介紹一種采用美國B-B公司三個放大器INA114、OPA177和OPA547構成的光功率自動控制電路。該電路具有集成度高、元件少、造價適中、性能穩(wěn)定的特點。并已在實際應用中取得良好效果。
儀表放大器電壓跟隨器功率自動控制光纖通訊INA114INA177OPA547在光纖通訊系統(tǒng)中，光發(fā)送電路主要由光源驅動器、光源(主要是半導體光源，包括LED、LD等)、光功率自動控制電路(APC)、檢測器、溫度自動控制(ATC)以及告警電路等部分組成。要使半導體激光器克服供電電源波動、器件老化等因素的影響，確保激光器輸出功率穩(wěn)定，就必須設計自動功率控制(APC)電路。
1激光器的調制及背光耦合
為了方便進行自動功率控制，通常半導體激光器內部將激光器LD與背向光檢測器PIN集成在一起。根據背向光檢測器PIN對LD的耦合特性(見圖3)可設計適當的外圍電路，以完成對LD的自動光功率控制。
2三個主要器件
由于工作需要，我們選用美國B-B公司生產的三種運算放大器INA114、OPA177和OPA547為光發(fā)射機設計了自動功率控制(APC)電路，該電路具有集成度高、元件少、造價適中、性能穩(wěn)定的特點，實際應用效果較果，現介紹如下：INA114是一種低價格、小體積的通用儀表放大器，精度較高。由于在產生中采用了激光工藝，從而使INA114具有非常低的失調電壓(50μV)和溫漂(0。25μV/℃)以及很高的共模抑制比(G=1000時為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是一個精密雙極性運算放大器，它個有非常低的失調電壓(≤10μV)和溫漂(0。1μV/℃)。由于芯片內部采用了精密的激光修整技術，因此無須外部元件調整失調電壓、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、低價格的特點可滿足多種精密儀器儀表的使用要求。
OPA547也是一個低價格和高電壓/大電流運算放大器，具有優(yōu)良有小信號放大性能，用其驅動多種負載非常理想，可單電源或雙電源工作，在單電源工作時，輸入的共模電壓范圍可擴展至地。而且內部具有過溫和電流過載保護，此外，用戶還可根據需要進行精密的限制設計，用～150μA的控制信號即可將輸出限制電流從0調整至750mA，調整器件可能是電阻、電位器或數控的具有電流或電壓輸出的數模轉換器DAC。啟動/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載，而且還能減少靜態(tài)電流以保存電源能量。檢測E/S管腳還可用于確定OPA547是否處于過熱保護狀態(tài)。封裝形式為工業(yè)級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℃。
3電路組成及工作過程
整個APC電路主要由三個集成塊構成，光電二極管PIN用于檢測半導體激光器背向輸出的光功率，并轉換為光電流通過電阻R1變?yōu)殡妷盒盘柤釉贗NA114的反向輸入端。電阻R2和R4構成參考電平，接于比較放大器INA114的正向輸入端。INA114對正向和反向輸入端的電壓差值進行放大，電阻RG用于調節(jié)放大倍數G，其關系可用下式表示：G=1+(50kΩ/RG)V2=V1=G(V+-V-)+V3用OPA177和OPA547為核心構成恒流源，以實現對半導體激光器的恒流驅動，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LD起保護作用。以OPA177構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工作在設定的工作點。流過LD的驅動電流I與LD的輸出光功率保護穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。
當激光器LD因某種原因功率增大時，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，則流過激光器LD的電流也相應降低。從而達到降低LD功率的目的。當LD光功率降低時，PIN的光電流相應降低，INA114放大器輸出電壓升高，進而增大LD的驅動電流，達到增大LD功率的目的。
根據選定激光器的性能特點對該電路中的其它器件的參數進行合理的選擇匹配，可以獲得非常高的控制精度。筆者采用上述電路設計的APC達到的長期穩(wěn)定性為±1%，并已成功地用于研制有關光纖傳輸系統(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。當激光器LD驅動電流大于500mA，在控制精度要求不太高的場合，可采用達林頓晶體管構成射極跟隨器代替OPA547，以降低系統(tǒng)成本。
