Изобретение относится к области оптоэлектроники и может быть использовано, например, в источниках когерентного оптического излучения медицинских приборов для фотодинамической терапии.
Уровень техники
Известен регулируемый источник тока, содержащий регулятор тока с последовательно соединенным датчиком тока, вход для управляющего напряжения и дифференциальный усилитель, неинвертирующий вход которого подключен к выходу датчика тока, инвертирующий вход подключен к входу для управляющего напряжения, а выход соединен со входом управления регулятора тока. [1] {П. Хоровиц, X. Хилл. Искусство схемотехники. Перев. с английского, том 1. - М.: Мир, 1986, с. 389. рис 6.31}.
Известный регулируемый источник тока может быть использован для "накачки" (для питания) полупроводниковых лазеров. Однако мощность излучения лазера зависит не только от величины тока "накачки". При фиксированном токе "накачки" она экспоненциально уменьшается с ростом температуры полупроводниковой структуры. Поэтому использование стабилизатора тока не обеспечивает постоянство мощности излучения лазера при изменении его температуры. Даже использование термостата для поддержания постоянной температуры корпуса лазера не решает полностью проблемы стабилизации мощности излучения полупроводникового лазера. При включении термостатированного полупроводникового лазера или при изменении тока "накачки" температура полупроводниковой структуры медленно изменяется до установившегося значения. Соответственно изменяется и мощность излучения лазера.
Известен драйвер полупроводникового лазера, реализующий способ стабилизации мощности излучения полупроводникового лазера путем использования "оптической" обратной связи, содержащий регулятор тока датчик прямого излучения лазера, вход для управляющего напряжения и дифференциальный усилитель, инвертирующий вход которого подключен к выходу датчика прямого излучения лазера, неинвертирующий вход подключен к входу для управляющего напряжения, а выход соединен с входом управления регулятора тока. [2] {Киселев Г.Л. Приборы квантовой электроники. М.: Высшая школа, 1980 г., с. 172. рис. 10.7}.
Известный драйвер полупроводникового лазера обеспечивает постоянство мощности излучения полупроводникового лазера, точнее постоянство соответствия мощности излучения лазера величине управляющего напряжения, даже при изменении температуры полупроводниковой структуры, обусловленном изменением температуры окружающей среды или изменением режима работы лазера.
Применение датчика прямого излучения связано с необходимостью ответвления мощности излучения лазера. Мощные полупроводниковые лазеры выпускаются с оптическим выводом в виде отрезка стандартного световода. Встраивание оптического ответвителя в световодный тракт сопряжено с появлением в нем неоднородности. Это приводит к тому, что в тракте теряется оптической мощности значительно больше, чем та мощность, которая поступает непосредственно на фотоприемник датчик прямого излучения лазера.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является драйвер полупроводникового лазера, содержащий регулятор тока с последовательно соединенным датчиком тока, датчик мощности прямого излучения лазера, датчик температуры лазера, дифференциальный усилитель, компаратор, переключатель режимов работы лазера, аналоговый ключ, логический элемент "ИЛИ-НЕ", вход для управляющего напряжения и вход для сигнала уставки максимального тока, причем выходы датчика тока и датчика мощности прямого излучения лазера через переключатель режимов работы лазера подключены к инвертирующему входу дифференциального усилителя, неинвертирующий вход которого через аналоговый ключ связан со входом для управляющего напряжения, а выход со входом управления регулятора тока, выходы датчика температуры лазера и компаратора связаны через логический элемент "ИЛИ-НЕ" со входом управления аналогового ключа, а входы компаратора соединены соответственно с выходом датчика тока и входом для сигнала уставки максимального тока. [3] {LASER DIODE DRJVER SDL-8110-B. SDL. INC. SAN JOSE. CAROLINA 95134 U.S.A. Schematic Diagram 9.1.9.4}.
В известном драйвере, в зависимости от положения переключателя режимов работы лазера, осуществляется либо стабилизация тока "накачки" лазера на уровне, заданном управляющим напряжением, либо стабилизация мощности прямого излучения лазера также на уровне, заданном управляющим напряжением, причем, при достижении тока "накачки" величины максимальной уставки или при превышении температуры лазера заданного значения, ток выключается. В нем, в зависимости от положения переключателя режимов заботы, устраняются недостатки одного аналога, но сохраняются недостатки другого.
