激光二极管发射控制的精密方法

在许多利用光来控制一个过程的应用中，保持恒定的亮度是很重要的。在一些系统中，使用一个简单的 LED 或激光二极管来产生光源，以提供照明，但是，即使进行了初始校准，光源仍会随着时间而退化。随着 LED 老化，其“电流对光”发射比率会降低，亮度也会下降。如果要始终保持出厂时设置的发射能量，就需要一个控制电路来监控发射，并控制供应至光发射器的电流，以保持输出恒定。这样的配置可应用于光度测定中，以获得精确的亮度；亦可用在控制应用中，以进行伺服装置的精确光学定位；还可用在测试设备中，用于光学参考。图 1 是此类系统的一个框图。

图1 常规系统示意图

光电二极管 101

硅光电二极管的构造方式与 PN 结二极管的构造方式相似，不过 P 层很薄。P 层的厚度是根据待检测光波长来调节的。光电二极管也具有电容，这同非光电二极管一样，该电容与光电二极管上施加的反向偏置电压成正比。典型值的变化范围为 2-20 pF。 光电二极管具有两个端子--阴极与阳极。

光电二极管可用于正向模式(电流从阳极流向阴极)或反向模式(电流从阴极流向阳极)。当在反向模式中使用光电二极管时(阳极为负)，与既定频率的照度成高度线性关系，这是一个好处。因为当成线性关系时，构建控制电路会容易很多。

原型设计

光电二极管和放大器中的漏电流(也称为“暗电流”)，同时放大器会变成过载。该状况从初始状态为饱和的晶体管底部抽取由电阻器限制的电流。

一旦电流开始流经晶体管，LED 或激光二极管将开始发光。光电二极管将一部分光转换成电流，这部分电流流经 RG。随着电流增加，RG 上形成的电压降也随之增加。当该电压接近 VBIAS(在图 2 中为地)时，环路将关闭并对晶体管维持正确的驱动，以维持 LED 中的电流，从而保持一个恒定的亮度级(或光电二极管中的电流)。这就形成电路直流分析的基础。图 3 显示了该电路的具体实施方式，它使用美国国家半导体公司的 LMV2011 高精度运算放大器。在产生参考电压方面, 则使用美国国家半导体的 LM4041-1.2 分路，提供固定的 1.225V 参考电压。在该参考中，电流设置在大约 10 mA，这是其工作范围的中间值。

图2 原型控制电路

图3 控制电路的具体实施方式

由于电阻器限制，将电流限制设定约为 1mA。 该晶体管具有约为 100 的电流放大系数， 所以晶体管能提供的最大电流约为 100mA，这将超过微型 SOT-23 封装的热耗散。为防止晶体管中的热逸散，与 LED 或激光二极管串连的电阻器将集电极电流限制为二极管的最大工作值。如果需要更多的电流，应该联合使用具有较大集电极电流的晶体管和诸如 SOT-223 的较大封装。为了限制电路的带宽从而保持稳定，可使用一个与光电二极管电容(大约为 15pF，VBIAS 为 1.2)并联的 15pF 电容，使放大器在约 250KHz 处工作。

如果拥有如上所示的简单运算放大器，为许多不同应用设备创造一个精确的亮度就变得容易了。即使当光发射器老化时，控制环路通过调节 LED 中的电流，也能维持一个恒定的亮度。