（电磁场与微波技术专业论文）基于sopc的双波长激光治疗机控制电路的研究.pdf

摘要 激光由于其独特的生物效应而在医学研究中受到了广泛的重视，激光诊疗也 已经在应用在临床中的各个领域。而激光器驱动与控制系统的稳定性、可靠性及 智能化水平直接决定了激光诊断的准确性和激光治疗的疗效及安全性。因此，市 场上对性能优异的医用激光器驱动及控制系统有着迫切的需求。 本课题设计了一种新型的医用激光器驱动与控制系统，要点如下： 1 ) 激光器驱动部分以凌力特尔公司的功率放大器l t l 9 7 0 为核心，提供初 级功率输出；通过p 沟道m o s 管提升功放输出的电流，为激光器提供 高功率驱动；由转换效率高，输出功率大的开关电源为激光器驱动源供 电。其中电路设计包含过热停机、过流保护、开关使能、精准电流限值 等功能。 2 ) 激光器的温控部分由t e c 、热敏电阻和运放构成的闭环反馈系统完成。 负温度系数热敏电阻的端电压随激光器温度变化，反馈给仪表放大器 l 1 2 0 5 3 的同相输入端，输入端的差分电压经放大后作为t e c 的工作 电压；由功率放大器l t l 9 7 0 和互补对称的p 沟道功率场效应管i l 强9 5 2 0 及n 沟道功率场效应管i l u p 2 5 0 提供双向高电流来驱动n ，此电流 的方向及大小决定其散热或吸热及速率，形成对激光器温度的闭环控 制，以稳定激光器的工作状态。 3 ) 控制部分采用s o p c ( s y s t e mo nap r o g 姗m a b l ec h i p ，可编程片上系统) 技术，以在a l t e r a 公司f p g a 芯片e p 2 c 3 5 f 4 8 4 上定制的n i o si i 软核 c p u 为核心，集成包括u a i 江、s p i 等i p 核生成片上系统，在此片上系 统上构建开放的c 环境开发平台，在f p g a 上编写c 代码实现系统与 上位机的控制命令通信、对激光源输出功率的控制及对其工作状态的监 控。 本论文所介绍的技术方案已经在实践中调试成功，具有一定的理论和应用价 值。 关键词： s o p cn i o s 电源管理放大器t e c 激光器 a b s t r a c t l a s e r ，a t t r i b u t e dt oi t su n i q u eb i o l o g i c a le f f c c t s ，h a sa n m c t e dal o to fa t t e n t i o ni n m e d i c a lr e s e a f c h ，a n d1 2 l s e rn 。e 锄e n ta l s oh a sb e e nu s e dw i d e l y 抽c l i n i c a la r e a s t h e s t a b i l i t y ，r e l ia _ b i l i 够觚di n t e l l i g e n c eo f t h el a s c r 艄v e 锄dc o n 仃0 ls y s t e md i r e c t l y d e c i d e sl a s e rd i a g n o s t i ca c c u m c y ，t h ec l i n i c a le f i e c t 锄ds a f e t yo fl a s e r 仃l 洌i m e n t t h e r e f o r e ，t h e r ei su r g e n tm a r k e td e m 觚df o rt h eh i 曲p e r f - o 珊觚c em e d i c a l l a s e r d r i v e 锄dc o n t r o ls y s t e m t h i st o p i ch a sd e s i g n e dan e wm e d i c a ll a s e rd r i v ea n dc o n 仃0 ls y s t e m ，t h ek e y p o i n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 1 1 1 ed r i v eo f l a s e rs e t st h ep o w e r 锄p l i f i e rl t l 9 7 0 嬲t h ec o r e ，锄di t p r o v i d e sp r i m a 叫p o w e ro u t p u t a f t c rb o o s t e db yt h ep c h a n n e lm o s f e t ， t h ec u l l r 锄td r i v e s 廿l el 嬲e r t h es w i t c hm o d ep o w e rs u p p l yw i t hh i g h e 伍c i e n c y 锄dh i 曲p o w e rs e r v e sa st h ep o w e rs u p p