控制光强度运算放大器电路设计详解

来源:互联网 作者:秩名2015年03月23日 11:44
  在利用光来控制一个过程的应用中,要长期保持工厂设定的发光强度需要一个控制电路来监控发光状况,并控制供给光发射器件的电流以保持输出恒定,采用一个简单的运算放大器电路就可为许多应用提供精确的光强度。即便发光器件老化,通过调整LED电流,一个控制环也可维持恒定的光强度。   本文讨论了该电路的一个实例:   控制光强度运算放大器电路设计详解   图1   随着时间的推移,最初校准得很好的光源也会变差。随着LED的老化,其电流-发光转换比率会降低,发光强度也会变弱。要长期保持工厂设定的发光强度需要一个控制电路来监控发光状况,并控制供给光发射器件的电流以保持输出恒定。这种配置适合以下应用:用于精确光强度测量的光强度测定应用、针对伺服系统精确光定位的控制应用,以及光参考测试设备等。   光电二极管特性   光电二极管(Photo-Diode)和普通二极管一样,也是由一个PN结组成的半导体器件,也具有单方向导电特性。但在电路中它不是作整流元件,而是把光信号转换成电信号的光电传感器件。普通二极管在反向电压作用时处于截止状态,只能流过微弱的反向电流,光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相对较大,以便接收入射光。光电二极管是在反向电压作用下工作的,没有光照时,反向电流极其微弱,叫暗电流;有光照时,反向电流迅速增大到几十微安,称为光电流。光的强度越大,反向电流也越大。光的变化引起光电二极管电流变化,这就可以把光信号转换成电信号,成为光电传感器件。硅光电二极管跟PN结二极管的结构类似,只不过前者的P层有点薄。P层厚度可进行调整以使光的波长能被检测到。跟其它二极管一样,光电二极管也有电容,电容大小与加在其上的反偏压成正比,典型值范围为2-20pF。   光电二极管有正极和负极,可工作于正向模式(电流从正极流向负极)或反向模式(电流从负极流向正极)。当光电二极管工作于反向模式(正极为负)时,在某一给定频率上其发光线性特别好,这在设计控制电路时尤其有用。   原型设计   控制光强度运算放大器电路设计详解   图2   在图2中,一个原型电路用于分析带运算放大器的控制环。该电路驱动一个PNP晶体管,晶体管再给LED提供电流来产生光源。LED所发出的部分光会照到光电二极管上,再转换成很小的电流,一般只有10μA左右。   控制光强度运算放大器电路设计详解   图3   图3给出了该电路的一个实例,它采用国家半导体公司的LMV2011精密运算放大器。参考电压由该公司的LM4041-1.2器件产生,它提供固定的1.225V参考电压,该器件的电流设定为约10mA,正处于其工作范围的中间。   VBIAS由两个精度为1%的电阻产生,电压值设定为约1V。VREF和VBIAS之间的差值除以RG,就可得出控制环封闭的光电二极管电流。要注意的是,VBIAS须小于VREF,否则电路不能工作。如果光电二极管电流为10mA,那么RG应该为0.2&TImes;10E-6或20.0k。   采用一个4.7k的电阻来限制PN200APNP晶体管基极电流,该电阻将电流限定在1mA左右。该晶体管的(值约为100,因此它所提供的最大电流约为 100mA,这已经超出小型SOT-23封装的散热范围。为防止晶体管的过高热量,将一个限流电阻与LED或激光二极管串联,使该二极管达到最大工作负荷,从而限定晶体管集电极的电流。如果需要更大的电流,则须选用集电极电流大的晶体管,而且要采用SOT-223等较大的封装。为了限定电路带宽以维持稳定性,选用一个15pF的电容与光电二极管电容并联(在1.2VBIAS时其电容大小也约为15pF),从而将放大器的工作频率限定在250kHz左右。
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