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研究生:謝明僑
研究生(外文):Ming Chiao Hsieh
論文名稱:脈波驅動電路設計應用於半導體雷射利用光二極體自動定功率之研究
論文名稱(外文):Study of PWM Driver Circuit Design for Automatic Optical Power Control with Photo Diode of Semiconductor LASER
指導教授:孫台平
指導教授(外文):Sun,Taiping
口試委員:呂學士林佑昇陳鐘沅
口試委員(外文):Lu,SheyshiLin,YoushengChen,Zhongyuan
口試日期:2013-01-27
學位類別:碩士
校院名稱:國立暨南國際大學
系所名稱:光電科技碩士學位學程在職專班
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2013
畢業學年度:101
語文別:中文
論文頁數:78
中文關鍵詞:雷射自動定光功率脈波寬度調變定光功率
外文關鍵詞:PWMAPCACCCC
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論文摘要
本論文主要以脈波驅動Arima ADL-65102TL AlGalnP Visible LASER diode ,LASER Diode 具體積小易於驅動發光,但LASER Diode 在發光時容易受溫度影響,此次利用脈波寬度調變技巧設計一LASER Diode自動定光功率回授控制電路,並利用Photo diode檢測光電流特性,依LASER Diode所檢測LASER Diode光功率強度回授控制LASER Diode的驅動。進而使用帶通濾波器濾除非控制訊號雜訊並利用脈波寬度調變方式控制LASER Diode隨溫度上升而下降改變之光功率,可達成一穩定控制光功率在3% 以內且具有抗雜訊的自動定光功率控制目的。

分析自動定光功率回授控制與不同的驅動方式(CC、ACC、APC)下LASER Diode對於不同的溫度時的光功率特性之影響。經本文分析,在溫度改變情況下,利用Photo diode自動定光功率控制可以有效控制光功率3% 以內。
This thesis is mainly driven pulse Arima ADL-65102TL AlGalnP Visible LASER diode. specific plot small easy to drive light emitting the LASER diode lit easily affected by temperature, the use of pulse width modulation techniques the design the LASER diode automatically given optical power feedback control circuit, and to take advantage of the Photo diode detector photocurrent characteristics in accordance with the LASER diode LASER diode detected optical power intensity feedback control LASER diode driver. Then use a bandpass filter to filter out non-control signal-to-noise and the use of pulse width modulation control LASER diode with increasing temperature down to change the optical power, optical power with anti-noise and less than 3% to reach a stable control automatically given optical power control purposes.

The analysis automatically set the optical power feedback control with different drive (CC、ACC、APC) under LASER diode optical power characteristics for different temperature. This article analyzes, in the case of temperature changes, the use of Photo diode automatically given control of the optical power of less than 3% of the optical power can be effectively controlled.

目錄
誌謝 I
論文摘要 II
Abstract III
目錄 V
圖目錄 VII
表目錄 IX
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 研究動機與背景 3
1-3 章節提要 4
第二章 半導體雷射二極體原理 5
2-1 半導體雷射二極體發光原理與運作 5
2-2 半導體雷射二極體的發現與演進 7
第三章 系統架構與電路設計原理 10
3-1 系統設計方塊圖: 10
3-2 PWM MODULE (Pulse Width Modulation module脈波寬度調變模組): 11
3-2-1 鋸齒波產生器原理 14
3-2-2 鋸齒波產生器-定電流源充電電路 14
3-2-3 鋸齒波產生器電路 15
3-2-3 鋸齒波產生器電路模擬驗證 16
3-3 PWM ACC MODE定電流電路 19
3-3-1 運算放大器 20
3-3-2 儀表放大器 23
3-3-3 OP 積分器模組 25
3-3-4 OP 加法器模組 26
3-3-5 OP減法器模組 28
3-4 PWM APC MODE 自動光功率控制模式驅動: 30
3-4-1 轉阻放大器模組TIA 32
3-4-2 帶通濾波模組 33
3-5 實驗儀器設備 40
第四章 實驗結果與討論 45
4-1 實驗方塊圖 : 45
4-2 PULSE MODE 變溫量測: 45
4-2-1 不同的Pulse width 驅動變溫量測 46
4-2-2 Pulse on固定10%驅動變溫量測 47
4-3 PWM ACC MODE量測 49
4-3-1 PWM ACC MODE變溫量測 49
4-3-2 PWM ACC Mode與固定10% Duty on變溫比較 50
4-4 PWM APC MODE量測 52
4-4-1 PWM APC Mode變溫量測 52
4-4-2 PWM APC Mode與PWM ACC Mode變溫Control比較 59
第五章 結論與未來展望 61
5-1 實驗結論 : 61
5-1-1 結果文獻比較 63
5-2 未來展望 64
參考文獻 65
附錄 70
附錄A : ARIMA ADL-65102TL DATA SHEET 70
附錄B : ANALOG DEVICRS AD620 DATA SHEET 72
附錄C : CD4007 DATA SHEET 75