l yo ft h ed e v i c e 锄d 叭p p l yt h ee n e r g y 氨时t h em o s f e t t h ec 沁u i td e s i 9 1 li n c l u d e sf - e a t u r c s s u c ha st h e m a ls h u t d o w n ，o v e rc u r r 即tp r o t e c t i o n ，p r e c i s ec u r r e n tl i m i ta n d s 0o n 2 l a s e rt e m p e r a t u r ec o n t l i o l i so p e r a t e db yt h ec l o s e dl o o pf e e d b a c ks y s t e m w h i c hc o n s i s t so ft e c ，t h e m i s t o r 锄dt h eo p 砌p 1 1 1 ev o l t a g e0 nt h e n e g “v et e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n tt h e m i 哟rv a “e sw i t h t h et e m p e r 孤i r eo f t h el a s e r ，锄ds e n ，e sa st h en o n i n v e r t i n gi n p u to f t h ei n s t m m e n ta m p l i f i e r l ，t c 2 0 5 3 ，n l ed i 蜀f e r e n t i a lv o l t a g eb e 帆e e nt h en o n i n v e n i n gi n p u ta n dt h e i n v e r t i n gi n p u ti sa m p l i f i e db yt h eu r c 2 0 5 3 ，t h e na c ta st h ep o 、e rs u p p l y o f t h et e c 1 1 1 ed r i v ec u 丌c n to f t h et e cd r a w 舶mt h el t l9 7 0t o g e t l l e r w i t hac o u p l eo fs y m m e t r i cp ，nc h a n n e lm o s f e t ，i r f 9 5 2 0 锄di r f p 2 5 0 a n di t ，sd i r e c t i o n 锄ds i z ea 腩c t st e co p e r a t i o n a l 姐t c sw h e t h e r h e a t i n g o rn o t ，a n dt h e nw o r k sf o r 协el a s e r s o ，i tf 1 0 m l sac l o s e dl o o pc o n 缸0 l s y s t e m ，m a l ( e st h el a s e rw o r k 咖b l e r 3 t h ec o n t r o lp a na d o p t st h es o p c ( s y s t e mo nap r o g r a m m a b l ec h i p ) t e c h n o l o g y o nm ea l t e r af p g ac h i pe p 2 c 3 5 f 4 8 4 c 8 ，w et a k et h e n i o si i s 0 rn u c l e a ra st h ec p u ，i n t e g r a t eu a r ti pc o r ea n ds p ii pc o r ee t c ，a n d t h e ng e n e r a t eas y s t e mo nc h i p b a s e do nt h i ss y s t e m ，w ec 粕c o d et o t h et e c h n i c a ls o l u t i o nd e s c 劢e di nt h i sp 印e r h a sb e e ns u c c e s s 如l l yp r a c t i c e d ，锄d i th a ss o m et h e o r e t i c a l 锄dp r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ： s o p c ，n i o s ，p o w e rm a n a g 锄e n t ，a m p l i f i e r ，t e c ，l a s e r 第一章绪论 第一章绪论弟一早殖比 激光( l a s e r ) ，是受激辐射式光频放大器( 1 i 曲ta m p l i f i c a t i o nb ys t i m u l a t e d e m i s s i o nr a d i a t i o n ) 的简称。