用運(yùn)算放大器電路精確控制光的強(qiáng)度的案例分析

利用光來控制一個(gè)過程的應(yīng)用中，要長(zhǎng)期保持工廠設(shè)定的發(fā)光強(qiáng)度需要一個(gè)控制電路來監(jiān)控發(fā)光狀況，并控制供給光發(fā)射器件的電流以保持輸出恒定，采用一個(gè)簡(jiǎn)單的運(yùn)算放大器電路就可為許多應(yīng)用提供精確的光強(qiáng)度。即便發(fā)光器件老化，通過調(diào)整LED電流，一個(gè)控制環(huán)也可維持恒定的光強(qiáng)度。

本文討論了該電路的一個(gè)實(shí)例:

在很多利用光來控制一個(gè)過程的應(yīng)用中，維持恒定的光強(qiáng)度至關(guān)重要。有些系統(tǒng)采用簡(jiǎn)單的LED或激光二極管作為光源，但是隨著時(shí)間的推移，即便最初校準(zhǔn)得很好的光源也會(huì)變差。隨著LED的老化，其電流-發(fā)光轉(zhuǎn)換比率會(huì)降低，發(fā)光強(qiáng)度也會(huì)變?nèi)酢Ｒ�長(zhǎng)期保持工廠設(shè)定的發(fā)光強(qiáng)度需要一個(gè)控制電路來監(jiān)控發(fā)光狀況，并控制供給光發(fā)射器件的電流以保持輸出恒定。這種配置適合以下應(yīng)用：用于精確光強(qiáng)度測(cè)量的光強(qiáng)度測(cè)定應(yīng)用、針對(duì)伺服系統(tǒng)精確光定位的控制應(yīng)用，以及光參考測(cè)試設(shè)備等。圖1所示為這種系統(tǒng)的組成示意圖。

光電二極管特性

硅光電二極管跟PN結(jié)二極管的結(jié)構(gòu)類似，只不過前者的P層有點(diǎn)薄。P層厚度可進(jìn)行調(diào)整以使光的波長(zhǎng)能被檢測(cè)到。跟其它二極管一樣，光電二極管也有電容，電容大小與加在其上的反偏壓成正比，典型值范圍為2-20pF。

光電二極管有正極和負(fù)極，可工作于正向模式(電流從正極流向負(fù)極)或反向模式(電流從負(fù)極流向正極)。當(dāng)光電二極管工作于反向模式(正極為負(fù))時(shí)，在某一給定頻率上其發(fā)光線性特別好，這在設(shè)計(jì)控制電路時(shí)尤其有用。

原型設(shè)計(jì)

在圖2中，一個(gè)原型電路用于分析帶運(yùn)算放大器的控制環(huán)。該電路驅(qū)動(dòng)一個(gè)PNP晶體管，晶體管再給LED提供電流來產(chǎn)生光源。LED所發(fā)出的部分光會(huì)照到光電二極管上，再轉(zhuǎn)換成很小的電流，一般只有10μA左右。在這種情況下，光電二極管工作于反向模式。因此，當(dāng)沒有光照時(shí)，光電二極管內(nèi)除漏電流(也稱“暗電流”)外什么也沒有，而放大器處于過載狀態(tài)。這時(shí)將從基極吸收被連接于基極的電阻限制的電流，該電阻使晶體管最初處于飽和狀態(tài)。一旦電流開始流經(jīng)晶體管，LED或激光二極管就開始發(fā)光。光電二極管將部分光能轉(zhuǎn)換為電流，流過RG。隨著電流的增加，RG兩端的電壓降也隨之升高。當(dāng)該電壓接近VBIAS(圖2中接到地)時(shí)，控制環(huán)就封閉以保持正確的晶體管驅(qū)動(dòng)電壓以及恒定的LED電流，從而維持恒定的光強(qiáng)度(或光電二極管電流)。這就是基本的電路DC分析。

圖3給出了該電路的一個(gè)實(shí)例，它采用國(guó)家半導(dǎo)體公司的LMV2011精密運(yùn)算放大器。參考電壓由該公司的LM4041-1.2器件產(chǎn)生，它提供固定的1.225V參考電壓，該器件的電流設(shè)定為約10mA，正處于其工作范圍的中間。

VBIAS由兩個(gè)精度為1%的電阻產(chǎn)生，電壓值設(shè)定為約1V。VREF和VBIAS之間的差值除以RG，就可得出控制環(huán)封閉的光電二極管電流。要注意的是，VBIAS須小于VREF，否則電路不能工作。如果光電二極管電流為10mA，那么RG應(yīng)該為0.2×10E-6或20.0k。

采用一個(gè)4.7k的電阻來限制PN200APNP晶體管基極電流，該電阻將電流限定在1mA左右。該晶體管的(值約為100，因此它所提供的最大電流約為100mA，這已經(jīng)超出小型SOT-23封裝的散熱范圍。為防止晶體管的過高熱量，將一個(gè)限流電阻與LED或激光二極管串聯(lián)，使該二極管達(dá)到最大工作負(fù)荷，從而限定晶體管集電極的電流。如果需要更大的電流，則須選用集電極電流大的晶體管，而且要采用SOT-223等較大的封裝。為了限定電路帶寬以維持穩(wěn)定性，選用一個(gè)15pF的電容與光電二極管電容并聯(lián)(在1.2VBIAS時(shí)其電容大小也約為15pF)，從而將放大器的工作頻率限定在250kHz左右。