基于斩波自动稳零运算放大器的激光器平均光功率控制

---在电子电路设计中，经常需要放大微弱的直流信号或缓慢变化的信号。而一般集成运算放大器都是利用参数补偿原理的直接耦合或者阻容耦合放大器，它们的初始失调参数并不等于零，而是用调零电位器或精密修正技术的调节来进行失调参数的补偿。如此使得直接耦合放大器在放大信号的同时也放大了温漂，而阻容耦合放大器虽然能够抑制温漂，但不能用来放大微弱的直流信号或缓慢变化的信号，它会把这种信号作为温漂给抑制掉。使用斩波自动稳零就能很好解决抑制温漂和放大微弱直流信号这个问题。

斩波技术基本原理
---如果将直流信号(或缓慢变化的信号)转换成交流信号(它的幅值与直流信号的幅值成正比)，然后用交流放大电路放大，再把它复原为直流信号，便可以较好地解决抑制温漂和放大微弱直流信号的矛盾。这就是斩波技术的基本指导思想，原理如图1所示。
---输入的直流信号经过调制电路(或斩波电路)、放大电路、解调电路后，又恢复为直流输出。当然，这种电路由于调制型放大器的输入频带很窄，并且模拟开关换向还产生调制信号噪声。所以这种电路不适用放大频率较高的输入信号。

自动稳零基本原理
---单片自动稳零集成运算放大器的基本指导思想是：如果能把运放两个输入端短路时或加共模输入信号时的输出电压(误差电压)先用电容器寄存起来(将此过程简称为采样)，再与运放正常工作时的输出电压相减(将此过程简称为校零)，则可有效地减小失调电压、失调电流及温度变化和电源电压波动所引起的漂移，也可有效地抑制共模信号。
---图2是自动稳零的基本原理图，MAIN是主放大器(CMOS运算放大器)，NULL是调零放大器(CMOS高增益运算放大器)。
---电路通过电子开关的转换来进行两个阶段工作：第一是在内部时钟(OSC)的上半周期，电子开关A和B导通，A和C断开，电路处于采样阶段，从而将运放NULL的误差电压寄存在电容器CEXTA上；第二是在内部时钟的下半周期，电子开关A和C导通，A和B断开，电路处于动态校零和放大阶段。将采样阶段寄存在电容器CEXTA上的误差电压与放大器NULL正常工作时所产生的误差电压相互抵消，进而消除失调及其漂移和共模信号对放大器A2输出的影响，并将A2的输出送至运放A1的第三输入端N1，以加强A1输出。

典型应用芯片
---ICL7650是Maxim公司利用动态校零技术和CMOS工艺制作的斩波稳零式高精度运放，输入偏置电流在25℃时为1.5pA、输入失调电压为1μV、失调电压温度系数为0.01μV/℃，输入电阻可以达到1012Ω，此外其共模抑制比达到130dB。
---该芯片内部晶振产生200Hz内部节拍频率，并且这个时钟信号可以从INT/CLK OUT管脚引出。为了稳定运算放大器输出信号的直流分量，可将钳位端(CLAMP)连接运算放大器的输入端和输出端，这样芯片会在输出达到饱和之前，在钳位端和输出端之间建立一个电流通道，从而防止电荷在校零和寄存电容上继续积累，减少电容的充放电恢复时间，使得输出电压得到稳定。

激光器平均光功率控制中的典型应用
---由于ICL7650具有高增益、高共模抑制比、能够放大微弱缓慢变化的信号等特点，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，随着温度的变化，光功率会不稳定，平均光功率不稳定会带来许多问题。比如在光纤数字通信中，若激光器发出的光功率不稳定，那么在接受端就会造成判决“1”、“0”时脉冲电流前后沿抖动，无法对光所携带的“1”、“0”信息进行准确判定。在实际的激光器组件中都含有一个能够检测激光器背向光的光探测器(光电二极管PD)，将光电二极管PD探测到的激光器背向光和参考电平比较，放大后控制激光器的偏置电流，从而达到控制平均光功率的目的。这实际是一个闭环控制电路，见图3。
---当然，由于激光器输出功率的变化是一个缓慢渐变过程，所以光电二极管PD探测到的后向光功率也是一个缓慢渐变的过程，此时使用一般的利用参数补偿原理的直耦放大器就不能对这种信号进行适时的放大，可以使用ICL7650能够放大微弱直流信号或变化十分缓慢的信号的特点来放大光电二极管探测到的后向光电流，进而相应地改变偏置电流，使输出光功率恒定。图4是实际的平均光功率控制电路原理框图。
---若取光电二极管的响应度为RI(A/W)，则激光器输出的检测电流IP为
---IP=R1PLD (1)，其中PLD为激光器的输出光功率。
---经取样电阻后，
---U1=RS