它是在外界触发的情况下，原子中的电子从高能级 向低能级跃迁，向同一方向辐射出的同一频率的电磁波。激光的出现，促进了现 代物理、化学、天文、生物和医学等一系列基础学科的发展及相关应用技术学科 的涌现【1 1 。 医学是激光技术应用最早的领域之一。1 9 6 0 年，世界上第一台激光器研制成 功。翌年，激光器便应用于眼科学来治疗视网膜脱落。其后近5 0 年来，激光技 术广泛应用于临床诊断与治疗，并以其独特的优点解决了传统医学中未能解决的 许多难题，形成了一个新的交叉学科激光医学【2 】o 近十几年来，激光的临床应用进一步走向成熟，并向专科化方向发展，涌现 出了许多目的性很强的激光器。激光器控制系统的性能在临床中应用中也越来越 关键，逐渐形成了现代嵌入式控制系统的一个新的应用方向。 本课题的重点不是激光器件抑或激光临床效应的研究，关注点在于为现有的 半导体双波长激光器设计一种驱动与控制电路，以便激光器在临床应用中更加精 确、高效。 1 1 激光医学总论 激光医学是研究激光对生命体作用机理及将激光技术应用于临床诊断与治 疗的一门边缘学科。它是将当代最前沿的激光技术与现代医学科学相结合衍生出 新的学科。它不仅是一种新的生命科学的研究手段，而且为临床疾病的诊治提供 了独特的解决方案，并攻克了传统医学中许多难题，引起了国内外医学界的关注 f 3 】 o 1 1 1 激光的生物效应 激光的生物效应的指激光照射到生物体后产生的生物学、物理学及化学上的 反应。其基本上可归为五类，即：热效应、光化学效应、压强效应、电磁场效应 和生物刺激效应。 ( 一) 热效应。可分为吸收生热和碰撞生热。它是由不同波段激光的光子能量 第一章绪论 的不同引起的。能量小的光子被吸收而加剧生物分子热运动的情况被称 为吸收生热；能量大的光子被吸收后分子跃迁到不稳定的激发态，与其 他分子碰撞产生动能而加速分子的热运动的方式被称为碰撞生热。大多 数激光治疗的原理都是基于激光的热效应。前者生热效率比后者高。 ( 二) 光化学效应。一个完整的光化学反应由原初光化学反应和继发光化反应 前后两种反应组成。这一过程大致可分为光致分解、光致氧化、光致聚 合及光致敏化四部分。临床中常与光敏化剂一起用作光辐射治疗和选择 性光切除。 ( 三) 压强效应。激光照射产生的压强效应分为两种：一种是激光本身的辐射 压力所形成的压强；另一种是激光作用于生物组织以后形成的气流反冲 击、内部气化压、热膨胀、超声压和电致伸缩压造成的。青光眼的前房 角打孔为其临床应用之一。 ( 四) 电磁场效应。因为激光是电磁波，激光与生物组织的作用实质上是电磁 场与生物组织的作用。只有激光强度较大时，电磁场效应才比较明显。 半导体激光器产生的激光强度较弱，此效应不明显。 ( 五) 生物刺激效应。当低功率激光照射生物组织时，可产生某种与超声波、 针灸、艾灸等机械的和热的物理因子所获得的生物刺激相类似的效应， 称为激光生物刺激效应。能量高时，会起抑制甚至损坏作用。 激光作用于生物体产生的生物学效应，取决于激光器的参数、生物组织的物 理性质和生物性质。 ( 一) 激光器参数 1 波长。可见和红外激光产生热效应，紫外激光产生光化学作用。 2 聚焦程度。光斑大小可直接决定反应程度。 3 工作方式。连续激光对组织基本上是热效应；脉冲激光峰值功率较 高，且脉宽较小时，压力作用不可忽视。 4 作用时间。作用时间越长，影响越大。 此外还有相干性、模式、偏振性等因素的影响。 ( 二) 生物组织的物理性质 1 光学性质。包括反射率、透射率、吸收系数、散射系数等，影响反 应程度。 2 机械性质。如密度、弹性等，影响治疗所需的功率密度。 3 热性质。如比热、热容量、热导率、热扩散等，决定了激光对组织 的刺激和损伤程度。 此外还有电学性质如阻抗、介电常数的影响及声学性质如声阻、声吸收率的 第一章绪论 影响。 ( 三) 生物组织的生物性质 生物性质包括生物体色素、含水量、血流量、不均匀性、层次结构等，其中 色素和含水量决定了激光在组织中的光分布。 1 色素。色素含量多，吸收的光能多。 2 含水量。含水量的高低决定了不同波长的激光在生物组织中的穿透 深剧4 1 。 1 1 2 激光在医学上的应用 激光的用途非常广泛，除医学外，还广泛应用在工业加工、美容、传感、雷 达及通信等各方面。 激光在医学中应用主要是以下三个方面：激光在基础医学研究中的应用，激 光诊断与激光治疗。 用激光技术进行基础医学研究，一般是选用特定波长、剂量、光束直径和工 作方式的激光作用于待研究生命物质特定的靶位，然后检测其效应。用于基础研 究的激光技术，目前主要有显微照射术、全息术、衍射术和流动细胞光度术等几 种。 激光诊断以激光为信息载体，利用激光方向性好、单色性好、时间和空间相 干性好的特性，对组织的病理形态、病理情况下的功能找出某些致病因素等方面 进行光谱分析。应用方式主要有荧光法、透照法、光谱法、全息法等，应用领域 遍及眼科、肿瘤科、外科、内科、皮肤科、妇产科及耳鼻喉等科； 激光治疗是以激光作为能量载体，利用激光对组织的生物学效应进行治疗。 