摘要：介绍一种采用美国B-B公司三个放大器INA114、OPA177和OPA547构成的光功率自动控制电路。该电路具有集成度高、元件少、造价适中、性能稳定的特点。并已在实际应用中取得良好效果。

    关键词：仪表放大器  电压跟随器  功率自动控制  光纤通讯  INA114  INA177  OPA547

    在光纤通讯系统中,光发送电路主要由光源驱动器、光源（主要是半导体光源,包括LED、LD等）、光功率自动控制电路（APC）、检测器、温度自动控制（ATC）以及告警电路等部分组成。其组成结构如图1所示。

    要使半导体激光器克服供电电源波动、器件老化等因素的影响,确保激光器输出功率稳定,就必须设计自动功率控制（APC）电路。

1 激光器的调制及背光耦合

    为了方便进行自动功率控制,通常半导体激光器内部将激光器LD与背向光检测器PIN集成在一起,其典型工作特性如图2所示。根据背向光检测器PIN对LD的耦合特性（见图3）可设计适当的外围电路,以完成对LD的自动光功率控制。

2 三个主要器件

    由于工作需要,我们选用美国B-B公司生产的三种运算放大器INA114、OPA177和OPA547为光发射机设计了自动功率控制（APC）电路,该电路具有集成度高、元件少、造价适中、性能稳定的特点,实际应用效果较果,现介绍如下：

    INA114是一种低价格、小体积的通用仪表放大器,精度较高。由于在产生中采用了激光工艺,从而使INA114具有非常低的失调电压（50μV）和温漂（0.25μV/℃）以及很高的共模抑制比（G=1000时为115dB）,工作电压可以以低至±2.25V,很适合于电池供电的便携式仪器或采用+5V供电的系统中,静态电流最大为3mA。采用8脚塑料或陶瓷DIP封装或16脚贴面封装形式,工作温度范围为-40℃～+85℃。其8脚封装的引脚排列如图4所示。

    OPA177是一个精密双极性运算放大器,它个有非常低的失调电压（≤10μV）和温漂（0.1μV/℃）。由于芯片内部采用了精密的激光修整技术,因此无须外部元件调整失调电压、输入偏置电流和温漂。OPA177具有非常低的静态电流（典型值为1.5mA）和噪声（≤150mVrms,1～100Hz条件下）,因而可极大地降低漂移和误差,从而保证芯片的精度。OPA177采用8脚塑料、陶瓷DIP封装或SO-8贴面封装形式。其高性能、低价格的特点可满足多种精密仪器仪表的使用要求。其引脚排列如图5所示。

    OPA547也是一个低价格和高电压/大电流运算放大器,具有优良有小信号放大性能,用其驱动多种负载非常理想,可单电源或双电源工作,在单电源工作时,输入的共模电压范围可扩展至地。而且内部具有过温和电流过载保护,此外,用户还可根据需要进行精密的限制设计,用～150μA的控制信号即可将输出限制电流从0调整至750mA,调整器件可能是电阻、电位器或数控的具有电流或电压输出的数模转换器DAC。启动/状态（E/S）管脚可提供两种功能,不仅可以禁止输出从而有效断开负载,而且还能减少静态电流以保存电源能量。检测E/S管脚还可用于确定OPA547是否处于过热保护状态。封装形式为工业级7脚弯形的TO-220封装和7弯脚的DDPAK表面塑封,其工作温度范围为-45～+85℃。OPA547的引脚排列如图6所示。

3 电路组成及工作过程

    APC光功率自动控制电路的工作原理如图7所示。整个APC电路主要由三个集成块构成,光电二极管PIN用于检测半导体激光器背向输出的光功率,并转换为光电流通过电阻R1变为电压信号加在INA114的反向输入端。电阻R2和R4构成参考电平,接于比较放大器INA114的正向输入端。INA114对正向和反向输入端的电压差值进行放大,电阻RG用于调节放大倍数G,其关系可用下式表示：

    G=1+(50kΩ/RG)

    V2=V1=G(V+-V-)+V3

    用OPA177和OPA547为核心构成恒流源,以实现对半导体激光器的恒流驱动,Rf为限流电阻,肖特基二极管D2与LD反向相接,用于防止反向过冲冲击LD,以对LD起保护作用。

    以OPA177构成的电压跟随器用于将LD上的电压送至INA114的Ref管脚,即V3=V4,这时流过LD的电流I可用下式科到：

    I=(V2-V4)/Rf=G(V+-V-)/Rf

    正常状态下,LD工作在设定的工作点。流过LD的驱动电流I与LD的输出光功率保护稳定的平衡状态。

    当激光器LD因某种原因功率增大时,耦合至光电二极管PIN的光电流也同比例增大,从而使电阻R1上的电位升高,这样,通常状态下的平衡被打破,使得INA114上的输出电压V1降低,由于V2=V1=IRRf+V4,因而电阻Rf上的电流I降低。由于渡过OPA177正向输入端折电流可以忽略不计,则流过激光器LD的电流也相应降低。从而达到降低LD功率的目的。

    当LD光功率降低时,PIN的光电流相应降低,INA114放大器输出电压升高,进而增大LD的驱动电流,达到增大LD功率的目的。

    根据选定激光器的性能特点对该电路中的其它器件的参数进行合理的选择匹配,可以获得非常高的控制精度。笔者采用上述电路设计的APC达到的长期稳定性为±1%,并已成功地用于研制有关光纤传输系统中。

    值得说明的是,图中的OPA177可以用类似的芯片代替,比如OP-07,OP-77或AD707等。当激光器LD驱动电流大于500mA,在控制精度要求不太高的场合,可采用达林顿晶体管构成射极跟随器代替OPA547,以降低系统成本。