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    實例探討:如何精確放大器電路的光強度

    發布時間:2015-03-21 責任編輯:sherryyu

    【導讀】在利用光來控制一個過程的應用中,要長期保持工廠設定的發光強度需要一個控制電路來監控發光狀況,并控制供給光發射器件的電流以保持輸出恒定,采用一個簡單的運算放大器電路就可為許多應用提供精確的光強度。即便發光器件老化,通過調整LED電流,一個控制環也可維持恒定的光強度。
      
    本文討論了該電路的一個實例:
    電路的一個實例
    圖1
      
    隨著時間的推移,最初校準得很好的光源也會變差。隨著LED的老化,其電流-發光轉換比率會降低,發光強度也會變弱。要長期保持工廠設定的發光強度需要一個控制電路來監控發光狀況,并控制供給光發射器件的電流以保持輸出恒定。這種配置適合以下應用:用于精確光強度測量的光強度測定應用、針對伺服系統精確光定位的控制應用,以及光參考測試設備等。
      
    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PN結組成的半導體器件,也具有單方向導電特性。但在電路中它不是作整流元件,而是把光信號轉換成電信號的光電傳感器件。普通二極管在反向電壓作用時處于截止狀態,只能流過微弱的反向電流,光電二極管在設計和制作時盡量使PN結的面積相對較大,以便接收入射光。光電二極管是在反向電壓作用下工作的,沒有光照時,反向電流極其微弱,叫暗電流;有光照時,反向電流迅速增大到幾十微安,稱為光電流。光的強度越大,反向電流也越大。光的變化引起光電二極管電流變化,這就可以把光信號轉換成電信號,成為光電傳感器件。
      
    硅光電二極管跟PN結二極管的結構類似,只不過前者的P層有點薄。P層厚度可進行調整以使光的波長能被檢測到。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極,可工作于正向模式(電流從正極流向負極)或反向模式(電流從負極流向正極)。當光電二極管工作于反向模式(正極為負)時,在某一給定頻率上其發光線性特別好,這在設計控制電路時尤其有用。
      
    原型設計
    原型設計
    圖2
      
    在圖2中,一個原型電路用于分析帶運算放大器的控制環。該電路驅動一個PNP晶體管,晶體管再給LED提供電流來產生光源。LED所發出的部分光會照到光電二極管上,再轉換成很小的電流,一般只有10μA左右。
    電路的一個實例
    圖3
      
    圖3給出了該電路的一個實例,它采用國家半導體公司的LMV2011精密運算放大器。參考電壓由該公司的LM4041-1.2器件產生,它提供固定的1.225V參考電壓,該器件的電流設定為約10mA,正處于其工作范圍的中間。VBIAS由兩個精度為1%的電阻產生,電壓值設定為約1V。VREF和VBIAS之間的差值除以RG,就可得出控制環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應該為0.2×10E-6或20.0k。
      
    采用一個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,將一個限流電阻與LED或激光二極管串聯,使該二極管達到最大工作負荷,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定性,選用一個15pF的電容與光電二極管電容并聯(在1.2VBIAS時其電容大小也約為15pF),從而將放大器的工作頻率限定在250kHz左右。
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