控制光強(qiáng)度運(yùn)算放大器電路設(shè)計(jì)詳解

　　在利用光來(lái)控制一個(gè)過(guò)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(lái)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(guò)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：

　　圖1

　　隨著時(shí)間的推移，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)?。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(lái)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。

　　光電二極管特性

　　光電二極管（Photo-Diode）和普通二極管一樣，也是由一個(gè)PN結(jié)組成的半導(dǎo)體器件，也具有單方向?qū)щ娞匦?。但在電路中它不是作整流元件，而是把?a target="_blank">信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的光電傳感器件。普通二極管在反向電壓作用時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)，只能流過(guò)微弱的反向電流，光電二極管在設(shè)計(jì)和制作時(shí)盡量使PN結(jié)的面積相對(duì)較大，以便接收入射光。光電二極管是在反向電壓作用下工作的，沒(méi)有光照時(shí)，反向電流極其微弱，叫暗電流；有光照時(shí)，反向電流迅速增大到幾十微安，稱為光電流。光的強(qiáng)度越大，反向電流也越大。光的變化引起光電二極管電流變化，這就可以把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，成為光電傳感器件。硅光電二極管跟PN結(jié)二極管的結(jié)構(gòu)類似，只不過(guò)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)

　　圖2

　　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(lái)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。

　　圖3

　　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(lái)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(guò)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。