圖目錄
圖1.1一般市面上的LASER DIODE的應用 [1] 2
圖1.2 常見LASER DIODE外觀圖[2] 2
圖1.3 全球雷射二極體市場趨勢[39] 3
圖1.4雷射二極體的市場應用現況[39] 3
圖1.5 ARIMA ADL-65102TL DATA SHEET溫度VS發光效率圖 [37] 4
圖2.1 (A) 受激吸收 (B) 自發放射 (C) 受激放射 [29] 5
圖2.2 光功率與驅動電流關係圖 6
圖2.3 多重量子井分離侷限之異質結構能帶示意圖[29] 8
圖2.4 邊射型雷射二極體[29] 8
圖2.5 垂直面射型雷射二極體示意圖 9
圖3.1 PWM ACC MODE系統架構方塊圖 10
圖3.2 PWM APC MODE系統架構方塊圖 11
圖3.3 取樣電壓不變PULSE WIDTH不變示意圖 12
圖3.4 取樣電壓變化PULSE WIDTH也隨之變化示意圖 12
圖3.5 PWM 產生原理圖[32] 13
圖3.6 連續鋸齒波產生器示波器圖 13
圖3.7 鋸齒波產生原理[32] 14
圖3.8 電流鏡電路 [27] 15
圖3.9 鋸齒波產生電路 15
圖3.10 鋸齒波 LTSPICE 電路 16
圖3.11 連續的鋸齒波LTSPICE電路模擬圖 17
圖3.12 加入比較器後LTSPICE電路圖 17
圖3.13 PWM MODULE輸出模擬圖 18
圖3.14 調變參考電壓產生之不同DUTY ON的示波器圖 18
圖3.15 DC ACC MODE電路示意圖 19
圖3.16 PWM ACC MODE電路方塊圖 20
圖3.17 反相放大器[33] 21
圖3.18 反相放大器[33] 21
圖3.19 非反相放大器[33] 22
圖3.20 一般儀表放大器內部示意圖[34] 23
圖3.21 AD620儀表放大器內部示意圖[34] 24
圖3.22 AD620儀表放大器接腳圖[34] 24
圖3.23 積分器原理圖[33] 25
圖3.24 積分器電路圖[33] 26
圖3.25 反相加法器[33] 26
圖3.26 非反相加法器[33] 27
圖3.27 減法器[33] 28
圖3.28 減法器[33] 29
圖3.29 光功率與PHOTO DIODE 光電流關係圖[37] 31
圖3.30 PWM APC MODE 驅動方塊圖 32
圖3.31 轉阻放大器 32
圖3.32 轉阻放大器 33
圖3.33 帶通濾波器 34
圖3.34 溫度與電流變化圖[37] 35
圖3.35 帶通濾波器示意圖 36
圖3.36 PWM APC MODE取樣電路圖 36
圖3.37 PWM APC MODE取樣 LTSPICE 電路圖 37
圖3.38 帶通濾波器模擬輸出波形(A) 37
圖3.39 帶通濾波器模擬輸出波形(B) 38
圖3.40 經過二極體後的輸出訊號 38
圖3.41 經過二極體後的輸出訊號 39
圖3.42 經過二極體後的輸出訊號2 39
圖3.43 取樣訊號濾波頻寬示意圖 40
圖3.44 (A)光譜儀 (B)積分球 41
圖3.45 CRI-45 溫箱 41
圖3.46 實驗電路板完成圖 42
圖3.47 電路PCB LAYOUT圖 42
圖3.48 PCB TOPOVERLAY圖 43
圖3.49 PCB TOPLAYER圖 43
圖3.50 PCB BOTTOMLAYER圖 44
圖4.1 實驗方塊圖 45
圖4.2 變溫下不同的DUTY ON光功率變化曲線 46
圖4.3 PULSE驅動變溫量測電路圖 47
圖4.4 PULSE ON 10% 驅動變溫量測之光功率曲線 48
圖4.5 PWM ACC MODE變溫量測之光功率曲線 49
圖4.6 PWM ACC MODE與固定PULSE ON 10% 變溫量測之光功率比較圖 51
圖4.7 PWM APC MODE變溫量測之光功率曲線 53
圖4.8 PWM APC PULSE WIDTH示意圖 54
圖4.9 APC PULSE WIDTH 變化趨勢圖 55
圖4.10 DUTY ON 在360µS 56
圖4.11 DUTY ON 在520µS 57
圖4.12 DUTY ON 在640µS 57
圖4.13 DUTY ON 在840µS 58
圖4.14 DUTY ON 在1200µS 58
圖4.15 PWM APC MODE 與PWM ACC MODE比較圖 59
圖5.1 三種驅動實驗結果比較圖 61

表目錄
表3.1電路實驗所需實驗設備 40
表4.1 PULSE ON 10% 之光功率變化量關係 48
表4.2 PWM ACC MODE光功率變化量關係 50
表4.3 PWM ACC MODE與PULSE ON 10% 之光功率變化量關係 51
表4.4 PWM APC MODE之光功率變化量關係 54
表4.5 PWM APC MODE光功率變化與DUTY ON WIDTH關係 56
表4.6 PWM APC MODE 與PWM ACC MODE的比較表 60
表5.1三種驅動實驗結果比較表 62
表5.2 實驗結果與文獻比較 63

參考文獻
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