一致的输出晶体管、高增益比较器、限流保护以及内部电 路的过流、短路保护。内部基准源既向内、外电路提供基准电压又作为内部各部 分的工作电压，并可提供s o m a 输出电流；输出晶体管t l 、t 2 集电极和发射极都 浮空着，这样增加了使用的灵活性。其内部结构框图如图2 2 2 所示。 基准源向单片内部的斜波发生器、比较放大器、脉宽调制器、t 型触发器等 以及通过管脚“i 6 ”向外均提供十5 v 的工作电压和基准电压使斜波发生器产 生幅度在1 2 3 6 v 的连续不对称三角波，由内部直接输入到脉宽调制器的同相 端。与此同时，斜波发生器又向下一级的t 型触发器和“或非”门提供一个同步 方波脉冲( 它亦是死区时间控制脉冲) 。它们的频率由管脚“6 ”、“7 ”的外接电阻 及r ，和电容c ，所决定，即 幽22 2s g 3 5 2 4 甲h 夺制叱蹿内部结构i 芏i 2 4 立壁三苎! 塑主兰壁兰茎 笙兰皇兰量竺堂堂墨里堕笙型墨堑塑堕窒 厂：婴 ( 2 1 4 6 ) 。 r ，c ， 式中，r ，单位为k q ，c ，单位为t - tf ，f 是k h z 。 当采样电脏与基准电压分别接入管脚“l ”、“2 ”时经比较放大器比较放大 后输出控制电压到脉宽调制器的反相端。脉宽调制器将控制电压u 与斜波基准电 压进行比较，输出一个宽度受u 所调制的方波脉冲，然后同时送往两个前级“或 非”门的输入端。 j 6 斜泼输出 1 2 死区对问 控黜 冲 | i ：宽调 骷冲 控制电压k 口口口 石 口口一 图22 3 s g 3 5 2 4 内部电路各点电压波形 分相电路是由脉冲控制触发 器( t 型触发器) 所构成的。来 自于斜波发生器的同步方波脉冲 经分相电路输出相位差为1 8 0 。 的两个方波脉冲，并分别送往两 个前级“或非”门输入端。 三个输入端的“或非”门， 只有当满足三个输入端( “1 ，w m ”、 死区时间、分相器q 或q ) 均为 低电平时，其输出才为高电平。 由分相器分别送往两个“或非”门的输入脉冲其相位总是相差1 8 0 。并且，在 两个分相的输入脉冲之问总存在一个高电平，其宽度在0 5 5us 之间可调的死 区时间控制脉冲，从而保证了两个“或非”门输出脉冲不会重叠并能正常交替， 因而也保证了两个输出管不会产生“共同导通”的情况。“或非”门输出脉冲的 占空比为0 4 5 。 s g 3 5 2 4 内部电路各点波形的时间关系如图2 2 3 所示。 系统要求p i 调节电路的输出为零时，p w m 的输出控制珀尔贴恰好是不制冷 也不加热，这样就需要有一个电平移动电路束满足这个要求。运放u 5 及 r 月：、r g ：。组成的同相比例加法器实现了这个功能”“。电路如图2 2 4 所 不a 当r 2 l = r n = r2 3 = r2 4 时有 s2 + r ：2 斋一+ z ( 2 4 7 ) 对于l m 3 5 8 ，u ，。在一1 2 v + 1 2 v 之间。欲使；在1 2 v 3 6 v 之间必须 调整p 3 使n = 2 4 v 。 塑坚查兰! ! ! 主兰堡堡皇第二章半导体激光器温度控制系统的研究 v 0 4 图22 4电平移动电路 p w m 及功放电路如图2 2 5 所示。在使用中，s g 3 5 2 4 的e 、已作并联连接， 所以占空比可在0 9 0 问调节。振荡器的频率f h 月，；和c ，决定，则 厂= i 击= 1 1 8 ( k h z ) 。经过电平移动的p i 输出信号直接接到s g 3 5 2 4 的9 脚，也就是直接利用了s g 3 5 2 4 的p w m 功能。 为了使p w m 的输出脉冲可阻驱动后一级的功放，在s g 3 5 2 4 后又加了另一个 电平移动电路，即u 7 及月b ，、r 护月，组成的差动比例放大器。当 r 3 0 = 马】，r 3 2 = r ”时，有 s = 惫( ”_ 3 ( 肾 ( 2 f 4 8 ) 幽22 5p w m 成功坡l u 路 萱鬯蔓苎塑生兰型塑笪生整三童