简介
在光纤电信体系中，激光二极管用作发送信号的发射激光器，以及掺铒光纤放大器(EDFA)和光放大器(SOA)的泵激光器。在这些运用中，激光器的特性(包括波长、均匀光功率、功率和消光比)有必要坚持稳定以保证电信体系的全体功用杰出。可是，这些特性取决于激光器的温度：只需温度发生漂移，波长就会改动，转化功率将会下降。要求的温度稳定性介于±0.001°C至±0.5°C，详细数值视运用而定。
为了操控温度，需求一个由热敏电阻、热电冷却器(TEC)和TEC操控器组成的环路。热敏电阻的阻值与温度成份额改动(反比或正比，取决于热敏电阻类型)，当装备为分压器时，可运用它来将温度转化为电压。TEC操控器将该反应电压与代表方针温度的基准电压进行比较，然后操控流经TEC的电流，然后调整TEC传输的热量。
上述体系的一般框图如图1所示。激光二极管、TEC和热敏电阻坐落激光模块内部。TEC操控器ADN8833或ADN8834读取热敏电阻的反应电压，并向TEC供给驱动电压。运用微操控器监测和操控热环路。留意，热环路也可以在模仿电路中构建。ADN8834内置两个零漂移斩波放大器，可将其用作PID补偿器。
本文将阐明电信体系中激光二极管热操控体系的组成，并介绍首要器材的关健标准。本文的意图是从体系视点论述各项规划考虑，为规划人员构建一个具有杰出温度操控精度、低损耗、小尺度的高功用体系供给全局性攻略。
图1.激光模块的温度操控体系
TEC：热电冷却技能
热电冷却器包括两片外表陶瓷板，其间替换放置P型和N型半导体阵列，如图2所示。
当电流流经这些导体时，热量将在一端吸收并在另一端开释;当电流方向相反时，热传输也会反向。该进程称为珀尔帖效应。N型半导体中的载流子是电子，因而，其载流子和热量从阳极流向阴极。对面的P型半导体具有空穴载流子，热量也沿相反方向活动。
图2.带散热器的TEC模块
取一对P-N半导体对，用金属板将其衔接起来，如图3所示;当电流流过期，热量将沿一个方向传输。
改动直流电压的极性可改动热传输方向，传输的热量与电压起伏成份额。因为既简略又鲁棒，热电冷却被广泛用于电信体系的热调度。
图3.珀尔帖效应：P-N半导体对的暖流
挑选TEC模块
挑选TEC模块时，需求考虑体系中的许多要素，如环境温度、方针方针温度、热负荷、电源电压和模块的物理特性等。有必要细心评价热负荷，保证所选TEC模块有满意的容量来将热量从体系泵出以坚持方针温度。TEC模块制造商在数据手册中一般会供给两条功用曲线。一条曲线显现电源电压范围内不同温差(ΔT)下的热传输容量，另一条曲线显现电源电压和ΔT的不同组合所需求的冷却/加热电流。规划人员可以估量模块的功率容量，确认它能否满意特定运用需求。
TEC操控器操作和体系规划
为了运用TEC补偿温度，TEC操控器应能依据反应差错发生可逆差分电压，并供给恰当的电压和电流限值。图4为ADN8834的简化体系框图。首要功用模块包括温度检测电路、差错放大器和补偿器、TEC电压/电流检测和限值电路、差分电压驱动器。
图4.单芯片TEC操控器ADN8834功用框图
差分电压驱动器
TEC操控器输出一个差分电压，使得经过TEC的电流可以带走衔接到TEC的方针的热量，或许平稳地变为相反极性以加热该方针。电压驱动器可以是线性形式、开关形式或混合电桥。线性形式驱动器更简略且更小，但功率欠安。开关形式驱动器具有杰出的功率——高达90%以上——但输出端需求额定的滤波电感和电容。ADN8833和ADN8834运用混合装备，含有一个线性驱动器和一个开关形式驱动器，体积较大滤波元件的数量折半，一起可以坚持高功率功用。
电压驱动器规划对操控器至关重要，因为它占用了大部分功耗和电路板空间。优化的驱动器级有助于最大程度地减缩功率损耗、电路尺度、散热器需求和本钱。
运用NTC热敏电阻检测温度
图5显现了负温度系数(NTC)热敏电阻在温度范围内的阻抗。因为它与温度具有相关性，因而可将其衔接为分压器，然后将温度转化为电压。典型衔接如图6所示。当RTH随温度而改动时，VFB也会改动。添加一个Rx与热敏电阻串联，便可相关于VREF将温度电压传递函数线性化，如图7所示。有必要将其与模块壳内部的激光器严密耦合，阻隔外部温度动摇影响，使其能准确检测温度。
