實(shí)例探討:如何精確放大器電路的光強(qiáng)度
發(fā)布時(shí)間:2015-03-21 責(zé)任編輯:sherryyu
【導(dǎo)讀】在利用光來控制一個(gè)過程的應(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)酢RL(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,而是把光信?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(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。
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