基于双环负反馈的超低噪声激光器恒流源驱动电路的制作方法

本发明属于激光器驱动。更具体地说，本发明涉及一种基于双环负反馈的超低噪声激光器恒流源驱动电路。

背景技术：

1、现有激光器驱动多采用单环负反馈恒流源架构。公开号为cn109950790a的中国发明专利申请公开的激光器控制电路采用电流串联负反馈原理，由运算放大器将设定电压与采样电阻反馈电压的误差放大后驱动场效应管产生激光器电流，并通过单向瞬变电压抑制二极管实现输出电流上限保护。公开号为cn207651796u的中国实用新型专利公开的半导体激光器用恒流驱动电路则由电压基准单元、误差放大单元、调整电路单元以及取样电路单元依次电信号相连构成深度负反馈闭环系统，单一反馈环路同时承担电流调节与电流监测两项任务。

2、上述单环架构在实际使用中存在三方面不足。其一，单环结构中闭环带宽与稳态精度互相制约，提高闭环带宽以加快瞬态响应的同时环路增益下降，导致稳态误差增大，难以兼顾快速调节与高精度控制。其二，电流监测与电流控制共用同一条反馈路径，用于闭环控制的反馈信号同时也是唯一的电流监测来源，监测通道的负载效应直接影响控制精度，控制通路与监测通路无法独立设计参数。其三，缺乏主动噪声抑制机制，采样电阻热噪声、运算放大器电压噪声和分压网络热噪声经控制通路直接叠加到输出电流上，限制了激光器线宽性能的进一步压窄。

技术实现思路

1、为了实现本发明的这些目的和其它优点，本发明所述基于双环负反馈的超低噪声激光器恒流源驱动电路，把快速调节与精细监测分别交由两条电气功能独立的电路路径承担，并通过在同一颗主采样电阻模块上共享电流感知节点的方式实现两条路径的协同。

2、本发明提供了一种基于双环负反馈的超低噪声激光器恒流源驱动电路，包括：

3、内环快速电流控制单元，由数模转换模块、第一级放大模块、第二级误差放大模块、调整管模块和主采样电阻模块依次电连接构成闭合负反馈环路；数模转换模块输出模拟设定电压，经第一级放大模块调理后输出第一电压送入第二级误差放大模块同相输入端；其反相输入端经分压网络接收主采样电阻模块高端引出的反馈电压，输出端经驱动电阻接调整管模块控制端；调整管模块与主采样电阻模块串联后接待驱动激光器供电，主采样电阻模块低端接地；

4、外环精细电流监测单元，含第一差分放大模块，其同相、反相输入端分别经外环分压电阻接主采样电阻模块高端与低端，对主采样电阻模块两端差分电压放大后输出监测电压信号；

5、内环快速电流控制单元从主采样电阻模块高端取电压反馈构建闭环，外环精细电流监测单元从主采样电阻模块两端取差分电压构建通道，二者电气相互独立，互不耦合；

6、内环快速电流控制单元闭环带宽不低于10khz，第二级误差放大模块反相输入端与输出端间并联补偿电容，在闭环带宽处提供足够相位裕度。

7、优选的是，第一级放大模块与第二级放大模块级联，第一级放大模块接收数模转换模块输出的模拟设定电压，第二级放大模块为电压跟随器，其输出端连接第二级误差放大模块的同相输入端；调整管模块包含npn型双极性晶体管，其基极经驱动电阻连接第二级误差放大模块的输出端，集电极经lc滤波网络连接激光器阴极，发射极连接主采样电阻模块的高端。

8、优选的是，第一级放大模块、第二级放大模块、第二级误差放大模块和第一差分放大模块均采用零漂移运算放大器，电压噪声密度不高于5.2nv/。

9、优选的是，主采样电阻模块由精密电阻构成，阻值范围1.5ω至3.3ω，功率不低于2w，精度不低于±1%，温度系数不高于±50ppm/°c。

10、优选的是，内环快速电流控制单元的输出电流iout与数模转换模块输出电压vdac之间满足：；其中k为常数，由主采样电阻模块的阻值rs、第一级放大模块的增益g1及第二级误差放大模块反相端分压网络的分压比共同决定；所述分压网络包括连接主采样电阻模块高端的电阻r8和连接地的电阻r12。

11、优选的是，主采样电阻模块的阻值为2.2ω、第一级放大模块的增益g1为1、第二级误差放大模块反相端分压网络中连接主采样电阻模块高端的电阻r8为10 kω、连接地的电阻r12为18.2 kω时，即上分压电阻为10 kω、下分压电阻为18.2 kω时，k为249.75 ma/v。

12、优选的是，外环精细电流监测单元的第一差分放大模块的增益依据主采样电阻模块的阻值设定，使最大输出电流时第一监测电压信号落入微控制器内置模数转换器的输入电压范围。

13、优选的是，第二级误差放大模块的反相输入端与输出端之间并联的补偿电容容量在100pf至10nf之间，且采用低损耗npo型介质。

14、优选的是，微控制器分别连接内环快速电流控制单元的数模转换模块、外环精细电流监测单元的模数转换输入端和数控模拟开关模块，并通过执行以下时序控制逻辑协同管理双环运行：

15、a、上电启动阶段，微控制器先将数模转换模块输出归零，延时第一预设时长后按预设阶梯步长将设定电压由零逐级抬升至目标值，阶梯抬升过程中实时读取第一监测电压信号，与目标值偏差超出预设误差窗时冻结阶梯抬升并保持当前设定值直至偏差回落到误差窗内；偏差量累积值超过预设漂移阈值时触发主采样电阻模块阻值校准序列，重新校准基准电流并修正后续控制参数；

