在光纖電信系統中，激光二極管用作發送信號的發射激光器，以及摻鉺光纖放大器(EDFA)和半導體光放大器(SOA)的泵激光器。在這些應用中，激光器的特性(包括波長、平均光功率、效率和消光比)必須保持穩定以確保電信系統的整體性能良好。然而，這些特性取決于激光器的溫度：只要溫度發生漂移，波長就會改變，轉換效率將會降低。要求的溫度穩定性介于±0.001°C至±0.5°C，具體數值視應用而定。

為了控制溫度，需要一個由熱敏電阻、熱電冷卻器(TEC)和TEC控制器組成的環路。熱敏電阻的阻值與溫度成比例變化(反比或正比，取決于熱敏電阻類型)，當配置為分壓器時，可利用它來將溫度轉換為電壓。TEC控制器將該反饋電壓與代表目標溫度的基準電壓進行比較，然后控制流經TEC的電流，從而調整TEC傳輸的熱量。

上述系統的一般框圖如圖1所示。激光二極管、TEC和熱敏電阻位于激光模塊內部。TEC控制器ADN8833或ADN8834讀取熱敏電阻的反饋電壓，并向TEC提供驅動電壓。使用微控制器監測和控制熱環路。注意，熱環路也可以在模擬電路中構建。ADN8834內置兩個零漂移斬波放大器，可將其用作PID補償器。

本文將說明電信系統中激光二極管熱控制系統的組成，并介紹主要器件的關健規格。本文的目的是從系統角度闡述各項設計考慮，為設計人員構建一個具有良好溫度控制精度、低損耗、小尺寸的高性能系統提供全局性指南。

TEC：熱電冷卻技術

熱電冷卻器包括兩片表面陶瓷板，其間交替放置P型和N型半導體陣列，如圖2所示。

當電流流經這些導體時，熱量將在一端吸收并在另一端釋放；當電流方向相反時，熱傳輸也會反向。該過程稱為珀爾帖效應。N型半導體中的載流子是電子，因此，其載流子和熱量從陽極流向陰極。對面的N型半導體具有空穴載流子，熱量也沿相反方向流動。

取一對P-N半導體對，用金屬板將其連接起來，如圖3所示；當電流流過時，熱量將沿一個方向傳輸。

改變直流電壓的極性可改變熱傳輸方向，傳輸的熱量與電壓幅度成比例。由于既簡單又魯棒，熱電冷卻被廣泛用于電信系統的熱調理。

如何選擇TEC模塊

選擇TEC模塊時，需要考慮系統中的許多因素，如環境溫度、對象目標溫度、熱負荷、電源電壓和模塊的物理特性等。必須認真評估熱負荷，確保所選TEC模塊有足夠的容量來將熱量從系統泵出以維持目標溫度。

TEC模塊制造商在數據手冊中通常會提供兩條性能曲線。一條曲線顯示電源電壓范圍內不同溫差(ΔT)下的熱傳輸容量，另一條曲線顯示電源電壓和ΔT的不同組合所需要的冷卻/加熱電流。設計人員可以估計模塊的功率容量，確定它能否滿足特定應用需要。

TEC控制器操作和系統設計

為了利用TEC補償溫度，TEC控制器應能根據反饋誤差產生可逆差分電壓，并提供適當的電壓和電流限值。圖4為ADN8834的簡化系統框圖。主要功能模塊包括溫度檢測電路、誤差放大器和補償器、TEC電壓/電流檢測和限值電路、差分電壓驅動器。

差分電壓驅動器

TEC控制器輸出一個差分電壓，使得通過TEC的電流可以帶走連接到TEC的對象的熱量，或者平穩地變為相反極性以加熱該對象。電壓驅動器可以是線性模式、開關模式或混合電橋。線性模式驅動器更簡單且更小，但效率不佳。開關模式驅動器具有良好的效率——高達90%以上——但輸出端需要額外的濾波電感和電容。ADN8833和ADN8834使用混合配置，含有一個線性驅動器和一個開關模式驅動器，體積較大濾波元件的數量減半，同時能夠保持高效率性能。

電壓驅動器設計對控制器至關重要，因為它占用了大部分功耗和電路板空間。優化的驅動器級有助于最大程度地縮減功率損耗、電路尺寸、散熱器需求和成本。

如何利用NTC熱敏電阻檢測溫度

圖5顯示了負溫度系數(NTC)熱敏電阻在溫度范圍內的阻抗。由于它與溫度具有相關性，因此可將其連接為分壓器，從而將溫度轉換為電壓。

典型連接如圖6所示。當RTH隨溫度而變化時，VFB也會變化。

增加一個Rx與熱敏電阻串聯，便可相對于VREF將溫度電壓傳遞函數線性化，如圖7所示。必須將其與模塊殼內部的激光器緊密耦合，隔絕外部溫度波動影響，使其能精確檢測溫度。

誤差放大器和比較器

模擬熱反饋環路包括兩級，由兩個放大器構成，如圖8所示。第一個放大器接受熱反饋電壓(VFB)，將該輸入轉換或調節為線性電壓輸出。此電壓代表對象溫度，饋入補償放大器中，與溫度設定電壓進行比較，產生一個與二者之差成比例的誤差電壓。第二個放大器通常用來構建一個PID補償器，后者包括一個極低頻率極點、兩個不同的較高頻率零點和兩個高頻極點，如圖8所示。