При использовании известного драйвера лазера в источниках когерентного оптического излучения медицинских приборов для фотодинамической терапии главными оказываются следующие недостатки.
Наличие пускового тока у полупроводниковых лазеров обуславливает тот факт, что мощность излучения лазера в режиме стабилизации тока оказывается не пропорциональной управляющему напряжению. Кроме того, экспоненциальная зависимость пускового тока от температуры является причиной того, что при включении "холодного" лазера интенсивность его излучения первоначально значительно превышает установившееся значение. Оно достигается по мере нагревания полупроводниковой структуры до равновесной температуры.
При работе известного драйвера с максимальной мощностью излучения лазера в режиме стабилизации оптической мощности ток "накачки" может превысить допустимое значение при нагреве лазера до температуры, незначительно превышающей комнатную и вполне допустимой для самой полупроводниковой структуры. Это приводит к срабатыванию токовой защиты драйвера, отключению тока "накачки" и прекращению работы лазера.
Сущность изобретения
Целью изобретения является устранение возможности превышения мощности оптического излучения уровня, задаваемого управляющим напряжением, устранение возможности отключения лазера раньше времени, задаваемом управляющим напряжением, увеличение степени защиты лазера и, тем самым, улучшение параметров медицинского прибора с источником когерентного излучения путем устранения возможности передозировки и нештатного прекращения облучения пациента, а также повышение надежности работы прибора.
Поставленная цель достигается тем, что драйвер полупроводникового лазера, содержащий регулятор тока с последовательно соединенным датчиком тока, датчик мощности прямого излучения лазера, датчик температуры лазера, дифференциальный усилитель, компаратор, вход для управляющего напряжения и вход для сигнала уставки максимального тока, снабжен вторым дифференциальным усилителем, линейным усилителем, экспоненциальным усилителем, сумматором и трехвходовым дискриминатором минимального сигнала, причем вход для управляющего напряжения подключен к неинвертирующему входу одного из дифференциальных усилителей, инвертирующий вход которого соединен с выходом датчика мощности прямого излучения лазера, вход для управляющего напряжения через линейный усилитель, а датчик температуры лазера через экспоненциальный усилитель подключены ко входам сумматора, выход сумматора и выход датчика тока соединены соответственно с неинвертирующим и с инвертирующим входами другого дифференциального усилителя, неинвертирующий и инвертирующий входы компаратора соединены соответственно с входом для сигнала уставки максимального тока и выходом датчика тока, выходы дифференциальных усилителей и компаратора соединены через дискриминатор минимального сигнала со входом управления регулятора тока.
Поставленная цель достигается также тем, что дифференциальные усилители, компаратор и подключенный к их выходам дискриминатор минимального сигнала выполнены на операционных усилителях с однополярным питанием, с нулевым относительно общей шины входным напряжением в линейном режиме синфазных сигналов, с нулевым минимальным выходным постоянным напряжением, выходные каскады которых однотактные с открытыми коллекторами, причем все выходы операционных усилителей объединены и имеют общую резистивную нагрузку, соединенную с положительным полюсом источника питания усилителей, а точка соединения выходов операционных усилителей и резистивной нагрузки подключена к входу управления регулятора тока.
Кроме того, поставленная цель достигается тем, что регулятор тока содержит линейный стабилизатор напряжения, к отрицательной выходной шине которого через датчик тока подключены параллельно соединенные стоками, истоками, затворами и подложками МОП транзисторы обогащенного типа с каналами n-типа, причем выходное напряжение линейного стабилизатора напряжения выбирается из условия, чтобы оно не превышало максимально допустимого обратного напряжения лазерного диода и, при пробое по затвору любого из параллельно соединенных транзисторов, ток "накачки" лазера не превышал пускового тока, а число параллельно соединенных транзисторов выбирается из условия, чтобы минимальное результирующее сопротивление открытых транзисторов не превышало дифференциального сопротивления лазерного диода при максимальном токе.
