驱动电路一致性对光纤陀螺用SLD光源特性的影响

殷建玲，鲁 军，陈玉丹，毛少娟，刘 军

（军械工程学院 电子与光学工程系，石家庄 050003）

驱动电路一致性对光纤陀螺用SLD光源特性的影响

殷建玲，鲁 军，陈玉丹，毛少娟，刘 军

（军械工程学院 电子与光学工程系，石家庄 050003）

针对目前同批次驱动电路对同一光源控制效果存在差异的问题，开展器件一致性对光纤陀螺用SLD光源特性影响的研究，找到影响驱动电路一致性的关键部位，并提出解决方案，从而规范驱动电路制作过程。理论分析结果表明：造成温控电路差异的因素由大到小依次是惠斯通桥两臂电阻偏差、热敏电阻与同臂电阻偏差、正/负电源精度、运算放大器输入失调电压，以及积分电路的运放精度；造成恒流源电路差异的因素主要是指示器误差、驱动电流漂移误差和恒流源器件选配误差；通过采取元器件配对、调试、更换高精度器件等措施，可消除或大幅降低上述电路差异。试验结果证明，按照理论规范生产的驱动电路板一致性显著提高，可达到同类进口驱动电路的水平。

电路一致性；SLD光源；光纤陀螺；驱动电路

超辐射发光二极管（SLD）作为干涉型光纤陀螺的一种常用光源，在光纤陀螺中得到广泛应用[1-6]。SLD光源具有输出功率高、光谱宽度宽、相干长度短等特点，可有效降低陀螺噪声。该类光源温度依赖性较强，其稳定工作需要与之匹配的高精度温度控制电路[7-9]。目前，关于 SLD光源恒流源和温控技术的原理、设计、实验研究已有诸多研究[10-12]。但是，在工程化生产过程中，按照相同流程制作的驱动电路对同一光源控制效果存在差异，最直接的表现是输出功率上的差异。为了提高驱动电路工程化指标，需找到并克服这种电路上的差异。然而，目前国内尚未有相关研究报道。本文从实际电路出发，在理论上逐步分析并找到影响驱动电路一致性的关键部位，并提出相应解决方法，最后通过实验对上述分析结果进行验证。

1 理想情况下，温控电路与恒流源电路输出

图1 温度控制电路简图Fig.1 Basic diagram of temperature control circuit

由直流电桥和运放电路的基本知识，可得一级运放输出Vout1：

通常，光源组件中热敏电阻的阻值在常温(25℃)下为10kΩ，温度系数为–500 Ω/℃。假设管芯调节温度为25℃，则由公式(3)得：

当Vout1＞0时，表示光源管芯温度低于 25℃；反之，管芯温度高于25℃。

理想情况下，SLD光源的恒流源输出应为100.00 mA。

2 温控电路引起的误差

2.1 电阻R2≠R3引起的误差

令Vout1=0，由公式(5)得：

解公式(6)，得：

由式(7)(8)可以看出，只有当电阻R2和R3的阻值严格相等时，即热敏电阻变化为零（ΔRt＝0）时，对应温度控制点的偏差ΔT才为零。实际情况与此偏差较大。例如，当根据式(8)(4)，若想温度工作点的偏差在 0.01℃以内，R2和R3的偏差要小于5Ω，即两者误差k2＜5‱，即使是精密电阻也很难做到。实际计算发现，如果那么即使R3和R2同时与理想值Rt0偏差 5‰（R3=R2=10kΩ± 50Ω），温度控制点的偏差ΔT也小于0.0005℃。上述分析结果说明，对于同臂电阻R2和R3无需达到 5‱的精度，仅需要对普通精密电阻严格配对，让即可消除此误差。

2.2 电阻引起的误差

由式(9)可以看出，当Vout1=0时，无论k1取何值，都有：

由热敏电阻的温度系数–500 Ω/℃，很容易求出温度控制点的偏离度为显然，要想将温度工作点的偏差控制在 0.01℃以内，R1与25℃下热敏电阻阻值Rt0的偏差需要小于5 Ω。

