LD的建模及其驱动电路.docx
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LD的建模及其驱动电路
课程设计任务书
学生姓名：
专业班级：
电子科学与技术0803班
指导教师：
工作单位：
信息工程学院
题目：
LD的建模及其恒定功率驱动电路的设计
初始条件：
具较扎实的光电子的理论知识及较强的实践能力；对电路器件的选型及电路形式的选择有一定的了解；具备光电子电路的基本设计能力及基本调试能力；能够正确使用PSpice进行电路的建模。
要求完成的主要任务：
1.采用PSpice建立LD元件模型；
2.设计LD恒定功率驱动电路；
3.完成课程设计报告。
时间安排：
1．2011年6月24日分班集中，布置课程设计任务、选题；讲解课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求；课设答疑事项。
2．2011年6月25日至2011年7月7日完成资料查阅、设计、制作与调试；完成课程设计报告撰写。
3.2011年7月8日提交课程设计报告，进行课程设计验收和答辩。
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
目录
摘要I
AbstractII
1绪论1
2LD的工作原理和特性2
2.1LD发光机理分析2
2.2LD输出特性2
2.3LD的调制和背光耦合3
3LD驱动电路的设计4
4LD的建模6
5总结体会9
参考文献10
附录建模的语言描述11
摘要
半导体二极管具有单色性好、方向性好、体积小、光功率利用率高等优点，但是，光功率输出受外界环境变化的影响较大。
因此，本文针对半导体激光光源的工作原理和特性，设计了一种简单可行的自动功率控制（APC）驱动电路，通过背向监测光电流形成反馈，实现恒功率控制。
并且，引入了慢启动电路，防止电源电压的干扰，使二极管不会受到每次开启电源时产生的过流冲击，延长了二极管的使用寿命。
经实验验证，该电路解决了二极管在使用中输出功率不稳定的问题，其稳定度优于0.5%，达到了较好的稳流效果。
关键词：
半导体二极管，建模，驱动电路
Abstract
Semiconductorlaserswithgoodcolor,gooddirection,smallsize,highopticalpowerefficiencyadvantages,however,opticalpoweroutputbyagreaterimpactofchangesintheexternalenvironment.Therefore,thislaserlightsourcefortheworkingprincipleandfeatures,designedasimpleandpracticalautomaticpowercontrol（APC）drivercircuit,formedbyback-monitorphotocurrentfeedbacktoachieveconstantpowercontrol.Also,theintroductionoftheslow-startcircuittopreventinterferencewiththesupplyvoltage,thelaserwillnotbegeneratedeachtimeyouturnthepoweroffwhenthecurrentimpactofextendingthelaserlife.Theexperimentalverificationofthecircuitinusetosolvethelaseroutputpowerinstability,thestabilitybetterthan0.5%,toagoodsteadyflowresults.
Keywords:
Semiconductorlasers,Modeling,Drivingcircuit
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字典
1绪论
激光二极管本质上是一个半导体二极管，按照PN结材料是否相同，可以把激光二极管分为同质结、单异质结（SH）、双异质结（DH）和量子阱（QW）激光二极管。
量子阱激光二极管具有阈值电流低，输出功率高的优点，是目前市场应用的主流产品。
同激光器相比，激光二极管具有效率高、体积小、寿命长的优点，但其输出功率小（一般小于2mW），线性差、单色性不太好，使其在有线电视系统中的应用受到很大限制，不能传输多频道，高性能模拟信号。
在双向光接收机的回传模块中，上行发射一般都采用量子阱激光二极管作为光源。
半导体激光二极管的基本结构如图所示，垂直于PN结面的一对平行平面构成法布里——珀罗谐振腔，它们可以是半导体晶体的解理面，也可以是经过抛光的平面。