Перечень фигур чертежей и иных материалов
Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг. 1, на которой представлена блок-схема драйвера полупроводникового лазера, фиг. 2, на которой представлена схема варианта реализации дискриминатора минимального сигнала, и фиг. 3, на которой представлена схема варианта реализации регулятора тока, где:
1 - регулятор тока,
2 - датчик тока,
3 - датчик мощности прямого излучения лазера,
4 - датчик температуры лазера,
5 - дифференциальный усилитель,
6 - второй дифференциальный усилитель,
7 - компаратор,
8 - линейный усилитель,
9 - экспоненциальный усилитель,
10 - вход для управляющего напряжения,
11 - вход для сигнала уставки максимального тока,
12 - сумматор,
13 - трехвходовый дискриминатор минимального сигнала,
14 - резистивная нагрузка,
15 - линейный стабилизатор напряжения,
16 - МОП транзистор обогащенного типа с каналом n-типа,
17 - лазерный диод.
На фиг. 4 представлен вариант исполнения экспоненциального усилителя, где:
18 - логарифмический усилитель,
19 - операционный усилитель.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Предлагаемый драйвер полупроводникового лазера содержит содержащий регулятор тока 1 с последовательно соединенным датчиком тока 2, датчик мощности прямого излучения лазера 3, датчик температуры лазера 4, дифференциальный усилитель 5, второй дифференциальный усилитель 6, компаратор 7, линейный усилитель 8, экспоненциальный усилитель 9, вход для управляющего напряжения 10, вход для сигнала уставки максимального тока 11, сумматор 12 и трехвходовый дискриминатор минимального сигнала 13, причем вход для управляющего напряжения подключен к неинвертирующему входу одного из дифференциальных усилителей, инвертирующий вход которого соединен с выходом датчика мощности прямого излучения лазера, вход для управляющего напряжения через линейный усилитель, а датчик температуры лазера через экспоненциальный усилитель подключены к входам сумматора, выход сумматора и выход датчика тока соединены соответственно с неинвертирующим и с инвертирующим входами другого дифференциального усилителя, неинвертирующий и инвертирующий входы компаратора соединены соответственно с входом для сигнала уставки максимального тока и выходом датчика тока, выходы дифференциальных усилителей и компаратора соединены через дискриминатор минимального сигнала со входом управления регулятора тока.
Вариант реализации дискриминатора минимального сигнала в схеме драйвера полупроводникового лазера содержит дифференциальные усилители 5 и 6, компаратор 7 и резистивную нагрузку 14, причем дифференциальные усилители и компаратор выполнены на операционных усилителях с однополярным питанием, с нулевым относительно общей шины входным напряжением в линейном режиме синфазных сигналов, с нулевым минимальным выходным постоянным напряжением, выходные каскады которых однотактные с открытыми коллекторами, а все выходы операционных усилителей соединены между собой и с резистивной нагрузкой, подключенной к положительной шине источника питания усилителей, а точка соединения выходов операционных усилителей и резистивной нагрузки подключена к входу управления регулятора тока.
Вариант исполнения регулятора тока содержит линейный стабилизатор напряжения 15, к отрицательной выходной шине которого через датчик тока 2 подключены параллельно соединенные стоками, истоками, затворами и подложками МОП транзисторы обогащенного типа с каналами n-типа 16.
Предлагаемый драйвер полупроводникового лазера работает следующим образом:
В том случае, когда управляющее напряжение на входе 10 равно нулю, выходное напряжение дифференциального усилителя 5 будет равно нулю, а выходное напряжение дифференциального усилителя 6 будет больше нуля, поскольку на его инвертирующий вход не поступает сигнала, а на неинвертирующий вход подается через экспоненциальный усилитель 9 положительное напряжение от датчика температуры 4. При достаточно большом коэффициенте усиления усилителя 6, его выходной сигнал будет равен максимально возможному положительному напряжению, которое может быть на выходе этого усилителя. На выходе компаратора 7 также будет максимально возможное положительное напряжение. Из трех поступающих на входы сигналов дискриминатор 13 выделяет наименьший, нулевой сигнал и подает его не вход управления регулятора тока 1. В результате ток "накачки" лазера будет равен нулю.
