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EL6249C及其在MEMS动态测试中的运用
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。
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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
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。
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