采用三個(gè)放大器芯片組成的光功率自動(dòng)控制電路

摘要：

介紹一種采用美國B-B公司三個(gè)放大器INA114、OPA177和OPA547構(gòu)成的光功率自動(dòng)控制電路。該電路具有集成度高、元件少、造價(jià)適中、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。并已在實(shí)際應(yīng)用中取得良好效果。

關(guān)鍵詞：儀表放大器電壓跟隨器功率自動(dòng)控制光纖通訊INA114INA177OPA547在光纖通訊系統(tǒng)中，光發(fā)送電路主要由光源驅(qū)動(dòng)器、光源（主要是半導(dǎo)體光源，包括LED、LD等）、光功率自動(dòng)控制電路（APC）、檢測(cè)器、溫度自動(dòng)控制（ATC）以及告警電路等部分組成。其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。要使半導(dǎo)體激光器克服供電電源波動(dòng)、器件老化等因素的影響，確保激光器輸出功率穩(wěn)定，就必須設(shè)計(jì)自動(dòng)功率控制（APC）電路。

1激光器的調(diào)制及背光耦合

為了方便進(jìn)行自動(dòng)功率控制，通常半導(dǎo)體激光器內(nèi)部將激光器LD與背向光檢測(cè)器PIN集成在一起，其典型工作特性如圖2所示。根據(jù)背向光檢測(cè)器PIN對(duì)LD的耦合特性（見圖3）可設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)耐鈬娐?，以完成?duì)LD的自動(dòng)光功率控制。

2三個(gè)主要器件

由于工作需要，我們選用美國B-B公司生產(chǎn)的三種運(yùn)算放大器INA114、OPA177和OPA547為光發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)了自動(dòng)功率控制（APC）電路，該電路具有集成度高、元件少、造價(jià)適中、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用效果較果，現(xiàn)介紹如下：INA114是一種低價(jià)格、小體積的通用儀表放大器，精度較高。由于在產(chǎn)生中采用了激光工藝，從而使INA114具有非常低的失調(diào)電壓（50μV）和溫漂（0。25μV/℃）以及很高的共模抑制比（G=1000時(shí)為115dB），工作電壓可以以低至±2。25V，很適合于電池供電的便攜式儀器或采用+5V供電的系統(tǒng)中，靜態(tài)電流最大為3mA。采用8腳塑料或陶瓷DIP封裝或16腳貼面封裝形式，工作溫度范圍為-40℃～+85℃。其8腳封裝的引腳排列如圖4所示。

OPA177是一個(gè)精密雙極性運(yùn)算放大器，它個(gè)有非常低的失調(diào)電壓（≤10μV）和溫漂（0。1μV/℃）。由于芯片內(nèi)部采用了精密的激光修整技術(shù)，因此無須外部元件調(diào)整失調(diào)電壓、輸入偏置電流和溫漂。OPA177具有非常低的靜態(tài)電流（典型值為1。5mA）和噪聲（≤150mVrms，1～100Hz條件下），因而可極大地降低漂移和誤差，從而保證芯片的精度。OPA177采用8腳塑料、陶瓷DIP封裝或SO-8貼面封裝形式。其高性能、低價(jià)格的特點(diǎn)可滿足多種精密儀器儀表的使用要求。其引腳排列如圖5所示。

OPA547也是一個(gè)低價(jià)格和高電壓/大電流運(yùn)算放大器，具有優(yōu)良有小信號(hào)放大性能，用其驅(qū)動(dòng)多種負(fù)載非常理想，可單電源或雙電源工作，在單電源工作時(shí)，輸入的共模電壓范圍可擴(kuò)展至地。而且內(nèi)部具有過溫和電流過載保護(hù)，此外，用戶還可根據(jù)需要進(jìn)行精密的限制設(shè)計(jì)，用～150μA的控制信號(hào)即可將輸出限制電流從0調(diào)整至750mA，調(diào)整器件可能是電阻、電位器或數(shù)控的具有電流或電壓輸出的數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC。啟動(dòng)/狀態(tài)（E/S）管腳可提供兩種功能，不僅可以禁止輸出從而有效斷開負(fù)載，而且還能減少靜態(tài)電流以保存電源能量。檢測(cè)E/S管腳還可用于確定OPA547是否處于過熱保護(hù)狀態(tài)。封裝形式為工業(yè)級(jí)7腳彎形的TO-220封裝和7彎腳的DDPAK表面塑封，其工作溫度范圍為-45～+85℃。OPA547的引腳排列如圖6所示。

3電路組成及工作過程

APC光功率自動(dòng)控制電路的工作原理如圖7所示。整個(gè)APC電路主要由三個(gè)集成塊構(gòu)成，光電二極管PIN用于檢測(cè)半導(dǎo)體激光器背向輸出的光功率，并轉(zhuǎn)換為光電流通過電阻R1變?yōu)殡妷盒盘?hào)加在INA114的反向輸入端。電阻R2和R4構(gòu)成參考電平，接于比較放大器INA114的正向輸入端。INA114對(duì)正向和反向輸入端的電壓差值進(jìn)行放大，電阻RG用于調(diào)節(jié)放大倍數(shù)G，其關(guān)系可用下式表示：G=1+(50kΩ/RG)V2=V1=G(V+-V-)+V3用OPA177和OPA547為核心構(gòu)成恒流源，以實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體激光器的恒流驅(qū)動(dòng)，Rf為限流電阻，肖特基二極管D2與LD反向相接，用于防止反向過沖沖擊LD，以對(duì)LD起保護(hù)作用。以O(shè)PA177構(gòu)成的電壓跟隨器用于將LD上的電壓送至INA114的Ref管腳，即V3=V4，這時(shí)流過LD的電流I可用下式科到：I=(V2-V4)/Rf=G(V+-V-)/Rf正常狀態(tài)下，LD工作在設(shè)定的工作點(diǎn)。流過LD的驅(qū)動(dòng)電流I與LD的輸出光功率保護(hù)穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。

當(dāng)激光器LD因某種原因功率增大時(shí)，耦合至光電二極管PIN的光電流也同比例增大，從而使電阻R1上的電位升高，這樣，通常狀態(tài)下的平衡被打破，使得INA114上的輸出電壓V1降低，由于V2=V1=IRRf+V4，因而電阻Rf上的電流I降低。由于渡過OPA177正向輸入端折電流可以忽略不計(jì)，則流過激光器LD的電流也相應(yīng)降低。從而達(dá)到降低LD功率的目的。當(dāng)LD光功率降低時(shí)，PIN的光電流相應(yīng)降低，INA114放大器輸出電壓升高，進(jìn)而增大LD的驅(qū)動(dòng)電流，達(dá)到增大LD功率的目的。

根據(jù)選定激光器的性能特點(diǎn)對(duì)該電路中的其它器件的參數(shù)進(jìn)行合理的選擇匹配，可以獲得非常高的控制精度。筆者采用上述電路設(shè)計(jì)的APC達(dá)到的長期穩(wěn)定性為±1%，并已成功地用于研制有關(guān)光纖傳輸系統(tǒng)中。

值得說明的是，圖中的OPA177可以用類似的芯片代替，比如OP-07，OP-77或AD707等。當(dāng)激光器LD驅(qū)動(dòng)電流大于500mA，在控制精度要求不太高的場合，可采用達(dá)林頓晶體管構(gòu)成射極跟隨器代替OPA547，以降低系統(tǒng)成本。