При подаче на вход 10 положительного управляющего напряжения на выходе дифференциального усилителя 5 устанавливается положительное напряжение, все входные сигналы дискриминатора 13 становятся больше нуля и на входе управления регулятора тока 1 появляется сигнал, обеспечивающий протекание тока "накачки" через лазерный диод. Величина тока "накачки" определятся усилителем с меньшим выходным напряжением. Ток устанавливается на уровне, при котором драйвер с работающим лазером, как система с отрицательной обратной связью, будет находиться в состоянии равновесия. При этом один из дифференциальных усилителей 5 и 6 или оба усилителя одновременно будут работать в линейном режиме с ненасыщенным выходным каскадом, что определяется уровнями выходных сигналов датчика тока 2, датчика мощности прямого излучения лазера 3, датчика температуры лазера 4, а также параметрами линейного усилителя 8 и экспоненциального усилителя 9.
На неинвертирующий вход дифференциального усилителя 6 подается управляющее напряжение через линейный усилитель 8 и выходное напряжение датчика температуры лазера 4 через экспоненциальный усилитель 9. Параметры экспоненциального усилителя 9 выбираются такими, чтобы во всем диапазоне температуры лазера, при нулевом управляющем напряжении и активном режиме работы дифференциального усилителя 6 ток "накачки" был равен пусковому току лазера. В результате при токовой обратной связи зависимость мощности излучения лазера от управляющего напряжения становится линейной.
Параметры линейного усилителя 8 выбираются такими, чтобы при возможных значениях управляющего напряжения на входе 10, выходное напряжение усилителей 5 и 6 минимально отличалось друг от друга. Этим с заданной точностью осуществляется линейность результирующей регулировочной характеристики драйвера.
Предлагаемый драйвер автоматически переходит из режима работы с обратной связью по току в режим работы с обратной связью по мощности прямого излучения лазера. Переходы режима работы обусловлены динамикой изменения выходных сигналов датчика тока, датчика мощности прямого излучения лазера и датчика температуры лазера при изменении управляющего напряжения или (и) при эксплуатации источника когерентного оптического изучения с предлагаемым драйвером. Кроме того, оказывается возможной кратковременная и даже длительная работа драйвера в режиме с одновременно действующими обратными связями по току "накачки" лазера и по мощности прямого излучения лазера.
Если при работе драйвера выходной сигнал датчика тока 2 достигнет уровня сигнала уставки максимального тока на входе 11, то на входе дискриминатора 13 минимальным станет сигнал от компаратора 7. Драйвер не отключится, а перейдет в режим работы с обратной связью по току, причем ток будет фиксирован уровнем сигнала на входе 11.
Таким образом в предлагаемом драйвере полупроводникового лазера расширяется область рабочих температур лазера, реализуется "горячее" резервирование цепей обратной связи, во всех штатных режимах работы мощность излучения лазера остается пропорциональной величине управляющего сигнала, при достижении тока "накачки" уровня сигнала уставки максимального тока не происходит неконтролируемого отключения лазера, а при аварийных режимах исключается возможность неконтролируемого повышения мощности излучения лазера. В результате увеличивается степень защиты лазера и улучшаются параметры медицинского прибора с источником когерентного излучения путем и повышения надежности его работы, расширения диапазона рабочей температуры, устранения возможности неконтролируемого прекращения работы лазера при достижении максимально допустимой величины тока "накачки" лазера, а также исключения возможности неконтролируемого повышения мощности излучения лазера в аварийных режимах работы драйвера.
Элементы драйвера полупроводникового лазера, обозначенные на фиг. 1 номерами 5, 6, 7, 8, 9, 12 и 13, могут быть "цифровыми". В частности все функции, выполняемые указанными элементами, могут быть реализованы численно с помощью одного процессора. В этом случае дифференциальные усилители, линейный и экспоненциальный усилители, компаратор и сумматор моделируются элементарными функциями, а дискриминатор моделируется оператором Y=min(X), где Х - массив входных величин.
