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EL6249C是美國Elantec半導體公司推出的四通道激光二極管電流放大器｡文中根據頻閃成像原理,利用EL6249C設計了一套頻閃驅動(dòng)電路,該驅動(dòng)電路可驅動(dòng)高亮LEC,以產(chǎn)生MEMS動(dòng)態(tài)測試中所需的頻閃光,為后續MEMS器件的動(dòng)態(tài)特性提取和分析做準備｡ 1 引言 微電子機械系統(MEMS)是在微電子技術(shù)基礎上發(fā)展起來(lái)的多學(xué)科交叉的新興學(xué)科｡由于它與傳統機械系統相比,具有可大批量生產(chǎn)､成本低､功耗小､集成化等一系列顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn),近十年來(lái)得到了迅速的發(fā)展｡隨著(zhù)MEMS從研究階段逐漸步入產(chǎn)業(yè)化階段,其對測試系統的需求也越來(lái)越迫切｡特別是對動(dòng)態(tài)特性的測試技術(shù),這是因為MEMS的動(dòng)態(tài)特性決定了MEMS器件的基本性能;而且MEMS微結構三維微運動(dòng)情況､材料屬性及機械力學(xué)參數､MEMS可靠性與器件失效模式､失效機理等關(guān)鍵問(wèn)題均可通過(guò)MEMS動(dòng)態(tài)測試技術(shù)加以解決;同時(shí),通過(guò)動(dòng)態(tài)測試技術(shù),還可以研究一系列相關(guān)的基礎理論問(wèn)題｡因此,MEMS動(dòng)態(tài)測試技術(shù)近年來(lái)得到了國內外許多MEMS研究機構的高度重視｡ 由于許多MEMS器件的運動(dòng)頻率都比較高,一般在50~500kHz左右,甚至更高｡在這種情況下,如果用攝像機在連續光照下采集高速運動(dòng)的MEMS器件的運動(dòng)圖像, 由于CCD的曝光時(shí)間一般需要30ms,因此,最終得到的圖像是模糊的｡這樣不能正確反映MEMS器件在某一個(gè)位置的運動(dòng)情況｡為了能夠采集到高速運動(dòng)的MEMS器件的清晰運動(dòng)圖像,筆者引用了頻閃成像技術(shù),同時(shí)利用這個(gè)技術(shù)捕獲到了MEMS器件運動(dòng)時(shí)瞬間的清晰圖像｡在通過(guò)頻閃成像技術(shù)得到一系列不同時(shí)刻不同相位的MEMS器件運動(dòng)的清晰圖像后,筆者采用機器微視覺(jué)技術(shù)(如塊匹配或光流法)來(lái)對它們進(jìn)行分析處理,從而得到MEMS器件的運動(dòng)特性｡頻閃成像技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題之一是如何產(chǎn)生頻閃成像所需的頻閃光｡選用EL6249C驅動(dòng)高亮LED產(chǎn)生所需的頻閃光后,就可以利用頻閃照明原理來(lái)采集高速運動(dòng)的MEMS器件的清晰圖像,從而為后續MEMS器件動(dòng)態(tài)特性的提取和分析做充分地準備｡下面具體介紹頻閃成像的原理､EL6249C的基本功能及其在MEMS動(dòng)態(tài)測試中的具體運用｡ 2 頻閃成像原理 運動(dòng)MEMS器件的運動(dòng)頻率都相當高,一般在50~500kHz左右｡為了利用機器微視覺(jué)技術(shù)對高速運動(dòng)的MEMS器件的運動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行描述,可引入頻閃成像技術(shù)｡頻閃成像技術(shù)來(lái)自頻閃效應原理｡所謂頻閃效應,就是物體在人的視野中消失后能留一定時(shí)間的視覺(jué)印象,即視后效｡視后效的持續時(shí)間,在物體一般光度條件下約在1/5~1/20s的范圍內｡如果來(lái)自被觀(guān)察物體的視覺(jué)刺激信號是一個(gè)跟一個(gè)的信號,每?jì)纱伍g隔都少于1/20s,則視覺(jué)來(lái)不及消失,從而給人以連貫的假象｡此時(shí),如果用一閃一閃的光來(lái)照明周期運動(dòng)的MEMS器件,則在MEMS器件的運動(dòng)頻率與閃光頻率相等時(shí),就相當于閃光燈“凍結”在某個(gè)位置上,這樣,通過(guò)多次曝光即可得到MEMS器件在此相位的清晰圖像｡圖1所示為頻閃成像原理｡假設要采集高速運動(dòng)的MEMS器件零相位時(shí)的清晰圖像,首先可用函數發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生照明所需的窄脈沖信號,此信號的周期與MEMS器件的驅動(dòng)信號相同且在零相位保持同步｡即每個(gè)周期內高電平的位置應與MEMS驅動(dòng)信號的零相位位置一致｡只有這樣才能捕捉到MEMS器件零相位時(shí)的運動(dòng)圖像｡為了使照明的效果進(jìn)一步優(yōu)化,照明信號高電平的時(shí)間應為100ns~1000ns｡