基于量子级联激光器气体传感器的电路设计

摘要

量子级联激光器的宽调谐范围、高输出功率及单模工作特性使其非常适用于高分辨率光谱分析。结合中红外波段气体分子的基频强吸收特性，基于量子级联激光器吸收光谱的气体检测技术具有灵敏度高、选择性强及快速响应等特点，已经逐步成为痕量气体检测的最佳方法。
　　 然而量子级联激光器对工作环境要求非常苛刻，并且价格昂贵，过流过热容易损坏，这些特点增加了其驱动电路的设计难度，并且在一定程度上影响检测系统的集成设计和现场探测应用。基于此，论文设计了高精度纳秒级量子级联激光器脉冲驱动系统和光电探测器系统，绘制出原理图并对器件选型和关键参数计算做了详细分析。激光器脉冲驱动系统包含低噪声电源、脉冲合成、恒流驱动、过流保护、过功率保护和激光器温度控制电路;光电探测器系统包含电流-电压转换、低通滤波、可编程增益放大、同步采样和探测器温度控制等电路。系统采用高集成度设计，将各个功能电路集成于一体，配合结构设计，大大减小了系统的体积，非常适合于现场应用和便携式应用。
　　 系统分别可以进行整体电路仿真和独立功能电路仿真，仿真结果显示，激光器驱动电流脉冲幅值高达1.1A，并支持在0.6A～1.1A之间进行1KHz～10KHz正弦调制;脉冲宽度可以随意调节，最小可以达到10ns，并且保持上升时间和下降时间分别在3.5ns内;过流和过功率保护阈值可以分别设定，保护电路响应时间在8ns以内。探测器系统可以把微安级别电流经过滤波和可编程增益后调整到AD转换器的输入范围，并保持较高的信噪比。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 量子级联激光器

1．2 量子级联激光器应用

1．3 当前研究现状

1．4 论文组织结构

第二章 系统检测理论分析

2．1 系统检测原理

2．2 比尔-朗伯定律

2．3 谐波检测原理

第三章 量子级联激光器驱动系统

3．1 激光器参数

3．2 设计指标

3．3 驱动方案

3．4 脉冲发生电路

3．5 恒流驱动电路

3．5．1 恒流方案设计

3．5．2 晶体管选型

3．5．3 驱动电路实现

3．6 保护电路

3．6．1 功率保护

3．6．2 过流保护和逻辑控制

3．7 温度控制

第四章 探测器系统

4．1 MCT探测器

4．2 设计目标

4．3 电流-电压转换

4．4 后级信号处理

4．5 低噪声设计

第五章 控制部分与系统电源

5．1 控制部分

5．2 驱动系统电源设计

5．3 探测器系统电源设计

5．4 电源芯片选型

5．4．1 DC／DC选型

5．4．2 LDO选型

第六章 系统仿真测试

6．1 偏移电压仿真

6．2 脉冲性能测试

6．3 保护电路测试

6．4 探测器系统仿真

第七章 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间参加科研情况