Журнал РАДИОЛОЦМАН, ноябрь 2016
Alan Stummer
Electronic Design
Используя источник постоянного тока и ЦАП, включенный в логометрической конфигурации, можно с высокой точностью управлять мощностью излучения лазерного диода
Эта схема, достаточно точная и не требующая большого числа компонентов, предназначена для управления лазерным диодом и разработана в соответствии с требованиями, предъявляемыми к оборудованию медицинского назначения. Сейчас устройство проходит клинические испытания. Характеристики лазерных диодов подвержены кратко- и долговременному дрейфу, обусловленному температурой и старением. Обычно они управляются постоянным током, поэтому их выходную оптическую мощность контролируют и, в соответствии с ее изменениями, регулируют ток.
Корпус конструкции заземлен, поэтому конфигурация источника постоянного тока рассчитана на включение силового транзистора в верхнее плечо лазера, а не на более простой вариант противоположный вариант. Кроме того, чтобы избежать «татуировки» пациента, ток должен быть изначально ограничен.
 |
||
| Рисунок 1. | При использовании логометрической конфигурации ЦАП этот драйвер лазерного диода обеспечивает стабильный уровень управляющего напряжения и точную установку малых токов. |
|
В схеме с однополярным питанием +5 В резистор R1, измеряющий и ограничивающий ток, и p-канальный МОП-транзистор Q1 образуют истоковый повторитель (Рисунок 1). Затвор МОП-транзистора находится под напряжением, немного превышающем напряжение истока, поэтому транзистор частично открыт, и ток лазерного диода создает падение напряжения на резисторе R1. В худшем случае, когда Q1 открыт полностью, максимальный ток лазера определяется выражением
где
RDS(SAT) = 25 мОм – сопротивление открытого канала МОП-транзистора,
VLASER = 2.0 В – напряжение на лазерном диоде.
Значения R DS(SAT) и VLASER были взяты из справочных данных на транзистор и лазерный диод, соответственно. Выбор сопротивления резистора R1 определяется требованиями к величине тока лазера (в данном случае, 250 мА) с учетом коррекции, вносимой прямым напряжением лазерного диода, типичное значение которого равно 2.0 В. Решая уравнение относительно R1, получаем:
где ILASER = 250 мА.
Сопротивление RDS(SAT) настолько мало, что его можно не учитывать. При известных значениях R1 и максимального тока лазерного диода мощность, рассеиваемая R1, может быть рассчитана по формуле
откуда следует, что резистор с допустимой рассеиваемой мощностью 800 мВт обеспечит небольшой дополнительный запас.
Величина тока лазера устанавливается с помощью ЦАП, выходное напряжение которого задается логометрически. В качестве опорного здесь используется напряжение источника +5 В, поэтому выход ЦАП отслеживает все флуктуации питания. Во время работы на выходе АЦП устанавливается требуемая величина управляющего напряжения. Делитель R2, R3 масштабирует эту уставку относительно номинального питания +5 В.
Например, если выходное напряжение ЦАП задано равным половине шкалы, то есть +2.5 В, напряжение между R2 и R3, (или на неинвертирующем входе ОУ IC1), будет равно +3.5 В. Включенная в контур обратной связи IC1 регулирует напряжение на затворе Q1 и, соответственно, ток, походящий через R1, Q1 и лазерный диод. Режим схемы стабилизируется, когда напряжение обратной связи станет равным +3.5 В. В этом установившемся режиме на резисторе R1 падает 5 В – 3.5 В = 1.5 В, и ток равен 125 мА, то есть, находится в середине шкалы. Аналогично, если на выходе ЦАП установить минимальное значение 0 В, напряжение на неинвертирующем входе IC1 будет равно +2 В. IC1 будет увеличивать напряжение на затворе Q1 до тех пор, пока падение напряжения на R1 не вырастет до 3 В, а ток, соответственно, до 250 мА. Это точка насыщения, в которой Q1 полностью открыт, и прямое напряжение на лазерном диоде равно +5 В минус падение напряжения на R1.
В полную схему должны быть включены элементы R4 и C1, обеспечивающие стабильность контура регулирования и имеющие частоту среза f, равную
Отдельное внимание следует уделить процессу, происходящему в схеме при скачкообразном изменении управляющего напряжения, на время которого ОУ, работавший до этого как сумматор напряжений уставки и обратной связи, становится повторителем напряжения, и на его выходе стремится возникнуть ступенька. В связи с этим в нашем примере добавлен конденсатор C2, образующий низкочастотный фильтр напряжения уставки с частотой среза
где R2||R3 = 12 кОм.
Если частота среза этого фильтра будет намного меньше полосы пропускания цепи ОС, ОУ сможет отслеживать ступенчатые изменения уставки с минимальными выбросами во время переключения ЦАП.
R5 обеспечивает некоторое смещение ОУ за счет того, что небольшой ток всегда будет гарантированно протекать через резистор R1. Когда на выходе ЦАП установлено напряжение полной шкалы +5 В, ток лазера, задаваемый операционным усилителем, всегда будет немного превышать значение, определяемое уставкой. Поэтому выход ОУ, пытаясь выключить Q1, будет входить в насыщение. Без резистора R5 входное напряжение смещения ОУ могло бы восприниматься как ложное значение уставки и приводило к включению Q1 для восстановления баланса.
Это одна из основных причин, по которой используется логометрическое включение ЦАП. Если бы опорное напряжение ЦАП было фиксированным, программирование малых токов была бы практически невозможным. Если на выходе ЦАП установить напряжение чуть ниже точного значения +5 В, то даже при небольших флуктуациях напряжения питания +5 В управляющее напряжение будет изменяться весьма существенно. Однако в логометрической схеме ЦАП отслеживает изменения напряжения питания +5 В, и относительное управляющее напряжение на его выходе остается стабильным.
Платой за возможность точно задавать слабые токи является плохой коэффициент подавления пульсаций питания. Однако в том медицинском приложении, для которого предназначался лазер, петля стабилизации тока сама является частью петли стабилизации мощности, и пульсации питания в ней минимальны. Если же потребуется, на плату можно добавить небольшой стабилизатор напряжения, и ценой некоторого увеличения числа компонентов вы получите стабильное, малошумящее питание лазера.
Купить AD8601 на РадиоЛоцман.Цены