這樣,利用這一照明信號并通過(guò)頻閃驅動(dòng)電路來(lái)驅動(dòng)高亮度LED以便使其發(fā)出足夠強度的光照,就可以使CCD在零相位多次曝光,從而最終得到所需的固定圖像｡ 從頻閃成像原理可以看出,為了能夠采集到高速運動(dòng)的MEMS器件在不同運動(dòng)相位､不同驅動(dòng)頻率下的清晰圖像,需要設計一個(gè)頻閃照明電路｡因為成像的好壞直接影響到后續MEMS器件運動(dòng)特性的提取與分析,所以它對LED有很高的要求｡首先要有足夠的強度,且對其穩定性､可控性也有較高的要求｡本文選用LuxeoTM Star的LED來(lái)滿(mǎn)足應用需求｡實(shí)際上,要讓LED發(fā)出頻閃成像所需的頻閃光,通常還需要進(jìn)一步設計頻閃驅動(dòng)電路｡為此,筆者以EL6249C作為驅動(dòng)LuxeoTM Star發(fā)光的驅動(dòng)芯片設計了一個(gè)簡(jiǎn)單可靠地頻閃照明電路｡ 3 EL6249C的基本工作原理 EL6249C是一個(gè)四通道的激光二極管電流放大器｡它采用QSOP封裝形式,其引腳排列如圖2所示｡各個(gè)引腳的功能如表1所列｡ 表1 EL6249C的引腳說(shuō)明 引腳號 符 號 名 稱(chēng) 功 能 及 用 法 13 GND 輸入級地端 接供電電源VCC地 9 VCC 輸入級工作電源端 供電電源,為抗干擾,該端應接去耦網(wǎng)絡(luò ) 14 IOUT 輸出級電流 供給激光二極管的輸出電流 1,2,4,5 IIN 輸入級電流 供給放大器的輸入電流 6,7,8 OUTEN 輸出控制端 輸出電流的數字控制端(OUTEN Low=No) IOUT,不能懸空 11 ENABLE 電路使能端 ENABLE Low=No IOUT,不能懸空 3 RFREQ 振蕩頻率控制端 接外部電阻來(lái)設置振蕩器的振蕩頻率 12 RAMP 振蕩幅度控制端 接外部電阻來(lái)設置振蕩器的振蕩幅度 10 OSCEN 振蕩器控制端 OSCEN Low=Oscillator Off 當EL6249C工作時(shí),它可以提供受控的電流給激光二極管｡四個(gè)通道之和作為IOUT的輸出,從而允許用戶(hù)創(chuàng )建多級波形以?xún)?yōu)化激光二極管的性能｡輸出電流的級數由模擬電壓施加一個(gè)外部電阻來(lái)設置｡通常該電阻可以將電壓轉換成電流輸入到IIN管腳,然后這個(gè)管腳上的電流再經(jīng)內部電路放大后由IOUT輸出,以驅動(dòng)激光二極管發(fā)光｡ EL6249C片內還有一個(gè)500MHz的振蕩器｡當輸出電流為讀模式時(shí),可以對其進(jìn)行調制｡當引腳OSCEN為高時(shí),振蕩器被使能｡如果通道2､3､4都未激活,則振蕩器關(guān)閉｡振蕩器幅度和頻率的控制可由兩個(gè)外部電阻與管腳RFREQ和RAMP相連來(lái)設置｡ EL6249C的內部結構如圖3所示｡電路中輸出電流的級數由管腳OUTEN2､OUTEN3和OUTEN4的高低電平共同決定;片內振蕩器的使能則由管腳OSCEN､OUTEN2､OUTEN3和OUTEN4的高電平來(lái)使能;管腳ENABLE則用于控制整個(gè)電路的使能｡EN-ABLE為高電平時(shí),整個(gè)電路才能正常工作,但應注意,該腳不能懸空｡ 圖4給出了EL6249C的一種典型應用電路｡在該電路的運行過(guò)程中,由于高電流值需要快速地on/off切換,所以保證電源供應的有效去耦非常重要｡在切換過(guò)程中,VCC承受著(zhù)極大的瞬態(tài)電流,因此應該給VCC去耦,并將激光二極管的陰極與去耦電容以一個(gè)短路徑相連｡由于導線(xiàn)的電感,即使選用一個(gè)非常好的旁路電容也會(huì )受到響應限制,因此有必要在電源旁放置一個(gè)電感,并且在電感旁接一個(gè)去耦電容來(lái)防止供應線(xiàn)上的切換電流產(chǎn)生的電磁干擾｡ 4 EL6249C在MEMS測試中的應用 根據頻閃成像原理,為了采集到MEMS器件高速運動(dòng)時(shí)的清晰圖像,本文選用EL6249C作為驅動(dòng)芯片來(lái)驅動(dòng)高亮度激光二極管發(fā)光,并利用函數發(fā)生器產(chǎn)生頻率與MEMS運動(dòng)頻率相同的窄脈沖信號,同時(shí)用其作為EL6249C的控制信號,然后設置合適的外接電阻以使EL6249C輸出適當的電流來(lái)驅動(dòng)LED發(fā)出所需的頻閃光｡圖5為筆者設計的頻閃照明電路原理圖｡ 在本電路中,為了保證供電電壓穩定在所需的5V上,筆者選用了MAX8869,這樣可以更好地提高整個(gè)電路的準確性和穩定性｡ 5 結論 本文從MEMS動(dòng)態(tài)測試的需求出發(fā),根據頻閃成像原理,利用EL6249C作為驅動(dòng)芯片來(lái)驅動(dòng)高亮度激光二極管發(fā)出頻閃光,以便采集高速運動(dòng)的MEMS器件在不同相位不同頻率下的清晰圖像,從而為后續MEMS器件運動(dòng)特性的提取與分析做充分地準備｡實(shí)驗證明,此設計是行之有效的｡ |