Элементы драйвера полупроводникового лазера, обозначенные на фиг. 1 номерами 5, 6, 7, 8, 9, 12 и 13, могут быть аналоговыми. Вариант аналоговой реализации части блок-схемы драйвера, включающей указанные элементы с взаимными связями по схеме фиг. 1 и выполняющей все функции этой части блок-схемы, приведен на фиг. 2. В нем усилители 5 и 6, а также компаратор 7, должны быть выполнены на операционных усилителях с однополярным питанием, с нулевым относительно общей шины входным напряжением в линейном режиме синфазных сигналов, с нулевым минимальным выходным постоянным напряжением, выходные каскады которых однотактные с открытыми коллекторами, а все выходы операционных усилителей соединены между собой и с резистивной нагрузкой 14, подключенной к положительной шине источника питания усилителей. Точка соединения выходов операционных усилителей и резистивной нагрузки является выходом указанной части блок-схемы и должна быть подключена ко входу управления регулятора тока 1.
Вариант аналоговой реализации предлагаемого драйвера полупроводникового лазера работает следующим образом.
В рабочем режиме на выходе всех операционных усилителей, обозначенных на фиг. 2 номерами 5, 6 и 7, выходное напряжение Uвых не равно нулю. На одном из них разность входных напряжений ΔUвх минимальна и равна
ΔUвх = Uвых/(K•B), (1)
где К ≈ 105 - коэффициент усиления операционных усилителей.
В ≈ ---> 102 - коэффициент передачи по напряжению тракта "вход регулятора тока ⇒ сигнальный выход датчика тока".
Напряжение на входах 10 и 11, выходное напряжение датчика тока и датчика мощности прямого изучения лазера, а также выходное напряжение операционных усилителей имеет величину порядка единиц вольта. Поэтому, согласно (1), минимальная величина ΔUвх усилителей выражается микровольтами.
Расхождение регулировочных характеристик драйвера при различных видах обратной связи (за исключением возможных точек пересечения) может достигать единиц процента относительных величин. Поэтому лишь у одного операционного усилителя ΔUвх не превышает единиц микровольт, у остальных операционных усилителей ΔUвх выражается милливольтами или вольтами (например, у усилителя 7). В результате только один операционный усилитель работает в линейном режиме, у остальных операционных усилителей выходные транзисторы заперты и цепи с этими усилителями не оказывают влияния на работу драйвера. "Активным" может быть любой из усилителей 5, 6 или 7, в зависимости от величины напряжения на входе и на выходе датчиков 2, 3 и 4.
При выходе из строя датчика тока, датчика мощности прямого излучения лазера или (и) любого из усилителей 5, 6 и 7, выходной транзистор усилителя соответствующего канала окажется либо полностью запертым, либо полностью открытым. В первом случае неисправный канал перестанет принимать участие в работе драйвера, а во втором случае неисправный канал заблокирует работу драйвера так и ток "накачки" лазера будет равен нулю.
Таким образом, устраняется возможность неконтролируемого повышения тока "накачки" лазера и увеличения мощности его излучения при выходе из строя одного из каналов управления.
Полупроводниковые лазеры выходят из строя при подаче обратного напряжения, всего лишь в полтора раза превышающего прямое падение напряжения. Чтобы лазер не вышел из строя при неправильной полярности его подключения к драйверу, выходное напряжение регулятора тока "на холостом ходу" не должно превышать максимально допустимого обратного напряжения лазерного диода. Поскольку это напряжение равно сумме падений напряжения на лазерном диоде, датчике тока и элементе регулирования, то элемент регулирования должен выполнять свои функции при падении напряжения, составляющем десятые доли вольта и даже десятки милливольт. Этому требованию удовлетворяет вариант исполнения регулятора тока драйвера по схеме фиг. 3.
Вариант исполнения регулятора тока содержит линейный стабилизатор напряжения 15, к отрицательной выходной шине которого через датчик тока 2 подключены параллельно соединенные стоками, истоками, затворами и подложками МОП транзисторы обогащенного типа с каналами n-типа 16, причем лазерный диод 17 (нагрузка), соединяет положительную шину стабилизатора напряжения и стоки транзисторов. Выходное напряжение линейного стабилизатора напряжения выбирается из условия, чтобы оно не превышало максимально допустимого обратного напряжения лазерного диода.
В отличие от биполярных транзисторов сопротивление пробитых по управляющему переходу МОП транзисторов обогащенного типа в десятки и сотни раз превышает сопротивление каналов этих же транзисторов, исправных и полностью открытых. Поэтому выходное напряжение стабилизатора напряжения должно выбираться из условия, чтобы при пробое по затвору любого из параллельно соединенных транзисторов ток "накачки" лазера не превышал пускового тока. В этом случае при пробое любого из транзисторов 16 по управляющему электроду блокируются управляющие переходы остальных транзисторов, регулятор тока перестает быть управляемым, а через лазерный диод будет протекать ток, величина которого меньше или много меньше пускового тока лазера.