其余两侧面则相对粗糙，用以消除主方向外其它方向的激光作用。
半导体中的光发射通常起因于载流子的复合。
当半导体的PN结加有正向电压时，会削弱PN结势垒，迫使电子从N区经PN结注入P区，空穴从P区经过PN结注入N区，这些注入PN结附近的非平衡电子和空穴将会发生复合，从而发射出波长为λ的光子，其公式如下：
λ=hc/Eg
（1）
式中：
h—普朗克常数；c—光速；Eg—半导体的禁带宽度。
上述由于电子与空穴的自发复合而发光的现象称为自发辐射。
当自发辐射所产生的光子通过半导体时，一旦经过已发射的电子—空穴对附近，就能激励二者复合，产生新光子，这种光子诱使已激发的载流子复合而发出新光子现象称为受激辐射。
如果注入电流足够大，则会形成和热平衡状态相反的载流子分布，即粒子数反转。
当有源层内的载流子在大量反转情况下，少量自发辐射产生的光子由于谐振腔两端面往复反射而产生感应辐射，造成选频谐振正反馈，或者说对某一频率具有增益。
当增益大于吸收损耗时，就可从PN结发出具有良好谱线的相干光——激光，这就是激光二极管的简单原理。
2LD的工作原理和特性
2.1LD发光机理分析
LD的基本结构为：
垂直于PN结面的一对平行平面构成法布里-珀罗谐振腔，它们可以是半导体晶体的解理面，也可以是经过抛光的平面。
其余两侧面则相对粗糙，用以消除主方向外其他方向的激光作用。
当半导体的PN结加有正向电压时，会削弱PN结势垒，迫使电子从N区经PN结注入P区，空穴从P区经过PN结注入N区，这些注入PN结附近的非平衡电子和空穴将会发生复合，从而发射出波长为λ的光子，其公式:
λ=hc／Eg
（1）
式中h为普朗克常数；c为光速；Eg为半导体的禁带宽度。
如果注入电流足够大，则会形成和热平衡状态相反的载流子分布，即粒子数反转。
当有源层内的载流子在大量反转情况下，少量自发辐射产生的光子由于谐振腔两端面往复反射而产生感应辐射，造成选频谐振正反馈，或者说对某一频率具有增益。
当增益大于吸收损耗时，就可从PN结发出方向性好、相干性强、亮度高、频带窄的激光。
LD除了具备一般激光的相干性好、方向性强、发散角小、能量高度集中外，还具有光电转换效率高、输出功率大、体积小、重量轻、结构简单、抗震性强等特点。
2.2LD输出特性
图2.1是一种典型的半导体激光器在不同温度下的输出功率与正向驱动电流的关系曲线。
为了便于看清楚，图中底部的近似直线部分有意抬高了一些。
由图1中可以看出：
当驱动电流低于阈值时，激光器只能发射出荧光，只有当驱动电流大于激光器的阈值电流时，激光器才能正常工作发出激光，因此，要使LD发射激光，就要供给LD略大于阈值电流的工作电流。
而且，LD的阈值电流受温度的影响，温度越高，相应的阈值电流越大。
在某一温度下，当驱动电流低于阈值电流时，输出光功率近似为零；当驱动电流高于阈值时，输出激光，光输出功率随着驱动电流的增大而迅速增加，并近似呈线性上升。
图2.1LD输出特性曲线
2.3LD的调制和背光耦合
为了方便进行光功率自动控制，通常，激光器内部将LD和背向光检测器PD集成在一起，见图2.2。
其中，LD有2个光输出面，主光输出面输出的光供用户使用，次光输出面输出的光（即背向光）被光电二极管PD接收，所产生的光电流用于监控LD的工作状态。
背向光检测器的监测电流与主输出面光输出功率呈线性关系，根据背向光检测器对LD的耦合特性，可设计适当的外围电路完成对LD的自动光功率控制。
图2.2激光器的内部光光路原理图
3LD驱动电路的设计
由图3.1可以看出：
LD与监测二极管是集成在一起的元器件。
流入LD的电流经过APC电路的预偏置电流。
APC电路通过电流负反馈电路抑制由于温度变化、器件老化等引起的光功率的变化。
APC电路部分采用背向光反馈自动偏置控制方式，即用半导体激光器组件中的PD光电二极管监测LD背向输出的光功率。
因为背向输出光功率能跟踪前向输出光功率的变化，通过闭环控制系统就可以调节激光器的电流，达到输出稳定光功率的目的。
图3.1激光器光源的工作原理图
图3.2所示的APC电路由运算放大器1，2和晶体管Q1以及外围电路组成，该电路是一个以三极管为核心的负反馈系统，具有自动稳定激光器光输出功率的功能。
反馈取自LD的背向光，由背向光监测二极管检出并转换成相应的电流，经电容器C1滤波后，进入运放的反向输入端，将电流信号转换成电压信号V1。
运放的同向输入端由LM336和运放组成的+2.5V稳定基准源及变位器R5组成。
基准电压的输出为V2，可以通过变位器进行调节。
在给驱动电路加上电压的瞬间，会产生一个较大的冲击电流，瞬间电流的大变化会影响半导体激光器的使用寿命。
此外，一般情况下，电源电压都是由交流220V经变压整流提供给驱动电路电压，外部串入的干扰信号也会产生瞬间的大电流，这样，长期工作也会影响半导体激光器的使用寿命。
