基于斬波自動(dòng)穩(wěn)零運(yùn)算放大器的激光器平均光功率控制

在電子電路設(shè)計(jì)中，經(jīng)常需要放大微弱的直流信號(hào)或緩慢變化的信號(hào)。而一般集成運(yùn)算放大器都是利用參數(shù)補(bǔ)償原理的直接耦合或者阻容耦合放大器，它們的初始失調(diào)參數(shù)并不等于零，而是用調(diào)零電位器或精密修正技術(shù)的調(diào)節(jié)來進(jìn)行失調(diào)參數(shù)的補(bǔ)償。如此使得直接耦合放大器在放大信號(hào)的同時(shí)也放大了溫漂，而阻容耦合放大器雖然能夠抑制溫漂，但不能用來放大微弱的直流信號(hào)或緩慢變化的信號(hào)，它會(huì)把這種信號(hào)作為溫漂給抑制掉。使用斬波自動(dòng)穩(wěn)零就能很好解決抑制溫漂和放大微弱直流信號(hào)這個(gè)問題。

斬波技術(shù)基本原理

如果將直流信號(hào)(或緩慢變化的信號(hào))轉(zhuǎn)換成交流信號(hào)(它的幅值與直流信號(hào)的幅值成正比)，然后用交流放大電路放大，再把它復(fù)原為直流信號(hào)，便可以較好地解決抑制溫漂和放大微弱直流信號(hào)的矛盾。這就是斬波技術(shù)的基本指導(dǎo)思想，原理如圖1所示。

輸入的直流信號(hào)經(jīng)過調(diào)制電路(或斬波電路)、放大電路、解調(diào)電路后，又恢復(fù)為直流輸出。當(dāng)然，這種電路由于調(diào)制型放大器的輸入頻帶很窄，并且模擬開關(guān)換向還產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)噪聲。所以這種電路不適用放大頻率較高的輸入信號(hào)。

自動(dòng)穩(wěn)零基本原理

單片自動(dòng)穩(wěn)零集成運(yùn)算放大器的基本指導(dǎo)思想是：如果能把運(yùn)放兩個(gè)輸入端短路時(shí)或加共模輸入信號(hào)時(shí)的輸出電壓(誤差電壓)先用電容器寄存起來(將此過程簡(jiǎn)稱為采樣)，再與運(yùn)放正常工作時(shí)的輸出電壓相減(將此過程簡(jiǎn)稱為校零)，則可有效地減小失調(diào)電壓、失調(diào)電流及溫度變化和電源電壓波動(dòng)所引起的漂移，也可有效地抑制共模信號(hào)。

圖2是自動(dòng)穩(wěn)零的基本原理圖，MAIN是主放大器(CMOS運(yùn)算放大器)，NULL是調(diào)零放大器(CMOS高增益運(yùn)算放大器)。

電路通過電子開關(guān)的轉(zhuǎn)換來進(jìn)行兩個(gè)階段工作：第一是在內(nèi)部時(shí)鐘(OSC)的上半周期，電子開關(guān)A和B導(dǎo)通，A和C斷開，電路處于采樣階段，從而將運(yùn)放NULL的誤差電壓寄存在電容器CEXTA上；第二是在內(nèi)部時(shí)鐘的下半周期，電子開關(guān)A和C導(dǎo)通，A和B斷開，電路處于動(dòng)態(tài)校零和放大階段。將采樣階段寄存在電容器CEXTA上的誤差電壓與放大器NULL正常工作時(shí)所產(chǎn)生的誤差電壓相互抵消，進(jìn)而消除失調(diào)及其漂移和共模信號(hào)對(duì)放大器A2輸出的影響，并將A2的輸出送至運(yùn)放A1的第三輸入端N1，以加強(qiáng)A1輸出。

典型應(yīng)用芯片

ICL7650是Maxim公司利用動(dòng)態(tài)校零技術(shù)和CMOS工藝制作的斬波穩(wěn)零式高精度運(yùn)放，輸入偏置電流在25℃時(shí)為1.5pA、輸入失調(diào)電壓為1μV、失調(diào)電壓溫度系數(shù)為0.01μV/℃，輸入電阻可以達(dá)到1012Ω，此外其共模抑制比達(dá)到130dB。

該芯片內(nèi)部晶振產(chǎn)生200Hz內(nèi)部節(jié)拍頻率，并且這個(gè)時(shí)鐘信號(hào)可以從INT/CLK OUT管腳引出。為了穩(wěn)定運(yùn)算放大器輸出信號(hào)的直流分量，可將鉗位端(CLAMP)連接運(yùn)算放大器的輸入端和輸出端，這樣芯片會(huì)在輸出達(dá)到飽和之前，在鉗位端和輸出端之間建立一個(gè)電流通道，從而防止電荷在校零和寄存電容上繼續(xù)積累，減少電容的充放電恢復(fù)時(shí)間，使得輸出電壓得到穩(wěn)定。

激光器平均光功率控制中的典型應(yīng)用

由于ICL7650具有高增益、高共模抑制比、能夠放大微弱緩慢變化的信號(hào)等特點(diǎn)，所以可以被用在激光器平均光功率控制的前置放大器中。

在激光器中，隨著溫度的變化，光功率會(huì)不穩(wěn)定，平均光功率不穩(wěn)定會(huì)帶來許多問題。比如在光纖數(shù)字通信中，若激光器發(fā)出的光功率不穩(wěn)定，那么在接受端就會(huì)造成判決“1”、“0”時(shí)脈沖電流前后沿抖動(dòng)，無法對(duì)光所攜帶的“1”、“0”信息進(jìn)行準(zhǔn)確判定。在實(shí)際的激光器組件中都含有一個(gè)能夠檢測(cè)激光器背向光的光探測(cè)器(光電二極管PD)，將光電二極管PD探測(cè)到的激光器背向光和參考電平比較，放大后控制激光器的偏置電流，從而達(dá)到控制平均光功率的目的。這實(shí)際是一個(gè)閉環(huán)控制電路，見圖3。