现广泛应用的激光治疗方法有：激光手术治疗、激光理疗、激光针灸治疗、激光 内镜术治疗、介入治疗和激光光动力学治疗。其应用领域涉及眼科中包括白内障、 青光眼、视网膜类病症在内的几十种眼科病症，及其他如耳鼻喉科、神经外科， 心血管、肿瘤科等科在内的数百种病症【5 】。 1 2 医用激光器的发展 1 2 1 激光器的发展状况 激光的原理在1 9 1 6 年已被著名的物理学家爱因斯坦发现。1 9 5 8 年，美国学 者a n h u rl s c h a w l o w 和c h a r l e sh t 0 、n e s 发表的红外光子辐射理论，将微波量 子放大器原理推广应用到光频范围，并指出了产生激光的方法。1 9 6 0 年7 月， 第一章绪论 休斯实验室的m a i m 锄t l e o d o r ch a r o l d 等人制成了世界上第一台红宝石激光器 【酬。随后几年，h e n e 激光器、钕玻璃激光器、砷化镓半导体激光器、高功率连 续波c 0 2 激光器、氩离子、氪离子及h c l 化学激光器相继问世。 我国在激光器的研制方面也处于技术前沿。早在1 9 6 1 年，我国相继成功研 制出红宝石激光器和钕玻璃激光器，并在1 9 6 8 年研制出掺钕钇铝石榴石激光器 ( n d ：y a g 激光器) 。相比之下，我国的激光医学起步较晚，目前还未建成系统 的激光医学体系，缺乏客观的临床对照研究，激光诊疗方面也未达到标准化，在 一些高端激光产品( 如半导体激光器、半导体泵浦固体激光器等) 开发及应用方 面技术薄弱，高水平的激光诊疗仪器主要依靠进口，而国外已有成熟产品上市， 并已经占据国内外主要市场【7 j 。 自从1 9 6 2 年第一次用激光治疗视网膜脱落的治疗案例以来，激光医疗技术 及医疗设备已经发展了近五十年，逐步开辟了一个新的医疗领域，并形成了除军 用外第二大激光应用市场，并成为我国的第一大激光应用领域。在2 0 世纪7 0 年 代，我国开始将激光针灸应用于临床，主要是应用h e - n e 激光，治疗内、外、 妇、儿、耳鼻咽喉、口腔、眼、皮肤和神经科等约有2 0 0 多种病症，取得较好的 疗效。 1 2 2 临床常用激光器 医用激光器因为其构造、工作介质与工作方式的不同，有着不同的应用。 ( 一) 半导体激光器。输出从6 3 0 n m 到9 l o 姗，处于可见光的长波和近红外之 间。其低功率类输出从几十毫瓦到几百毫瓦，可用作理疗来改善血液循 环，促进新陈代谢等：高功率类可达6 0 瓦，利用其热效应，用作手术。 ( 二) 连续n d ：y a g 激光器。固体激光器，输出波长为1 0 6 0 i u n ，近红外光， 不可见，功率范围从o 到l o o 瓦。利用热效应，达到凝固或汽化等治疗 效果，可用于止血和治疗软组织的良、恶性病变。 ( 三) 脉冲n d ：y a g 激光器。最大功率可到3 瓦。其脉冲式热效应输出便于 热量的散失，可适于牙体硬组织应用和各科软组织良性病变的治疗。 ( 四) c 0 2 激光器。气体激光器，波长为1 0 6 岬，远红外光。便携式小功率型 输出功率为3 到1 0 瓦，大功率型一般为1 0 到3 0 瓦，最高可达数百瓦。 利用其热效应，反应层次为汽化，可用于祛除治疗，但止血效果差。 ( 五) h e n e 激光器。气体激光器，波长6 3 2 8 n m ，红光。输出功率可达4 0 0 毫瓦。利用生物刺激效应，用于伤口愈合、穴位照射及光动力学治疗。 ( 六) 氩离子激光器。惰性气体激光器，有从4 8 8 n m 到5 1 4 n m 的多种波长输出， 属可见光，连续输出功率可达1 0 瓦。利用血红蛋白对绿光吸收率高的特 4 第一章绪论 点，用作光凝固治疗。 ( 七) 倍频n d ：y a g 激光器。波长5 3 2 1 1 i i l ，属可见光中的黄绿波段。可替代 氩离子激光治疗，且其为固体激光器，体积小，功率高。 ( 八) h o ：y a g 激光器。波长为2 1 岬，红外光，常与内镜配合做关节手术。 ( 九) e r ：y a g 激光器。固体激光器输出波长2 9 8 3 8 m ，利用其热效应及吸收 系数大，用于骨、牙类硬组织切割、填充和蚀刻。 ( 十) 准分子激光器。脉冲激光器，工作物质为稀有气体卤化物，波长从紫外 到可见光区域。利用光分解作用，用作眼科角膜矫形手术和心血管方面 1 8 1 。 1 3 本课题的目的及意义 近年来，随着激光医学的发展，医用激光器的种类越来愈多，功能日趋复杂， 应用精度也越来越高，操作上也趋向便捷化和智能化，因此激光器驱动与控制平 台的研究越来越受重视，而其性能的优劣直接决定了激光治疗的效果。比如，激 光的照射剂量即输出功率的大小和每次照射的剂量是否一致直接影响治疗效果， 甚至对人体造成伤害，这都是通过激光器驱动与控制平台来设定的。不夸张地说， 激光器驱动与控制系统和激光器本身共同决定了激光治疗的效果。所以激光器驱 动与控制平台的临床与市场的需求十分迫切。 激光器控制系统有两个基本指标：工作性能与异常保护。