如何用运算放大器电路精确控制光的强度

HelloRocky

国家半导体公司 Richard F. Zarr

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:



在很多利用光来控制一个过程的应用中，维持恒定的光强度至关重要。有些系统采用简单的LED或激光二极管作为光源，但是随着时间的推移，即便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。图1所示为这种系统的组成示意图。

光电二极管特性

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



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。在这种情况下，光电二极管工作于反向模式。因此，当没有光照时，光电二极管内除漏电流(也称“暗电流”)外什么也没有，而放大器处于过载状态。这时将从基极吸收被连接于基极的电阻限制的电流，该电阻使晶体管最初处于饱和状态。一旦电流开始流经晶体管，LED或激光二极管就开始发光。光电二极管将部分光能转换为电流，流过RG。随着电流的增加，RG两端的电压降也随之升高。当该电压接近VBIAS(图2中接到地)时，控制环就封闭以保持正确的晶体管驱动电压以及恒定的LED电流，从而维持恒定的光强度(或光电二极管电流)。这就是基本的电路DC分析。



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0.2×10E-6或20.0k。

采用一个4.7k的电阻来限制PN200A PNP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。