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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電路,該驅動電路可驅動高亮LEC,以產生MEMS動態測試中所需的頻閃光,為后續MEMS器件的動態特性提取和分析做準備｡ 1 引言 微電子機械系統(MEMS)是在微電子技術基礎上發展起來的多學科交叉的新興學科｡由于它與傳統機械系統相比,具有可大批量生產､成本低､功耗小､集成化等一系列顯著的優點,近十年來得到了迅速的發展｡隨著MEMS從研究階段逐漸步入產業化階段,其對測試系統的需求也越來越迫切｡特別是對動態特性的測試技術,這是因為MEMS的動態特性決定了MEMS器件的基本性能;而且MEMS微結構三維微運動情況､材料屬性及機械力學參數､MEMS可靠性與器件失效模式､失效機理等關鍵問題均可通過MEMS動態測試技術加以解決;同時,通過動態測試技術,還可以研究一系列相關的基礎理論問題｡因此,MEMS動態測試技術近年來得到了國內外許多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的MEMS器件的運動圖像, 由于CCD的曝光時間一般需要30ms,因此,最終得到的圖像是模糊的｡這樣不能正確反映MEMS器件在某一個位置的運動情況｡為了能夠采集到高速運動的MEMS器件的清晰運動圖像,筆者引用了頻閃成像技術,同時利用這個技術捕獲到了MEMS器件運動時瞬間的清晰圖像｡在通過頻閃成像技術得到一系列不同時刻不同相位的MEMS器件運動的清晰圖像后,筆者采用機器微視覺技術(如塊匹配或光流法)來對它們進行分析處理,從而得到MEMS器件的運動特性｡頻閃成像技術的關鍵問題之一是如何產生頻閃成像所需的頻閃光｡選用EL6249C驅動高亮LED產生所需的頻閃光后,就可以利用頻閃照明原理來采集高速運動的MEMS器件的清晰圖像,從而為后續MEMS器件動態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動態測試中的具體運用｡ 2 頻閃成像原理 運動MEMS器件的運動頻率都相當高,一般在50~500kHz左右｡為了利用機器微視覺技術對高速運動的MEMS器件的運動狀態進行描述,可引入頻閃成像技術｡頻閃成像技術來自頻閃效應原理｡所謂頻閃效應,就是物體在人的視野中消失后能留一定時間的視覺印象,即視后效｡視后效的持續時間,在物體一般光度條件下約在1/5~1/20s的范圍內｡如果來自被觀察物體的視覺刺激信號是一個跟一個的信號,每兩次間隔都少于1/20s,則視覺來不及消失,從而給人以連貫的假象｡此時,如果用一閃一閃的光來照明周期運動的MEMS器件,則在MEMS器件的運動頻率與閃光頻率相等時,就相當于閃光燈“凍結”在某個位置上,這樣,通過多次曝光即可得到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的MEMS器件零相位時的清晰圖像,首先可用函數發生器來產生照明所需的窄脈沖信號,此信號的周期與MEMS器件的驅動信號相同且在零相位保持同步｡即每個周期內高電平的位置應與MEMS驅動信號的零相位位置一致｡只有這樣才能捕捉到MEMS器件零相位時的運動圖像｡為了使照明的效果進一步優化,照明信號高電平的時間應為100ns~1000ns｡這樣,利用這一照明信號并通過頻閃驅動電路來驅動高亮度LED以便使其發出足夠強度的光照,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的MEMS器件在不同運動相位､不同驅動頻率下的清晰圖像,需要設計一個頻閃照明電路｡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來滿足應用需求｡實際上,要讓LED發出頻閃成像所需的頻閃光,通常還需要進一步設計頻閃驅動電路｡為此,筆者以EL6249C作為驅動LuxeoTM Star發光的驅動芯片設計了一個簡單可靠地頻閃照明電路｡ 3 EL6249C的基本工作原理 EL6249C是一個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｡各個引腳的功能如表1所列｡ 表1 EL6249C的引腳說明 引腳號 符 號 名 稱 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,該端應接去耦網絡 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,它可以提供受控的電流給激光二極管｡四個通道之和作為IOUT的輸出,從而允許用戶創建多級波形以優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外部電阻來設置｡通常該電阻可以將電壓轉換成電流輸入到IIN管腳,然后這個管腳上的電流再經內部電路放大后由IOUT輸出,以驅動激光二極管發光｡ EL6249C片內還有一個500MHz的振蕩器｡當輸出電流為讀模式時,可以對其進行調制｡當引腳OSCEN為高時,振蕩器被使能｡如果通道2､3､4都未激活,則振蕩器關閉｡振蕩器幅度和頻率的控制可由兩個外部電阻與管腳RFREQ和RAMP相連來設置｡ 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的高電平來使能;管腳ENABLE則用于控制整個電路的使能｡EN-ABLE為高電平時,整個電路才能正常工作,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｡在切換過程中,VCC承受著極大的瞬態電流,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短路徑相連｡由于導線的電感,即使選用一個非常好的旁路電容也會受到響應限制,因此有必要在電源旁放置一個電感,并且在電感旁接一個去耦電容來防止供應線上的切換電流產生的電磁干擾｡ 4 EL6249C在MEMS測試中的應用 根據頻閃成像原理,為了采集到MEMS器件高速運動時的清晰圖像,本文選用EL6249C作為驅動芯片來驅動高亮度激光二極管發光,并利用函數發生器產生頻率與MEMS運動頻率相同的窄脈沖信號,同時用其作為EL6249C的控制信號,然后設置合適的外接電阻以使EL6249C輸出適當的電流來驅動LED發出所需的頻閃光｡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電路的準確性和穩定性｡ 5 結論 本文從MEMS動態測試的需求出發,根據頻閃成像原理,利用EL6249C作為驅動芯片來驅動高亮度激光二極管發出頻閃光,以便采集高速運動的MEMS器件在不同相位不同頻率下的清晰圖像,從而為后續MEMS器件運動特性的提取與分析做充分地準備｡實驗證明,此設計是行之有效的｡ |