工作性能涉及到各 种情况下电流源的电流大小和稳定性、电源兼容性、电光效率、温度控制、功率 控制、编程接口和电源需求。而异常保护所要完成的是使昂贵且精密的激光设备 在所有情况下免于被损坏，包括电源的波动、过流、错误的控制命令、开路及间 歇性的负载连接、反相连接、超温和热拔插等。此外，激光器控制系统还应具有 电路开启瞬间不可避免的瞬态电流保护、软启动保护、开关控制及监控电路保护 等【引。下图为激光器电流源的概念性构造。 i o u t 调节 i o u t 箝位 i o u t 使能 9 图1 1 概念性激光器电流源 i 唧t o l a s e r 第一章绪论 s o p c 是可编程片上系统( s y s l 锄o nap r 0 鲋珊m a b l ec h i p ) 的简称，它是一 种新型的嵌入式技术，而其在医用激光器控制领域的应用还处于研究阶段，有着 广阔的应用前景。 s o p c 是基于可编程逻辑器件( f p g a ) 的可重构的片上系统，是一种新的软 硬件协同设计的系统设计技术。我们可根据激光器驱动与控制系统的实际需要， 将处理器、存储器、总线及总线控制器、i o 端口等集成到一片f p g a 芯片中。 再以n i o s i i 软核微处理器为基础，在n i o si d e 开发环境下用c 语言开发代码， 来满足系统的控制与运算需求，实现对双波长激光器高速、准确及智能化的控制； 此外，f p g a 芯片有着丰富的i o 资源并且s o p c 中集成了大量通用接口，能方 便的实现如u a r t ，s p i 等接口协议，并极大地简化了开发过程【1 0 1 。此方案结合 了单片机与f p g a 控制系统的优点。相比之下，这种方法还简化了程序编写，同 时增加了设计的灵活性，降低了设计难度，提高了系统的可靠性、速度和精度。 本课题提出了一种新型的双波长医用激光器控制方案，并在实践调试中获得 了成功，达到了理想的效果。本方案对相关领域的科研工作人员有一定的理论和 实际参考价值。 1 4 本论文的章节安排 第一章绪论主要介绍了激光医学，激光器的发展历程与国内外发展现状，各 种临床常用激光器的性能与应用，本课题的选题意义、主要内容和论文章节安排。 第二章介绍了双波长半导体激光器的原理、参数、设计需求与方案选择； 8 0 8 n m 激光器和6 6 0 n m 激光器驱动电路设计与实测数据分析；t e c 温度反馈及 驱动电路设计与实测分析。 第三章介绍了供电模块需求分析与设计。包括四种直流稳压源的器件选择、 方案设计、设计结果测试与分析及其对激光器驱动模块影响的分析。 第四章介绍了控制与通信模块的需求分析与方案选择，s o p c ( 可编程片上 系统) 的概念、特点、应用、开发平台、开发流程及与其他主流嵌入式技术的比 较，并基于n i o si i 对课题相关的硬件进行了配置选择并对相应硬件进行了驱动 开发。 第五章对本论文的工作内容和成果进行了总结，指出了本系统设计中存在的 问题并对后续工作指出了方向。 第二章激光器及t e c 驱动电路设计 第二章激光器及t e c 驱动电路设计 激光器的驱动是本课题的研究核心，以下将对双波长半导体激光器的原理进 行分析，并对8 0 8 n m 激光器、6 6 0 n m 激光器和t e c 驱动电路进行设计及测试并 对测试结果进行分析。 2 1 激光器介绍与方案选择 2 1 1 激光器原理 激光是在外界触发的情况下，原子中的电子由高能级向低能级跃迁，向同一 方向辐射出同一频率的电磁波。按其工作介质分，可分为气体激光器、固体激光 器、半导体激光器、染料激光器、自由电子激光器及飞秒激光器等。按工作方式 分，有连续式、脉冲式、调q 和超短脉冲式等几类。大功率激光器通常都是脉冲 式输出。 在结构上，激光器一般包括三个部分，如下： l 、激光工作介质 产生激光必须选择合适的工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。在 这种介质中实现粒子数反转，是获得激光的必要条件。而亚稳态能级的存在，非 常有利于实现粒子数反转。 2 、激励源 为了使工作介质中出现粒子数反转，必须通过一定的方法去激励原子体系， 使得处于高能级的粒子数增加。可通过电激励即用气体放电的办法使具有动能的 电子去激发介质原子，或光激励即用脉冲光源来照射工作介质来实现。此外还有 化学激励、热激励等。这些激励方式被称为泵浦或抽运。为了得到连续的激光输 出，必须不断地“泵浦”以维持处于高能级的粒子数比低能级多。 3 、谐振腔 有了合适的工作物质和激励源后，可实现粒子数反转，但这样产生的受激辐 射强度很弱，无法实际应用。通过光学谐振腔可对辐射进行放大。所谓光学谐振 腔，实际是在激光器两端，面对面装上两块反射率很高的镜子。一块几乎全反射， 另一块光大部分反射、少量透射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。被反射 回到工作介质的光，继续诱发新的受激辐射，光被放大。因此，光在谐振腔中来 第二章激光器及t e c 驱动电路设计 回振荡，造成连锁反应，雪崩似的获得放大，产生强烈的激光，从部分反射镜子 一端输出【1 1 1 。 