图5.NTC阻抗与温度的联系曲线
图6.NTC热敏电阻衔接为分压器以将温度转化为电压
图7.VFB与温度的联系
差错放大器和补偿器
模仿热反应环路包括两级，由两个放大器构成，如图8所示。第一个放大器接受热反应电压(VFB)，将该输入转化或调理为线性电压输出。此电压代表方针温度，馈入补偿放大器中，与温度设定电压进行比较，发生一个与二者之差成份额的差错电压。第二个放大器一般用来构建一个PID补偿器，后者包括一个极低频率极点、两个不同的较高频率零点和两个高频极点，如图8所示。
PID补偿器可经过数学办法或经历办法确认。要从数学上模仿热环路，需求TEC、激光二极管、衔接器和散热器的准确热时刻常数，这不太简单取得。运用经历办法调谐补偿器更为常见。经过假定温度设定端具有某个阶跃函数并改动方针温度，规划人员可以调整补偿网络，使TEC温度的树立时刻最短。
急进补偿器会对热扰动快速作出反应，但也很简单变得不稳定，而保存补偿器树立得较慢，但能耐受热扰动，发生过冲的或许性更小。体系稳定性和呼应时刻之间有必要到达平衡。
图8.运用ADN8834内部两个斩波放大器的热反应环路图
TEC操控器体系的要害功用
温度调理精度
有时候，即使PID补偿器规划妥当，稳态差错仍会存在。下面是或许引起该差错的几个要素。
TEC热功率预算：规划该体系时，TEC和电源电压是最早选定的作业。可是，因为热负荷不简单估量，挑选或许不正确。某些情况下，若将最大功率运用于TEC但仍不能到达方针温度，或许意味着热功率预算不足以处理热负荷。进步电源电压或挑选具有更高功率额定值的TEC可解决这个问题。
基准电压源一致性：基准电压源会随温度和时刻而漂移，关于闭合热环路，这一般不是问题。可是，尤其是在数字操控体系中，TEC操控器和微操控器的基准电压源或许有不同的漂移，引起补偿器不会发觉的差错。主张这两个电路选用相同的基准源，用具有较高驱动才能的电压掩盖另一电压。
温度检测：为使温度差错最小，准确检测负载温度十分重要。任何来自反应的差错都会进入体系，补偿器相同不能纠正这种差错。运用高精度热敏电阻和自稳零放大器可防止差错。热敏电阻的安置也很重要。保证将它安装到激光器上，以便可以读取咱们要操控的实践温度。
功率
TEC操控器的大部分功耗是由驱动器级耗费的。在ADN8833/ADN8834中，线性驱动器的功耗可依据输入至输出压降和负载电流直接得出。开关形式驱动器的损耗较为杂乱，大致可分解为三部分：传导损耗、开关损耗和转化损耗。传导损耗与FET的RDSON和滤波电感的直流电阻成份额。挑选低电阻元件可下降传导损耗。开关损耗和转化损耗高度依赖于开关频率。频率越高，损耗越高，但无源元件尺度可减小。为完成最优规划，有必要细心权衡功率与空间。
噪声和纹波
ADN8833/ADN8834中的开关形式驱动器以2 MHz频率切换，快速PWM开关时钟沿包括很宽的频谱，会在TEC端发生电压纹波，并且在整个体系中发生噪声。添加恰当的去耦和纹波按捺电容可下降噪声和纹波。
关于开关形式电源常用的降压拓扑，电源电压轨上的纹波首要由PWM FET斩波的断续电流所引起。并联运用多个SMT陶瓷电容可下降ESR(等效串联电阻)并在部分给电源电压去耦。在开关形式驱动器输出节点，电压纹波由滤波电感的电流纹波引起。为按捺此纹波，应在驱动器输出端到地之间并联运用多个SMT陶瓷电容。纹波电压首要由电容ESR与电感纹波电流的乘积决议：ΔV_TEC = ESR × ΔI_L并联运用多个%&&&&&%可有用下降等效ESR。
定论
规划电信体系中激光二极管的TEC操控器体系是一项很杂乱的作业。除了热精度方面的应战之外，封装尺度一般十分小，功耗容差也很低。一般来说，规划精巧的TEC操控器应具有如下长处：
精准温度调理
高功率
板尺度很小
低噪声
电流和电压监控与维护
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