EL6249C及其在MEMS动态测试中的运用

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:EL6249C是美国Elantec半导体公司推出的四通道激光二极管电流放大器。文中根据频闪成像原理,利用EL6249C设计了一套频闪驱动电路,该驱动电路可驱动高亮LEC,以产生MEMS动态测试中所需的频闪光,为后续MEMS器件的动态特性提取和分析做准备。 关键词:MEMS EL6249C 动态测试 频闪 1 引言 微电子机械系统(MEMS)是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的新兴学科。由于它与传统机械系统相比,具有可大批量生产、成本低、功耗小、集成化等一系列显著的优点,近十年来得到了迅速的发展。随着MEMS从研究阶段逐渐步入产业化阶段,其对测试系统的需求也越来越迫切。特别是对动态特性的测试技术,这是因为MEMS的动态特性决定了MEMS器件的基本性能;而且MEMS微结构三维微运动情况、材料属性及机械力学参数、MEMS可靠性与器件失效模式、失效机理等关键问题均可通过MEMS动态测试技术加以解决;同时,通过动态测试技术,还可以研究一系列相关的基础理论问题。因此,MEMS动态测试技术近年来得到了国内外许多MEMS研究机构的高度重视。 由于许多MEMS器件的运动频率都比较高,一般在50~500kHz左右,甚至更高。在这种情况下,如果用摄像机在连续光照下采集高速运动的MEMS器件的运动图像, 由于CCD的曝光时间一般需要30ms,因此,最终得到的图像是模糊的。这样不能正确反映MEMS器件在某一个位置的运动情况。为了能够采集到高速运动的MEMS器件的清晰运动图像,笔者引用了频闪成像技术,同时利用这个技术捕获到了MEMS器件运动时瞬间的清晰图像。在通过频闪成像技术得到一系列不同时刻不同相位的MEMS器件运动的清晰图像后,笔者采用机器微视觉技术(如块匹配或光流法)来对它们进行分析处理,从而得到MEMS器件的运动特性。频闪成像技术的关键问题之一是如何产生频闪成像所需的频闪光。选用EL6249C驱动高亮LED产生所需的频闪光后,就可以利用频闪照明原理来采集高速运动的MEMS器件的清晰图像,从而为后续MEMS器件动态特性的提取和分析做充分地准备。下面具体介绍频闪成像的原理、EL6249C的基本功能及其在MEMS动态测试中的具体运用。 2 频闪成像原理 运动MEMS器件的运动频率都相当高,一般在50~500kHz左右。为了利用机器微视觉技术对高速运动的MEMS器件的运动状态进行描述,可引入频闪成像技术。频闪成像技术来自频闪效应原理。所谓频闪效应,就是物体在人的视野中消失后能留一定时间的视觉印象,即视后效。视后效的持续时间,在物体一般光度条件下约在1/5~1/20s的范围内。如果来自被观察物体的视觉刺激信号是一个跟一个的信号,每两次间隔都少于1/20s,则视觉来不及消失,从而给人以连贯的假象。此时,如果用一闪一闪的光来照明周期运动的MEMS器件,则在MEMS器件的运动频率与闪光频率相等时,就相当于闪光灯“冻结”在某个位置上,这样,通过多次曝光即可得到MEMS器件在此相位的清晰图像。图1所示为频闪成像原理。假设要采集高速运动的MEMS器件零相位时的清晰图像,首先可用函数发生器来产生照明所需的窄脉冲信号,此信号的周期与MEMS器件的驱动信号相同且在零相位保持同步。即每个周期内高电平的位置应与MEMS驱动信号的零相位位置一致。只有这样才能捕捉到MEMS器件零相位时的运动图像。为了使照明的效果进一步优化,照明信号高电平的时间应为100ns~1000ns。这样,利用这一照明信号并通过频闪驱动电路来驱动高亮度LED以便使其发出足够强度的光照,就可以使CCD在零相位多次曝光,从而最终得到所需的固定图像。 从频闪成像原理可以看出,为了能够采集到高速运动的MEMS器件在不同运动相位、不同驱动频率下的清晰图像,需要设计一个频闪照明电路。