图2 1 激光器结构图 激光器是敏感性器件，激光照射在生物体上会有不可知的后果，在激光器控 制设计及应用中，应考虑以下事项： 1 激光器工作时，要佩戴合适的防护器具( 防护服、手套、防护镜等) ，避 免激光直射眼睛和皮肤，并注意被照射物体的反射、散射光可能对人造成的伤害。 2 在半导体激光器使用、贮存、运输过程中须采取防静电措施。操作人员、 工作台及电烙铁等一定要接地良好。 3 必须保证激光器的驱动电源在开、关、调节、工作等过程中不产生尖峰脉 冲、浪涌，并能够屏蔽电网和空间电磁感应引入的浪涌。 4 导体激光器应在额定电流、额定功率下使用，若超额定电流或功率使用， 会加速激光器退化或导致激光器失效。 5 半导体激光器必须在指定的温度范围内工作，保证良好的散热。 6 半导体激光器需要在规定的温、湿度条件下使用、存储、运输，并保证环 境的洁净度。避免各种由于环境和操作原因对激光器造成的污染。 7 光纤输出的半导体激光器，在使用前必须对光纤连接头端面进行清洁处 理，保证端面无污染；光纤如需弯折，弯曲直径要大于3 0 0 倍光纤芯径，以避免 光纤的损坏1 1 2 j 。 以上事项中，部分事项在激光器使用中给予考虑，如激光器的屏蔽、散热、 防护等，其它如浪涌保护等事项要在驱动与控制电路中给予考虑。 2 1 2 双波长激光器参数 以半导体材料为工作介质的激光器被称为半导体激光器( d i o d el a s e r ) 。其特 点为超小型、高效率、低成本、工作速度快和波长范围宽等。在激光光纤通信光 源、光存储、激光高速印刷、全息照相、激光准直、测距及医疗等许多方面广泛 应用。 第二章激光器及t e c 驱动电路设计 本课题所选用的双波长激光器为在b w t 公司定制半导体激光器，激光波长 为8 0 8 n m 与6 6 0 m n ，可用作理疗来改善血液循环、促进新陈代谢等。其详细参 数如下： 一 井 雷 丑 察 螂 划 表2 1 双波长激光器参数 其输出特性曲线如下： 藿 一 将 辞 茁 察 螂 划 图2 2 双波长激光器输出特性 可见，当激光器的工作电流在阈值以上时，其输出功率与外部驱动电路提供 9 第二章激光器及t e c 驱动电路设计 给其的工作电流成正比，后续设计将以此为出发点。 激光器管脚及功能如表2 2 所示，包括激光器的阴、阳极，监视电流阴、阳 极，t e c 的正负极，热敏电阻引脚。在后面的方案设计中，对各管脚的应用会 有详细的说明。 表2 2 双波长激光器引脚描述 1 6 6 0 t l i n 激光器阳极( + ) 2 6 6 0 n m 激光器阴极( 一) 36 6 0 1 1 1 1 1p d 阴极( n ) 46 6 0 n mp d 阳极( p ) 56 6 0 嘲t e c ( + ) 66 6 0 眦lt e c ( ) 76 6 0 i l 热敏电阻端口 86 6 0 砌热敏电阻端口 9 8 0 8 n l n 激光器阳极( + ) 1 0 8 0 8 m n 激光器阴极( 一) 1 1 8 0 8 姗p d 阴极州) 1 2 8 0 8 1 1 1 1 1p d 阳极( p ) p d ：光电二极管，p h o t o d i o d e 。通过光电转换，即感知激光器的光强，转换 成电流，作为激光器的监控电流输出。其阴阳极对应二极管的n 极与p 极。 热敏电阻：它是t e c 中一个组成部件，负温度系数，其端电压随激光器温 度变化，反馈给外部电路。 t e c ：半导体制冷器。激光器对于温度是非常敏感的，由封装在激光器附近 的t e c 来对激光器的温度进行控制与调节。 其中，t e c 为t i l e 咖o e l e c t r i cc 0 0 1 e r 即半导体致冷器的简称。它是封装在激 光器中的一种重要器件，通过利用半导体材料的珀尔帖效应来进行致冷或吸热。 t e c 致冷还是加热，以及致冷、加热的速率，由通过它的电流方向和大小来决 定。详见2 4 1 节中t e c 简介。 2 1 3 双波长激光器设计需求分析 从管脚描述及激光器参数需求可知，方案需满足以下需求： l 为8 0 8 n m 激光器提供的直流稳压驱动源，在1 8 4 v 稳压下，激光器可输 出不低于2 2 w 的功率；纹波不高于3 。 l o 第二章激光器及t e c 驱动电路设计 2 为6 6 0 n m 激光器提供的直流稳压驱动源，在2 2 v 稳压下，激光器可输出 不低于2 0 0 m w 的功率；纹波不高于3 。 3 半导体激光器必须在指定的温度范围内工作，保证良好的散热。其中， 6 6 0 n m 激光器自带的半导体致冷器t e c 来调节温度；8 0 8 n m 激光器制造技术成 熟，风冷即可。 4 可外部调整激光器的驱动电流，控制激光器工作状态，调整其输出功率。 5 浪涌保护。激光器是敏感器件，必须保证激光器的驱动电源在开、关、调 节、工作等过程中不产生尖峰脉冲和浪涌，并能够屏蔽电网和空间电磁感应引入 的浪涌。 6 在不断电情况下，激光器输出的使能控制。 7 开路保护。 