16、b、阶梯抬升完成且内环快速电流控制单元闭环稳定后，微控制器进入正常运行阶段；正常运行阶段中微控制器按第二预设时长周期采样第一监测电压信号和背光电流监测信号，依据两个监测信号的差值与设定值动态判定内环实际输出电流与设定电流的一致性，一致性低于一致性阈值时触发微控制器按比例微调数模转换模块输出并记录偏差量作为下一周期修正依据；

17、c、数控模拟开关模块受微控制器信号控制，在恒电流模式与恒光功率模式之间切换；模式切换间隙内环快速电流控制单元维持当前设定值不变，外环精细电流监测单元按第三预设时长延时后启动新一轮监测采样，避免模式切换瞬态耦合进内环控制闭环；切换完成后内环快速电流控制单元以切换前后设定值偏差为基准执行软启动时序，软启动时序的设定电压变化率不超过正常运行阶段的设定电压变化率上限的二分之一；

18、d、微控制器在每次模式切换启动前，先对外环精细电流监测单元的第一差分放大模块实施零点校准，校准完成后重新启动正常运行阶段的周期性采样与一致性判定逻辑。

19、优选的是，电路通过以下约束实现低噪声与温度漂移协同优化：

20、主采样电阻模块的阻值rs不低于1.5ω，以使运算放大器电压噪声和分压网络热噪声折算至输出电流的贡献随rs增大而减小；rs不高于3.3ω，以避免过大压降占用调整管模块的有效动态范围；

21、第一级放大模块、第二级放大模块、第二级误差放大模块、第一差分放大模块的供电端口与公共地之间均接入去耦电容，去耦电容的等效串联电阻不高于50mω；

22、第二级误差放大模块反相端分压网络中，连接主采样电阻模块高端的电阻r8和连接地的电阻r12均采用精度不低于±0.1%、温度系数不高于±10ppm/°c的匹配电阻对，且r8与r12之间的比例偏差不超过±0.2%；

23、第一差分放大模块的两个输入端串联的电阻与反馈电阻均采用与内环分压网络相同规格的匹配电阻对，使外环精细电流监测单元的差分共模抑制比与内环反馈精度保持温度一致性；

24、在10hz至100khz频段内，主采样电阻模块的热噪声贡献、运算放大器电压噪声贡献和分压网络热噪声贡献按噪声密度平方和根式叠加后得到的总等效输入电流噪声密度不超过10na/，输出电流rms噪声不超过2.5μa；通过上述约束实现低噪声与温度漂移协同优化，使得在激光器长期运行期间输出电流基线偏移不超过预设基线偏移阈值。

25、本发明至少包括以下有益效果：本发明所述基于双环负反馈的超低噪声激光器恒流源驱动电路，通过双环负反馈架构使快速调节与高精度控制在电气上相互独立，闭环带宽不低于10khz的同时稳态误差不受带宽提升影响；通过内外环在同一主采样电阻模块上共享电流感知节点但电气功能独立，使控制通路与监测通路互不形成控制耦合，避免监测通道负载效应对控制精度的影响；通过在第二级误差放大模块反相端与输出端并联补偿电容提供相位裕度，提升内环闭环稳定性。

26、通过第一级放大模块与第二级放大模块级联并采用npn型双极性晶体管构成调整管模块，使调整管基极驱动电压与数模转换模块输出电压之间保持线性传递关系，集电极经lc滤波网络降低供电回路瞬态尖峰。

27、通过全部运放采用电压噪声密度不高于5.2nv/的零漂移运算放大器，把运放电压噪声折算到输出电流的贡献抑制在主采样电阻热噪声同一量级以内。

28、通过主采样电阻模块阻值范围1.5ω至3.3ω、功率不低于2w、精度不低于±1%、温度系数不高于±50ppm/°c的约束，使主采样电阻在激光器长期运行期间的阻值漂移对输出电流基线的影响满足预设基线偏移阈值。

29、通过建立输出电流与数模转换模块输出电压之间的线性传递关系i=k×v，使输出电流在数模转换模块满量程范围内连续可调、调节步进仅由数模转换模块分辨率决定。

30、通过具体电阻参数组合实现k≈250ma/v的转换系数，使数模转换模块输出电压在0v至2.5v范围内对应的输出电流覆盖0ma至625ma的常用窄线宽半导体激光器工作区间。

31、通过外环第一差分放大模块的增益依据主采样电阻模块阻值设定，使最大输出电流时第一监测电压信号落入微控制器内置模数转换器输入电压范围，避免监测通道在最大输出电流附近进入饱和而失去监测能力。

32、通过补偿电容容量在100pf至10nf之间并采用低损耗npo型介质，使内环闭环在不低于10khz的带宽处仍具备足够的相位裕度，避免闭环在带宽附近产生电流噪声峰化。

33、通过上电启动阶段阶梯式建立、正常运行阶段一致性判定、模式切换间隙维持与软启动切换、模式切换前零点校准四段时序协同，使双环在不同工作状态下均保持电气功能解耦，避免瞬态耦合进内环控制闭环。

34、通过主采样电阻模块阻值上下限约束、运放去耦电容等效串联电阻约束、分压网络匹配电阻对约束、外环差分电阻对与内环匹配约束、输出电流噪声密度与rms噪声上限约束以及长期基线偏移阈值约束的协同，在10hz至100khz频段内把总等效输入电流噪声密度抑制在10na/以内、输出电流rms噪声抑制在2.5μa以内，并保证激光器长期运行期间输出电流基线偏移满足预设基线偏移阈值。

35、本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。