基于斬波自動穩零運算放大器的激光器平均光功率控制

在電子電路設計中，經常需要放大微弱的直流信號或緩慢變化的信號。而一般集成運算放大器都是利用參數補償原理的直接耦合或者阻容耦合放大器，它們的初始失調參數并不等于零，而是用調零電位器或精密修正技術的調節來進行失調參數的補償。如此使得直接耦合放大器在放大信號的同時也放大了溫漂，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或緩慢變化的信號，它會把這種信號作為溫漂給抑制掉。使用斬波自動穩零就能很好解決抑制溫漂和放大微弱直流信號這個問題。

斬波技術基本原理

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

輸入的直流信號經過調制電路(或斬波電路)、放大電路、解調電路后，又恢復為直流輸出。當然，這種電路由于調制型放大器的輸入頻帶很窄，并且模擬開關換向還產生調制信號噪聲。所以這種電路不適用放大頻率較高的輸入信號。

自動穩零基本原理

單片自動穩零集成運算放大器的基本指導思想是：如果能把運放兩個輸入端短路時或加共模輸入信號時的輸出電壓(誤差電壓)先用電容器寄存起來(將此過程簡稱為采樣)，再與運放正常工作時的輸出電壓相減(將此過程簡稱為校零)，則可有效地減小失調電壓、失調電流及溫度變化和電源電壓波動所引起的漂移，也可有效地抑制共模信號。

圖2是自動穩零的基本原理圖，MAIN是主放大器(CMOS運算放大器)，NULL是調零放大器(CMOS高增益運算放大器)。

電路通過電子開關的轉換來進行兩個階段工作：第一是在內部時鐘(OSC)的上半周期，電子開關A和B導通，A和C斷開，電路處于采樣階段，從而將運放NULL的誤差電壓寄存在電容器CEXTA上；第二是在內部時鐘的下半周期，電子開關A和C導通，A和B斷開，電路處于動態校零和放大階段。將采樣階段寄存在電容器CEXTA上的誤差電壓與放大器NULL正常工作時所產生的誤差電壓相互抵消，進而消除失調及其漂移和共模信號對放大器A2輸出的影響，并將A2的輸出送至運放A1的第三輸入端N1，以加強A1輸出。

典型應用芯片

ICL7650是Maxim公司利用動態校零技術和CMOS工藝制作的斬波穩零式高精度運放，輸入偏置電流在25℃時為1.5pA、輸入失調電壓為1μV、失調電壓溫度系數為0.01μV/℃，輸入電阻可以達到1012Ω，此外其共模抑制比達到130dB。

該芯片內部晶振產生200Hz內部節拍頻率，并且這個時鐘信號可以從INT/CLK OUT管腳引出。為了穩定運算放大器輸出信號的直流分量，可將鉗位端(CLAMP)連接運算放大器的輸入端和輸出端，這樣芯片會在輸出達到飽和之前，在鉗位端和輸出端之間建立一個電流通道，從而防止電荷在校零和寄存電容上繼續積累，減少電容的充放電恢復時間，使得輸出電壓得到穩定。

激光器平均光功率控制中的典型應用

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等特點，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，光功率會不穩定，平均光功率不穩定會帶來許多問題。比如在光纖數字通信中，若激光器發出的光功率不穩定，那么在接受端就會造成判決“1”、“0”時脈沖電流前后沿抖動，無法對光所攜帶的“1”、“0”信息進行準確判定。在實際的激光器組件中都含有一個能夠檢測激光器背向光的光探測器(光電二極管PD)，將光電二極管PD探測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，從而達到控制平均光功率的目的。這實際是一個閉環控制電路，見圖3。

當然，由于激光器輸出功率的變化是一個緩慢漸變過程，所以光電二極管PD探測到的后向光功率也是一個緩慢漸變的過程，此時使用一般的利用參數補償原理的直耦放大器就不能對這種信號進行適時的放大，可以使用ICL7650能夠放大微弱直流信號或變化十分緩慢的信號的特點來放大光電二極管探測到的后向光電流，進而相應地改變偏置電流，使輸出光功率恒定。圖4是實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度為RI(A/W)，則激光器輸出的檢測電流IP為
IP=R1PLD (1)，其中PLD為激光器的輸出光功率。
經取樣電阻后，
U1=RS×IP=RS×R1PLD (2)
射極跟隨隔離器的作用是增大帶負載的能力，隔離負載接入對輸入電壓的影響。

則射隨電路輸出電壓
U2=U1=RS×R1PLD (3)
將U2與基準電壓相比較進行差分放大，并記減法器的增益系數為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，這里記其增益系數為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，通過調節電位器R2可調整激光器的最大工作電流到一個合適的值，保證激光器的安全。記Q2 IRFP460的跨導為gm，則激光器LD的工作電流
IS=gm×UGS=gm(U6-Up)=gm(U6-IS×R4) (6)
又因為ICL7650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，當激光器的輸出功率PLD有微小的變化時，其工作電路的電流IS會有相應的反向變化，這樣會使得激光器的輸出功率很快穩定到設定值。

電路中，基準電壓可以使用LM399加上外圍電路來提供，通過調節基準電壓可以得到不同的比較誤差電壓，于是得到不同的穩定工作電流。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應該使用漏電小、損耗小、吸附效應小的高質量產品；電路中在ICL7650的OUTPUT端接入濾波網絡，用來濾去ICL7650模擬開關換向所帶來的斬波尖峰噪聲，減小輸出電壓中的過沖。在實際使用中，可以在P點接入一個三位半的顯示表頭，適時地監測激光器的工作情況。這種光控系統在波長為1550nm的激光器構成的光端機中短時功率波動小于0.05dBm。

下面是利用使用ICL7650組成光控系統來穩定激光器輸出光功率的實驗測試結果。

光功率的采樣時間為1秒種，調節外圍電路使激光器輸出光功率為800μW，有意識增大偏置電流，使輸出光功率增大到850μW，從圖6(a)中可以看到，經過該光控系統后，輸出的光功率先在 800μW上下波動，經過大約20秒以后，輸出的光功率就穩定在了800μW。以后監測時間內光功率雖有小的波動，但基本穩定在設定值。

當有意識減小偏置電流，使得輸出光功率減小到750μW，從圖6(b)中也可以看到，ICL7650負反饋的作用，大約經過18秒以后，輸出光功率也穩定到了800μW。以后監測時間內光功率雖有小的波動，但也基本穩定在設定值。這說明由ICL7650組成的負反饋在電路中能夠很好得起到穩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應用于光纖數字通信實驗系統中，并且獲得了很好的實驗效果。

機器視覺在標簽檢測中的應用

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iLABEL的主要應用：

● 校驗標簽的有無
● 校驗包裝上正確的標簽
● 校驗包裝上的標簽是否有破損、污點或瑕疵
● 校驗標簽邊角是否折疊
● 檢測標簽的方位角是否在限定的范圍