8 可靠、精确、便捷、直观的数字化控制。 9 钳位半导体激光器的最大工作电流和最高功率，避免激光器在过流情况下 使用，从而加速激光器退化或导致激光器的失效。 其中，纹波系数y ( ) 指的是：在额定负载电流下，输出纹波电压的有效值 u 舢与输出直流电压u o 之比1 1 3 】，即： 2 1 4 方案设计 y = u 嘭。m o 公式( 2 1 ) 由激光器的输出特性可知，8 0 8 n m 激光器在输出2 0 w 的正常工作状态下， 激光器的输入电流要达到2 5 a 。6 6 0 啪激光器正常工作状态需0 7 7 a 的输入电 流。 u 1 9 7 0 是一个具有精准外部控制电流限值功能的5 0 0 m a 的功率运算放大 器。分离的控制控制电压能以2 的准确度来设置源电流和吸收电流限值检测门 限。并且可以通过增加外部功率晶体管来提升输出电流到需要的2 5 a 。通过合 适的电路搭配完全可以满足激光器和t e c 的大电流需求【1 4 】。 l t l 9 7 0 芯片特点如下： 5 0 0 m a 最大输出电流 源电流和吸收电流限值的独立调整 2 电流限值准确度 采用单个或分离的工作电源 停机使能控制输入 第二章激光器及t e c 驱动电路设计 开路集电极状态标志： 吸电流限值 源电流限值 过热停机 故障时安全电流限值和热停机 1 6 v u s 转换速率 3 6 m h z 增益带宽乘积 快速电流限值响应：2 m h z 带宽 本芯片可采用总电源电压为5 v 到3 6 v 的单电源或分离电源。为了满足课题 高效、低散热的需求，可由独立的、较低的供电电源给输出级供电，具体电压值 可根据芯片及提升电流的功率晶体管参数设定。 此芯片带有热停机功能，可在芯片自身及周围环境过热情况下关闭功率放大 器输出和相应的激光器输出。 芯片自带一个使能逻辑输入，在被拉低时可将放大器置于低功率、高阻抗输 出状态，可用作激光器输出的开关。 此外，芯片内部的8 0 0 m a 固定电流限值功能模块，能够在故障状态下对 芯片起保护作用。 激光器上嵌有t e c 与热敏电阻。6 6 0 m n 激光器温度、热敏电阻与t e c 之间 形成一个闭环反馈系统，可保证激光器工作在一个稳定的状态。 综上，以l t l9 7 0 功率放大器为核心搭配必要器件可完成本课题中双波长激 光器和t e c 的驱动的设计。 设计总体架构如下： 图2 3 设计总体架构 1 2 第二章激光器及t e c 驱动电路设计 2 28 0 8 n m 激光器驱动电路设计 2 2 1 控制电路设计 8 0 8 n m 半导体激光器制造技术成熟，风冷即可保持其在稳定工作状态，。其设 计要点如下： 由外部电压输入供给v c s r c 和v c s n k ，以控制输出电流，即： j 彻( 脚) = 吲o 尺r 。 公式( 2 2 ) 运放的反向输入端直接连到负载端，同相输入端由外部输入，即负载电 压由v i n 决定： v i n 由外部的数字电位器或者经稳压管和电阻串联分压提供： 为降低功耗，芯片工作电源和输出级电源采用较低的9 v 电源； 用一个外部输入”几数字电平供给e n a b l e 引脚，控制运放是否工作； 在芯片输出端用p 沟道m o s f e ti i 讧9 5 2 0 来提升输出电流，9 v 的工作 电源连接到源极，输出级电源v + 用于提供栅极电压，漏极供给负载即激 光器； 负载前串联一个o 1 欧姆的检测电阻，芯片通过s e n s e + 和s e n s e 检测通 过检测电阻的电流，即负载电流。 n s w + _ c 一 + i n v c 毫n k lr 与二、 r v c 奎r c 卜丐 e 1 1 a b i e 面刘坫k u ， k n 斟舷 怒如二群 l t l 9 7 0 。h n 吵弓? r s e 谘e = ，r 限流模式 图2 88 0 8 砌激光器限流源直流和交流测试波形 由设计原理可知，通过改变v c s n k 和v c s r c 的电压，即可调节功放器件提供 第二章激光器及t e c 驱动电路设计 的电流输出，从而实现对激光器输出功率的调节。 维持功放l t l 9 7 0 同相输入电压不变，对v c s n k 和v c s r c 的输入电压进行下 降调节，至吸电流限值指示二极管与源电流限值指示二极管发光并达到稳定状 态。 其中v l m l = 2 4 4 v ，由设计原理及公式( 2 2 ) 知：经功率管提升后供给负载 的电流最高限值为2 4 4 安培。排除随机噪声产生的尖峰脉冲的影响，限流源l o 毫伏左右的交流耦合分量可对限流带来0 o l 安培的波动。 对负载端电压进行直流和交流耦合测试的一组波形如下： 图2 98 0 8 啪激光器限流模式直流和交流测试波形 负载端直流有效值稳定在1 5 5 伏；交流耦合有效值四次测试值为2 4 2 毫伏、 8 2 8 毫伏、2 5 l 毫伏、7 0 9 毫伏，平均为5 7 5 毫伏。由纹波系数公式( 2 1 ) 可 得，本次测试条件下的激光器的纹波系数为0 3 7 。 