因为成像的好坏直接影响到后续MEMS器件运动特性的提取与分析,所以它对LED有很高的要求。首先要有足够的强度,且对其稳定性、可控性也有较高的要求。本文选用LuxeoTM Star的LED来满足应用需求。实际上,要让LED发出频闪成像所需的频闪光,通常还需要进一步设计频闪驱动电路。为此,笔者以EL6249C作为驱动LuxeoTM Star发光的驱动芯片设计了一个简单可靠地频闪照明电路。3 EL6249C的基本工作原理 EL6249C是一个四通道的激光二极管电流放大器。它采用QSOP封装形式,其引脚排列如图2所示。各个引脚的功能如表1所列。 表1 EL6249C的引脚说明 引脚号 符 号 名 称 功 能 及 用 法 13 GND 输入级地端 接供电电源VCC地 9 VCC 输入级工作电源端 供电电源,为抗干扰,该端应接去耦网络 14 IOUT 输出级电流 供给激光二极管的输出电流 1,2,4,5 IIN 输入级电流 供给放大器的输入电流 6,7,8 OUTEN 输出控制端 输出电流的数字控制端(OUTEN Low=No) IOUT,不能悬空 11 ENABLE 电路使能端 ENABLE Low=No IOUT,不能悬空 3 RFREQ 振荡频率控制端 接外部电阻来设置振荡器的振荡频率 12 RAMP 振荡幅度控制端 接外部电阻来设置振荡器的振荡幅度 10 OSCEN 振荡器控制端 OSCEN Low=Oscillator Off 当EL6249C工作时,它可以提供受控的电流给激光二极管。四个通道之和作为IOUT的输出,从而允许用户创建多级波形以优化激光二极管的性能。输出电流的级数由模拟电压施加一个外部电阻来设置。通常该电阻可以将电压转换成电流输入到IIN管脚,然后这个管脚上的电流再经内部电路放大后由IOUT输出,以驱动激光二极管发光。 EL6249C片内还有一个500MHz的振荡器。当输出电流为读模式时,可以对其进行调制。当引脚OSCEN为高时,振荡器被使能。如果通道2、3、4都未激活,则振荡器关闭。振荡器幅度和频率的控制可由两个外部电阻与管脚RFREQ和RAMP相连来设置。 EL6249C的内部结构如图3所示。电路中输出电流的级数由管脚OUTEN2、OUTEN3和OUTEN4的高低电平共同决定;片内振荡器的使能则由管脚OSCEN、OUTEN2、OUTEN3和OUTEN4的高电平来使能;管脚ENABLE则用于控制整个电路的使能。EN-ABLE为高电平时,整个电路才能正常工作,但应注意,该脚不能悬空。 图4给出了EL6249C的一种典型应用电路。在该电路的运行过程中,由于高电流值需要快速地on/off切换,所以保证电源供应的有效去耦非常重要。在切换过程中,VCC承受着极大的瞬态电流,因此应该给VCC去耦,并将激光二极管的阴极与去耦电容以一个短路径相连。由于导线的电感,即使选用一个非常好的旁路电容也会受到响应限制,因此有必要在电源旁放置一个电感,并且在电感旁接一个去耦电容来防止供应线上的切换电流产生的电磁干扰 4 EL6249C在MEMS测试中的应用 根据频闪成像原理,为了采集到MEMS器件高速运动时的清晰图像,本文选用EL6249C作为驱动芯片来驱动高亮度激光二极管发光,并利用函数发生器产生频率与MEMS运动频率相同的窄脉冲信号,同时用其作为EL6249C的控制信号,然后设置合适的外接电阻以使EL6249C输出适当的电流来驱动LED发出所需的频闪光。图5为笔者设计的频闪照明电路原理图。 在本电路中,为了保证供电电压稳定在所需的5V上,笔者选用了MAX8869,这样可以更好地提高整个电路的准确性和稳定性。 5 结论 本文从MEMS动态测试的需求出发,根据频闪成像原理,利用EL6249C作为驱动芯片来驱动高亮度激光二极管发出频闪光,以便采集高速运动的MEMS器件在不同相位不同频率下的清晰图像,从而为后续MEMS器件运动特性的提取与分析做充分地准备。实验证明,此设计是行之有效的。

关键字:运用

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