Для того, чтобы при малом напряжении регулятор тока работал в линейном режиме, число параллельно соединенных транзисторов выбирается из условия, чтобы минимальное результирующее сопротивление открытых транзисторов не превышало дифференциального сопротивления лазерного диода при максимальном токе.
Таким образом, вариант исполнения регулятора тока защищает лазер при пробое силовых транзисторов, регулирующих ток лазера, и устраняет возможность неконтролируемого излучения лазера.
С учетом изложенного в предлагаемом драйвере полупроводникового лазера достигается цель изобретения, состоящая в том, что при нештатных режимах устраняется возможность превышения мощности оптического излучения уровня, задаваемого управляющим напряжением, и возможность отключения лазера раньше времени, задаваемом управляющим напряжением, кроме того, увеличивается степени защиты лазера и тем самым улучшаются параметры медицинского прибора с источником когерентного излучения и повышается надежность его работы.
В предлагаемом драйвере полупроводникового лазера в качестве датчика тока может быть использован резистивный шунт из резисторов типа WH50 Series WELWYN.
В качестве датчика мощности прямого излучения лазера может быть использован оптический фотоприемник интегрированный с операционным усилителем Opt 101 ANALOG DEVICE.
В качестве датчика температуры лазера может быть использован программируемый термодатчик TMP01 ANALOG DEVICE.
В качестве дифференциального, операционного усилителей, а также компаратора и сумматора может быть использован операционный усилитель LM 392.
В качестве логарифмического усилителя может быть использован True logarithmic amplifier TDA8780 Philips.
В качестве линейного стабилизатора напряжения может быть использован 10 Ainp Positive Voltage Regulator LT1038M LINEAR TECHNOLOGY.
В качестве МОП транзистора обогащенного типа с каналом n-типа может быть использован полевой транзистор типа IRFZ40.
Литература
1. П. Хоровиц, X. Хилл. Искусство схемотехники. Перев. с английского, том 1. - М.: Мир. 1986, с. 389. рис. 6.31.
2. Киселев Г.Л. Приборы квантовой электроники. М.: Высшая школа. 1980 г. , с. 172. рис. 10.7.
3. LASER DIODE DRIVER SDL - 8110 - В. SDL. INC. SAN JOSE. CAROLINA 95134 U.S.A. Schematic Diagram 9.1...9.4.
Изобретение относится к оптоэлектронике. Предложенный драйвер содержит регулятор тока накачки полупроводникового лазера, датчик тока, датчик мощности прямого излучения лазера, датчик температуры лазера, дифференциальные, линейный и экспоненциальный, усилители, сумматор, дискриминатор и входы для управляющего напряжения и для сигнала уставки максимального тока. Результаты сравнений сигналов от перечисленных устройств через дискриминатор минимального сигнала подаются на вход управления регулятора тока. Образуются цепи обратной связи; по току накачки лазера, по мощности прямого излучения лазера и по сигналу уставки максимального тока. Работает та цепь обратной связи, которая создает на входе дискриминатора минимальный сигнал. Также устройство содержит вариант аналоговой реализации драйвера и вариант реализации регулятора тока, дополнительно увеличивающий надежность источника когерентного излучения, использующего предлагаемый драйвер. В результате устраняется возможность превышения лазером заданного уровня мощности, устраняется возможность отключения лазера раньше времени, увеличивается степень защиты лазера. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
| Приспособление в пере для письма с целью увеличения на нем запаса чернил и уменьшения скорости их высыхания | 1917 |
|
SU96A1 |
| RU 2129721 C1, 27.04.1999 | |||
| JP 03159184 A, 09.07.1991 | |||
| JP 05243652 A, 21.09.1993 | |||
| US 5802089, 01.09.1998 | |||
| US 5675600, 07.10.1997 | |||
| JP 10112564 A, 28.04.1998 | |||
| EP 0886350 A, 23.12.1998 | |||
| US 5473623, 05.12.1995. | |||