2 36 6 0 n m 激光器驱动电路设计 2 3 1 控制电路设计 6 6 0 n m 激光器在制造技术上尚不成熟，需要外部利用t e c 等部件来对激光 器进行温控，温控系统设计见下节。 其激光器设计要点与8 0 8 n m 激光器基本相同，但6 6 0 n m 激光器额定工作电 压为2 2 4 v ，电流为0 7 7 a ，设计要点如下： v c s r c 和v c s l l l ( 输入值相应减小，设计原理不变； n 值相应变化，设计原理不变： 提升电流的p 沟道m o s f e t 最高只需0 8 a ，其功耗及散热量较小，无需再 选用高效散热、大电流且价格昂贵的i i 玎9 5 2 0 ，选用i r f 9 5 3 0 即可。其转移特性 1 6 第二章激光器及t e c 驱动电路设计 及其它参数如下【1 6 】： v d s s ：- 1 0 0 v ，r d s ( 0 n ) _ 0 2 0 q ，i d 1 4 a ； 主 茗 耋 5 芑 蓉 咛 卫 篙 占 j 5e7l e c - 一 v 古s 。g a 培- 姆s o u r c ev o 怕g ef v v d s ，d 礓l n t o s o u f c v o 扭g v 图2 1 0l r f 9 5 3 0 转移特性 由于其栅源阈值电压为- 4 o v ，且漏极电流可轻易地提升到o 7 7 a ，满足设计 需求。 设计电路如下： n s w 图2 - 1 l6 6 0 n m 激光器驱动电路原理图 一一-茹搠，匕；o毒n：；o。掌。c一窭oc| 第二章激光器及t e c 驱动电路设计 2 3 2 设计结果测试分析 6 6 0 n m 激光器额定工作状态为2 2 v ，0 7 7 a 。 负载的工作状态由外部工作电压设定和限流设定共同决定。 以阻尼二极管f m q g 5 g s 为假负载，其参数见上节。2 2 伏工作电压假负载 电流超过1 0 安培( 见假负载v - i 特性) ，故选用激光器额定电流相近的工作状态， 即0 8 安培左右对系统实测。实际设功放l t l 9 7 0 外部同相输入端为1 0 6 伏。 不限流模式 对假负载端进行直流和交流耦合测试得一组波形如下： 图2 1 26 6 0 啪激光器不限流模式直流和交流测试波形 本次系列测试中，负载端直流有效值浮动在1 0 6 伏和1 0 7 伏之间，平均值 取为1 0 6 5 伏；交流耦合幅值的浮动也比较稳定，四次测试值分别为5 6 2 毫伏、 3 5 3 毫伏、5 2 9 毫伏、3 1 6 毫伏，平均值为4 4 0 毫伏；由纹波系数公式( 2 1 ) ， 可知，本次测试条件下激光器的纹波系数为0 4 。 限流模式 在维持功放l t l 9 7 0 的外部同相输入电压( 1 0 6 伏) 不变的情况下，逐渐减 小v c s n k 和v c s r c 的上的电压，直到吸电流限值指示二极管与源电流限值指示 二极管发光并达到稳定的发光状态。 对限流源直流和交流耦合测试的一组波形如下： 第二章激光器及t e c 驱动电路设计 图2 一1 36 6 0 姗激光器限流源直流和交流测试波形 限流源直流有效值稳定在0 7 3 伏，交流耦合有效值不超1 0 毫伏。由电流限 值公式( 2 2 ) 可知，经功率管对功放输出电流提升后供给负载的电流不超7 3 0 毫安，限值浮动不超1 0 毫安。 对负载端直流和交流耦合测试得一组波形如下： 图2 - 1 46 6 0 衄激光器限流模式直流和交流测试波形 负载端直流有效值均稳定在1 0 1 伏，浮动不超0 0 l 伏；交流耦合有效值有 小范围的浮动，四次测试有效值分别为4 1 5 毫伏、2 7 2 毫伏、4 5 0 毫伏、4 1 2 毫伏，均值为3 7 4 毫伏。由纹波系数公式( 2 1 ) 可得，本次测试条件下激光器 的纹波系数为0 3 7 。 2 4t e c 控制电路设计 t e c 控制电路用来对6 6 0 n m 激光器进行温度控制，它不仅需要l t l 9 7 0 作为 主功率放大器，根据其额定工作状态，t e c 还需要双向的高达2 o a 的大电流。 1 9 第二章激光器及t e c 驱动电路设计 这通过互补性p 沟道的m o s f e tl r f 9 5 2 0 和n 沟道的m o s f e ti l 讧p 2 5 0 配合实 现。此外，由仪表放大器l 1 2 0 5 3 组成的温度反馈电路对从热敏电阻得到的电 压信号进行差分放大，供给主控电路进行电流调节。 2 4 1t e c 简介 t e c ( t h e 咖o e i e c t r i cc o o l e r ) 即半导体致冷器。 半导体致冷器是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的。所谓珀尔帖效应，是 指当直流电流通过两种半导体材料组成的电偶时，其一端吸热，一端放热的现象。 重掺杂的n 型和p 型的碲化铋主要用作t e c 的半导体材料，碲化铋元件采用电 串联，并且是并行发热。t e c 包括一些p 型和n 型对( 组) ，它们通过电极连在 一起，并且夹在两个陶瓷电极之间；当有电流从