激光二極管發(fā)射控制的精密方法

2004年10月B版

在許多利用光來(lái)控制一個(gè)過(guò)程的應(yīng)用中，保持恒定的亮度是很重要的。在一些系統(tǒng)中，使用一個(gè)簡(jiǎn)單的 LED 或激光二極管來(lái)產(chǎn)生光源，以提供照明，但是，即使進(jìn)行了初始校準(zhǔn)，光源仍會(huì)隨著時(shí)間而退化。隨著 LED 老化，其“電流對(duì)光”發(fā)射比率會(huì)降低，亮度也會(huì)下降。如果要始終保持出廠時(shí)設(shè)置的發(fā)射能量，就需要一個(gè)控制電路來(lái)監(jiān)控發(fā)射，并控制供應(yīng)至光發(fā)射器的電流，以保持輸出恒定。這樣的配置可應(yīng)用于光度測(cè)定中，以獲得精確的亮度；亦可用在控制應(yīng)用中，以進(jìn)行伺服裝置的精確光學(xué)定位；還可用在測(cè)試設(shè)備中，用于光學(xué)參考。圖 1 是此類系統(tǒng)的一個(gè)框圖。

光電二極管 101
硅光電二極管的構(gòu)造方式與 PN 結(jié)二極管的構(gòu)造方式相似，不過(guò) P 層很薄。P 層的厚度是根據(jù)待檢測(cè)光波長(zhǎng)來(lái)調(diào)節(jié)的。光電二極管也具有電容，這同非光電二極管一樣，該電容與光電二極管上施加的反向偏置電壓成正比。典型值的變化范圍為 2-20 pF。 光電二極管具有兩個(gè)端子--陰極與陽(yáng)極。
光電二極管可用于正向模式(電流從陽(yáng)極流向陰極)或反向模式(電流從陰極流向陽(yáng)極)。當(dāng)在反向模式中使用光電二極管時(shí)(陽(yáng)極為負(fù))，與既定頻率的照度成高度線性關(guān)系，這是一個(gè)好處。因?yàn)楫?dāng)成線性關(guān)系時(shí)，構(gòu)建控制電路會(huì)容易很多。

圖1  常規(guī)系統(tǒng)示意圖

圖2 原型控制電路

圖3 控制電路的具體實(shí)施方式

原型設(shè)計(jì)
獠淮嬖謔保�詮獾綞™極管中只有漏電流(也稱為“暗電流”)，同時(shí)放大器會(huì)變成過(guò)載。該狀況從初始狀態(tài)為飽和的晶體管底部抽取由電阻器限制的電流。
一旦電流開(kāi)始流經(jīng)晶體管，LED 或激光二極管將開(kāi)始發(fā)光。光電二極管將一部分光轉(zhuǎn)換成電流，這部分電流流經(jīng) RG。隨著電流增加，RG 上形成的電壓降也隨之增加。當(dāng)該電壓接近 VBIAS(在圖 2 中為地)時(shí)，環(huán)路將關(guān)閉并對(duì)晶體管維持正確的驅(qū)動(dòng)，以維持 LED 中的電流，從而保持一個(gè)恒定的亮度級(jí)(或光電二極管中的電流)。這就形成電路直流分析的基礎(chǔ)。圖 3 顯示了該電路的具體實(shí)施方式，它使用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的 LMV2011 高精度運(yùn)算放大器。在產(chǎn)生參考電壓方面, 則使用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的 LM4041-1.2 分路，提供固定的 1.225V 參考電壓。在該參考中，電流設(shè)置在大約 10 mA，這是其工作范圍的中間值。
 的電阻器限制，將電流限制設(shè)定約為 1mA。 該晶體管具有約為 100 的電流放大系數(shù)， 所以晶體管能提供的最大電流約為 100mA，這將超過(guò)微型 SOT-23 封裝的熱耗散。為防止晶體管中的熱逸散，與 LED 或激光二極管串連的電阻器將集電極電流限制為二極管的最大工作值。如果需要更多的電流，應(yīng)該聯(lián)合使用具有較大集電極電流的晶體管和諸如 SOT-223 的較大封裝。為了限制電路的帶寬從而保持穩(wěn)定，可使用一個(gè)與光電二極管電容(大約為 15pF，VBIAS 為 1.2)并聯(lián)的 15pF 電容，使放大器在約 250KHz 處工作。

結(jié)語(yǔ)
如果擁有如上所示的簡(jiǎn)單運(yùn)算放大器，為許多不同應(yīng)用設(shè)備創(chuàng)造一個(gè)精確的亮度就變得容易了。即使當(dāng)光發(fā)射器老化時(shí)，控制環(huán)路通過(guò)調(diào)節(jié) LED 中的電流，也能維持一個(gè)恒定的亮度?！?/p>