2.3 电源电压 VDD≠-VCC 引起的误差

如果RF=R=10kΩ，则：

显然，若正/负电源电压VDD与-VCC偏差（电源精度）5‰，则工作温度点偏差在±0.0067℃以内。

2.4 运算放大器输入失调电压引起的误差

对于理想运放，当输入信号电压为零时，输出电压也为零。而实际运放当输入信号电压为零时，输出电压不为零。为了使实际运放无信号输入时，输出电压为零，可假设在输入端人为加了一个补偿电压，该补偿电压即为输入失调电压。输入失调电压实际上是无输入信号时，输出电压折合到输入端电压的负值，表示为Voffset。

显然，如果Vout1=0，则ΔRt=0。但是，对于常用的四运放 LM124，对应的则输入失调电压引起热敏电阻与理想值的偏差为：

对应的工作温度点偏差ΔT=∓0.0044℃。另外，输入失调电压还会随着温度的变化而发生漂移，总温度点精度约为∓0.005℃。

2.5 积分电路引起的误差

理论上，积分项可将误差放大电压控制在0 mV附近。测试结果表明，PID控制电路选用LM124芯片时，单通道光源驱动电路板的误差放大电压约为20±3 mV，其中±3 mV是不同驱动电路板之间的差异。由于整个控制电路为闭环控制，其它部分的误差（包括线性电路部分）都将被积分电路归零，因此，积分电路中的运放是形成上述偏离电压的原因。该电压对应的热敏电阻与理想值的偏差为：

这将引起各仪器的控温点偏离 25℃约 0.02℃(RF=40kΩ)，不同驱动电路板之间偏差 0～0.003℃。但是，如果用高精度运放芯片OPA4277代替LM124，误差放大电压将在1.5～3.0 mV范围内变化，对应的工作温度点偏差小于±0.003℃。

2.6 总温控误差

式(18)说明：第一项为零是因为惠斯通桥两个臂的电阻R2和R3偏差可以通过电阻配对加以消除。显然，对工作点偏差的影响大小依次是热敏电阻与电阻的偏差、正/负电源精度，运算放大器输入失调电压、积分电路。对于光源11281，温度每变化0.1℃，功率变化约 3.4 μW（表 1)。上述系统工作温度点误差±0.025℃将造成光源11281功率差异约ΔP≈±0.85μW。

表1 光源功率与温控点变化之间关系Tab.1 Relation between power of light source and working point of temperature control

3 驱动电路的误差来源

3.1 指示误差

受测量仪表和输出检测电阻的影响，不同电路板驱动电流的差异可达±0.5 mA以上。利用精密10 Ω检测电阻和六位半电压表，可将该误差校正至±0.05 mA以内。

3.2 驱动电流漂移误差

受可调电位计旋钮位置偏离和温控电路干扰的影响，不同驱动电路板驱动电流的长期稳定性和全温变化略有差异。不同电路板驱动电流漂移量差异在±0.1 mA。例如，驱动电路板1的驱动电流全温变化范围为100.00～100.05 mA，驱动电路板2的驱动电流全温变化范围为100.00～100.15 mA。

在当前电路下，该误差无法消除。要消除该误差的影响，可改用数字电位计，并将温控电路与驱动电路完全隔离。

3.3 元件选配误差

目前，恒流源主要采用图2所示驱动电路[4-5]。图中Vconst和V1输入运算放大器单元进行求和运算，然后，进入电流放大单元进行电流放大，经电流放大后的电压保持不变，即：

图2 恒流源电路原理图Fig.2 Basic diagram of constant-current source circuit

其中，Vconst为恒压源的电压；V1为管芯 SLD负端电压；V2为电流放大后电压。

由于在实际电路中：

图中I1和I2分别为两个支路电流，则流过光源管芯SLD的电流ISLD为：

式中，R为取样电阻。可以看出，光源管芯SLD的注入电流ISLD只与输入电压Vconst和取样电阻R有关。只要Vconst是高精密恒压源，R为低温度系数的精密电阻，该横流源提供的注入电流ISLD就能达到非常高的精度。