基于这种情况，在设计中引人慢启动电路，即在基准源的输入端并接二极管和电容，其中的电容在10～470μF左右，其最佳值在22～47μF。
这样，驱动电路不受电源电压的干扰，具有慢启动效果，使激光器不会受到每次开启电源时产生的过流冲击，延长了激光器的使用寿命。
APC电路控制过程如下：
当由于某种原因，使LD的输出光功率降低时，耦合至光电二极管的电流也同比例减小，即V1减小，这样，通常状态下的平衡被打破，使得运放1输出端的电压即V3将会增大，于是，三极管Q1的基极电流增大，集电极电流也随之增大，而集电极电流正是流入LD的电流。
因此，流入激光器的电流增大，输出光功率相应增大，从而使输出光功率保持不变；反之，亦然。
图3.2APC电路图
4LD的建模
由于在ORCAD中并没有LD的模型，因此我们得自己建立它的模型，建立的步骤如下：
将记事本（以.lib为后缀的文件）复制到安装路径下：
C:
\OrCAD\OrCAD_10.5\tools\pspice\library
打开PSPICEMODELEditor（所有程序/OrCAD10.5/PSpiceAccessories/ModelEditor）
在工作界面上，点击File/Open,打开
C:
\OrCAD\OrCAD_10.5\tools\pspice\library\DHLD（你刚刚复制进去的那个记事本）出现如下图4.1所示。
图4.1ModelEditor编辑界面
点击File\ExporttoCaputer`````选项，弹出如下图4.2所示。
图4.2路径修改
注意两者的路径！
输入路径不用修改，输出路径（output）改为
C:
\OrCAD\OrCAD_10.5\tools\capture\library\pspice
然后点击OK
最后打开C:
\OrCAD\OrCAD_10.5\tools\pspice\library找到其中的nom.lib的记事本，然后打开，将DHLD记事本里的东西复制到nom.lib文件的最后面，保存，模型即建好了，可以使用了。
打开ORCAD的Capture模块，新建一个工程，然后将上面生成的文件导入进去，就得到了LD的模块，如图4.3所示。
图4.3LD的建模
LD建模的程序见附件。
LD的电路模型如下图所示。
图4.4LD电路模型
5总结体会
通过课程设计，我们增强了对激光二极管的理解，学会查寻资料﹑比较方案，学会电路的设计﹑计算；进一步提高分析解决实际问题的能力，创造一个动脑动手﹑独立开展电路实验的机会，锻炼分析﹑解决电子电路问题的实际本领，真正实现由课本知识向实际能力的转化；通过典型电路的设计与制作，加深对基本原理的了解，增强了实践能力。
在此次课程设计中，我充分体会到了熟练运用相关软件的重要性，此次课设绝大多数工作都高度依赖计算机，从仿真到绘制原理图，再到参数调节，可以说每一步都很艰难，每一步都是我们一步一个脚印结结实实踩下去的。
课设的过程是个自我探索、自我学习的过程，其中，我们不仅学到了专业的知识，也提升了自己的学习能力。
参考文献
[1]韦乐平主编《智能光网络的发展与演进结构》电子工业出版社，2002
[2]徐公权,段鲲,廖光裕等译《光纤通信技术北京》机械工业出版社,2002
[3]李玉权,崔敏,浦涛等译《光纤通信（第三版）》电子工业出版社,2002
[4]张宝富主编《全光网络》人民邮电出版社,2002
[5]马声全《高速光纤通信ITUT-T规范与系统设计》北京邮电大学出版社,2002
附录建模的语言描述
语言描述为.SUBCKTDHLDNANBNLNR
*子电路名:
DHLD
*接口端点:
NA,NB,NL,NR
*NA,NB:
实际器件的两个电学端点
*NA正极,NB负极
*NL,NR:
两个虚拟端点,用于光输出
*NL左端面,NR右端面
*modelparametersBEGIN
***用户通过修改下面的参数值,以模拟不同器件***
.PARAML=250UM
.PARAMW=1UM
.PARAMD=0.15UM
.PARAMAn1=1.0E8
.PARAMAn2=1.1E-17
.PARAMAn3=2.0E-41
.PARAMAn4=0
.PARAMA=3.5
.PARAMAr1=4.2E8
.PARAMAr2=1.5E-16
.PARAMGAM=0.3
.PARAMG0=1.4E-12
.PARAMNtr=1.5E24
.PARAMEPS=1E-25
.PARAMB=1
.PARAMBsp=1E-3
.PARAMALFA=2000
.PARAMRl=0.3
.PARAMRr=0.3
.PARAMNe=7.8E7
.PARAMEIT=2
.PARAMNr=3.5
.PARAMLMD=1.3UM
.PARAMVbi=1.13
.PARAMCsc0=10pF
.PARAMRs=5
.PARAMCp=1pF
.PARAMRd=1E15