當(dāng)然，由于激光器輸出功率的變化是一個(gè)緩慢漸變過程，所以光電二極管PD探測(cè)到的后向光功率也是一個(gè)緩慢漸變的過程，此時(shí)使用一般的利用參數(shù)補(bǔ)償原理的直耦放大器就不能對(duì)這種信號(hào)進(jìn)行適時(shí)的放大，可以使用ICL7650能夠放大微弱直流信號(hào)或變化十分緩慢的信號(hào)的特點(diǎn)來放大光電二極管探測(cè)到的后向光電流，進(jìn)而相應(yīng)地改變偏置電流，使輸出光功率恒定。圖4是實(shí)際的平均光功率控制電路原理框圖。

若取光電二極管的響應(yīng)度為RI(A/W)，則激光器輸出的檢測(cè)電流IP為
IP=R1PLD (1)，其中PLD為激光器的輸出光功率。
經(jīng)取樣電阻后，
U1=RS×IP=RS×R1PLD (2)
射極跟隨隔離器的作用是增大帶負(fù)載的能力，隔離負(fù)載接入對(duì)輸入電壓的影響。

則射隨電路輸出電壓
U2=U1=RS×R1PLD (3)
將U2與基準(zhǔn)電壓相比較進(jìn)行差分放大，并記減法器的增益系數(shù)為A1,則減法器輸出電壓
U4=A1(U3-U2)=A1(U3-RS×R1PLD) (4)
圖5是ICL760與控制電路和工作電路的連接圖。其中，IRFP460為MOSFET器件，用做壓控電流源。ICL7650可以放大直流和微弱變化的電壓信號(hào)，這里記其增益系數(shù)為A2。其輸出電壓
U6=A2[A1(U3-RS×R1PLD)-U5] (5)
Q1柵源之間的電壓決定了激光器的最大工作電流，通過調(diào)節(jié)電位器R2可調(diào)整激光器的最大工作電流到一個(gè)合適的值，保證激光器的安全。記Q2 IRFP460的跨導(dǎo)為gm，則激光器LD的工作電流
IS=gm×UGS=gm(U6-Up)=gm(U6-IS×R4) (6)
又因?yàn)镮CL7650的反相端輸入電壓
U5=UP=IS×R4 (7)
把式(7)代入式(5)，然后再代入式(6)，可得

分析式(8)可以看出，當(dāng)激光器的輸出功率PLD有微小的變化時(shí)，其工作電路的電流IS會(huì)有相應(yīng)的反向變化，這樣會(huì)使得激光器的輸出功率很快穩(wěn)定到設(shè)定值。

電路中，基準(zhǔn)電壓可以使用LM399加上外圍電路來提供，通過調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓可以得到不同的比較誤差電壓，于是得到不同的穩(wěn)定工作電流。ICL7650的外圍電路中，需要在電源電壓輸入端和地之間接入一個(gè)0.1μF的電容，用來濾除電源帶來的干擾。ICL7650的采樣電容C1、C2應(yīng)該使用漏電小、損耗小、吸附效應(yīng)小的高質(zhì)量產(chǎn)品；電路中在ICL7650的OUTPUT端接入濾波網(wǎng)絡(luò)，用來濾去ICL7650模擬開關(guān)換向所帶來的斬波尖峰噪聲，減小輸出電壓中的過沖。在實(shí)際使用中，可以在P點(diǎn)接入一個(gè)三位半的顯示表頭，適時(shí)地監(jiān)測(cè)激光器的工作情況。這種光控系統(tǒng)在波長(zhǎng)為1550nm的激光器構(gòu)成的光端機(jī)中短時(shí)功率波動(dòng)小于0.05dBm。

下面是利用使用ICL7650組成光控系統(tǒng)來穩(wěn)定激光器輸出光功率的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。

光功率的采樣時(shí)間為1秒種，調(diào)節(jié)外圍電路使激光器輸出光功率為800μW，有意識(shí)增大偏置電流，使輸出光功率增大到850μW，從圖6(a)中可以看到，經(jīng)過該光控系統(tǒng)后，輸出的光功率先在 800μW上下波動(dòng)，經(jīng)過大約20秒以后，輸出的光功率就穩(wěn)定在了800μW。以后監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)光功率雖有小的波動(dòng)，但基本穩(wěn)定在設(shè)定值。

當(dāng)有意識(shí)減小偏置電流，使得輸出光功率減小到750μW，從圖6(b)中也可以看到，ICL7650負(fù)反饋的作用，大約經(jīng)過18秒以后，輸出光功率也穩(wěn)定到了800μW。以后監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)光功率雖有小的波動(dòng)，但也基本穩(wěn)定在設(shè)定值。這說明由ICL7650組成的負(fù)反饋在電路中能夠很好得起到穩(wěn)定激光器輸出光功率的作用。

上述平均光功率控制電路已經(jīng)應(yīng)用于光纖數(shù)字通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，并且獲得了很好的實(shí)驗(yàn)效果。

機(jī)器視覺在標(biāo)簽檢測(cè)中的應(yīng)用

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iLABEL的主要應(yīng)用：

● 校驗(yàn)標(biāo)簽的有無
● 校驗(yàn)包裝上正確的標(biāo)簽
● 校驗(yàn)包裝上的標(biāo)簽是否有破損、污點(diǎn)或瑕疵
● 校驗(yàn)標(biāo)簽邊角是否折疊
● 檢測(cè)標(biāo)簽的方位角是否在限定的范圍