控制光強度運算放大器電路設計詳解

　　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(fā)光強度需要一個控制電路來監(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(fā)光器件老化，通過調整LED電流，一個控制環(huán)也可維持恒定的光強度。

　　本文討論了該電路的一個實例：

　　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(fā)光轉換比率會降低，發(fā)光強度也會變弱。要長期保持工廠設定的發(fā)光強度需要一個控制電路來監(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用：用于精確光強度測量的光強度測定應用、針對伺服系統(tǒng)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(tài)，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(fā)光線性特別好，這在設計控制電路時尤其有用。

　　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(huán)。該電路驅動一個PNP晶體管，晶體管再給LED提供電流來產(chǎn)生光源。LED所發(fā)出的部分光會照到光電二極管上，再轉換成很小的電流，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(chǎn)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(chǎn)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(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應該為0.2&TImes;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(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，將一個限流電阻與LED或激光二極管串聯(lián)，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(wěn)定性，選用一個15pF的電容與光電二極管電容并聯(lián)（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。