用運算放大器電路精確控制光的強度的案例分析

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:

在很多利用光來控制一個過程的應用中，維持恒定的光強度至關重要。有些系統采用簡單的LED或激光二極管作為光源，但是隨著時間的推移，即便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。圖1所示為這種系統的組成示意圖。

光電二極管特性

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

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。在這種情況下，光電二極管工作于反向模式。因此，當沒有光照時，光電二極管內除漏電流(也稱“暗電流”)外什么也沒有，而放大器處于過載狀態。這時將從基極吸收被連接于基極的電阻限制的電流，該電阻使晶體管最初處于飽和狀態。一旦電流開始流經晶體管，LED或激光二極管就開始發光。光電二極管將部分光能轉換為電流，流過RG。隨著電流的增加，RG兩端的電壓降也隨之升高。當該電壓接近VBIAS(圖2中接到地)時，控制環就封閉以保持正確的晶體管驅動電壓以及恒定的LED電流，從而維持恒定的光強度(或光電二極管電流)。這就是基本的電路DC分析。

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。