在实际电路中，每块驱动电路板的R不可能完全一样，集成运放也非理想运放。这些都将造成SLD驱动电流ISLD的差异。因此，要保证恒流精度，须保证各块电路板的取样电阻R相等，以及高精度的集成运放。通过前期筛选，该误差可忽略。

综上，不同驱动板驱动电流总误差在–0.15～0.15 mA。根据测量光源光功率与驱动电流之间的关系可知（表2），对应某光源的功率误差约–1.05～1.05 μW。

表2 光源功率与驱动电流变化之间关系Tab.2 Relation between light-source power and driving current

4 总误差及改进措施

结合温控电路的误差，优化后驱动电路不一致性所引起的总功率差异约为–1.90～1.90 μW。

根据前面的理论分析，可总结光源器件筛选规范如表3所示。

按照上述器件筛选规范，生产了5块光源驱动电路板，并利用精密10 Ω检测电阻和六位半电压表，将显示误差校正至±0.05 mA以内。表4给出了按新规范生产调试的5块电路板，以及进口驱动仪对光源11281的控制效果。

测试结果表明：1）5块电路板对前面试验光源11281的最大功率误差是1.1 μW，符合理论分析结果（–1.90～1.90 μW）；2）优化后生产的驱动电路板与进口驱动仪的驱动效果非常接近，进一步证实了上述理论分析结果。

表3 驱动电路板元器件要求Tab.3 Requirements of components in drive circuit board

表4 驱动电路板一致性试验结果Tab.4 Test results for consistency of drive circuit board

5 结 论

针对目前工程化生产过程中，按照相同流程制作的驱动电路对同一光源控制效果存在差异的问题，开展了器件一致性对光纤陀螺用 SLD光源特性影响的研究。理论分析和试验结果表明：惠斯通桥两臂电阻偏差、热敏电阻与同臂电阻偏差、正/负电源精度，运算放大器输入失调电压、积分电路的运放是造成温控电路差异的五大因素；指示器误差、驱动电流漂移误差和恒流源器件选配误差是造成恒流源电路差异的主要因素；通过恰当的元器件配对、调试、更换高精度器件等措施，可大大提高电路一致性，达到同类进口驱动电路的水平。

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Influence of drive-circuit consistency on FOG SLD output

YIN Jian-ling, LU Jun, CHEN Yu-dan, MAO Shao-juan, LIU Jun
(Department of Electron and Optics Engineering, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China)

In view that the drive circuits from the same batch have discrepant control effects on the same light source, the influences of circuit consistency on the FOG SLD (super luminescent diodes) are studied. The critical points that affect the consistency of driving circuits are found, and the solution schemes are put forward,which standardize the production process of the drive circuits. Theory analysis results show that: the factors that cause the difference in temperature control circuits are the two-arm resistance deviation of Wheatstone Bridge,the resistance deviation between thermal resistor and the same-arm resistor, the asymmetry of +/- power supplies, the imbalance voltage inputted by the operational amplifier, and the errors caused by operational amplifier of integrating circuit; the factors that cause the difference of the constant current source circuits are indicator error, drive current wander error, and device selection error. A series of production specifications are proposed to eliminate or reduce the above differences, including matching, selecting, debugging, replacing, etc.Experiment results prove that the consistency of the drive circuit boards produced according to the proposed specifications is significantly increased, and can reach the level of the corresponding imported products.

circuits consistency; super luminescent diode(SLD); optical fiber gyroscope; drive circuit

1005-6734(2017)04-0518-05

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2017.04.017

U666.1

A

2017-04-12；

2017-07-26

国家高技术研究发展计划（863计划）（2012AAG3025）

殷建玲（1979—），女，讲师，从事光纤传感技术研究。E-mail: yinjianling2002@163.com