*modelparametersEND
*****以下内容禁止用户修改******
.PARAMECHARGE=1.6021918E-19
.PARAMBOLTZMAN=1.3806226E-23
.PARAMEPS0=8.854214871E-12
.PARAMPI=3.1415926
.PARAMTWOPI={2.0*PI}
.PARAMPLANCK=6.626176E-34
.PARAMPLANCK2PI={PLANCK/TWOPI}
.PARAMTEMPR=300
.PARAMVT={BOLTZMAN*TEMPR/ECHARGE}
.PARAMLSPEED=2.99792458E8
*Convertmtoum
.PARAMUL={L*1E6}
.PARAMUW={W*1E6}
.PARAMUD={D*1E6}
.PARAMUAn1={An1}
.PARAMUAn2={An2*1E18}
.PARAMUAn3={An3*1E36}
.PARAMUAn4={An4*（1E6）**（A-1）}
.PARAMUAr1={Ar1}
.PARAMUAr2={Ar2*1E18}
.PARAMUG0={G0*1E18}
.PARAMUNtr={Ntr*1E-18}
.PARAMUALFA={ALFA*1E-6}
.PARAMUEPS={EPS*1E18}
.PARAMUNe={Ne*1E-18}
.PARAMULMD={LMD*1E6}
.PARAMULSPEED={LSPEED*1E6}
.PARAMVact={UL*UW*UD}
.PARAMTph={Nr/（ULSPEED*（GAM*UALFA-LOG（Rl*Rr）/2.0/UL））}
.PARAMQV={ECHARGE*Vact}
.PARAMCph={ECHARGE/VT}
.PARAMRph={VT*Tph/ECHARGE}
.PARAMCPL={PLANCK*ULSPEED*ULSPEED*（Rl-1.0）*LOG（Rl*Rr）/
+（2.0*Nr*VT*UL*ULMD*（1-Rl+SQRT（Rl/Rr）*（1-Rr）））}
.PARAMCPR={PLANCK*ULSPEED*ULSPEED*（Rr-1.0）*LOG（Rl*Rr）/
+（2.0*Nr*VT*UL*ULMD*（1-Rr+SQRT（Rr/Rl）*（1-Rl）））}
.PARAMVl={EIT*VT*LOG（（UNtr+1.0/Tph/GAM/UG0）/UNe）}
.FUNCN（V）{UNe*EXP（V/EIT/VT）-1.0}
.FUNCRn（V）{UAn1*N（V）+UAn2*N（V）**2+UAn3*N（V）**3+UAn4*N（V）**A}
.FUNCRra（V）{UAr1*N（V）+UAr2*N（V）**2}
.FUNCG（V,Vph）{IF（N（V）+（1.0+UEPS*ABS（Vph）/Vact/VT）**B}
.FUNCInr（V）{QV*Rn（V）}
.FUNCIrr（V）{QV*Rra（V）}
.FUNCIst（V,Vph）{G（V,Vph）*ABS（Vph）/Vact/VT}
.FUNCCd（V）{QV*UNe*EXP（V/EIT/VT）/（EIT*VT）}
.FUNCCsc（V）{IF（V*ElectricalCIRCUIT
RRsNANA1{Rs}
RRdNA1NB{Rd}
CCpNA1NB{Cp}
*GCdNA1NBVALUE={Cd（V（NA1）-V（NB））*DDT（V（NA1）-V（NB））}
*GCscNA1NBVALUE={Csc（V（NA1）-V（NB））*DDT（V（NA1）-V（NB））}
CCdNA1NB{Cd（Vl）}
CCscNA1NB{Csc（Vl）}
GInrNA1NBVALUE={Inr（V（NA1）-V（NB））}
GIrrNA1NBVALUE={Irr（V（NA1）-V（NB））}
GIstNA1NBVALUE={Ist（V（NA1）-V（NB）,V（NS））}
*VphCIRCUIT
GIrr10NSVALUE={Bsp*Irr（V（NA1）-V（NB））}
GIst10NSVALUE={Ist（V（NA1）-V（NB）,V（NS））}
CCphNS0{Cph}
RRphNS0{Rph}
*LeftFacetOutput
ElNL0VALUE={CPL*V（NS）}
*RightFacetOutput
ErNR0VALUE={CPR*V（NS）}
.ENDS
本科生课程设计成绩评定表
姓名
游槟侨
性别
男
专业、班级
电子科学与技术0803班
课程设计题目：
LD的建模及其恒定功率驱动电路的设计
课程设计答辩或质疑记录：
成绩评定依据：
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
年月日
升级会员 