一維PSD傳感器轉(zhuǎn)換電路的分析

1、一維 PSD 傳感器轉(zhuǎn)換電路分析摘要：對一維 PSD（光電位置傳感器）的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性進(jìn)行分析和概述。給出一維 PSD 傳感器的等效電路及轉(zhuǎn)換電路，并對電路各部分原理進(jìn)行推理分析。利用 multisim軟件對一維 PSD 傳感器轉(zhuǎn)換電路仿真。關(guān)鍵詞：一維 PSD,工作原理，轉(zhuǎn)換電路，電路仿真Abstract:Thestructure,workingprinciple,characteristicsofone-dimensionalPSD（photoelectricpositionsensor）areanalyzedandsummarized.GivenadPSDsensorandthet

2、ransformationoftheequivalentcircuitofthecircuit,andeverypartofthecircuitprincipleofreasoninganalysis.Usingthesoftwareofmultisimtomakeaswitchingcircuitsimulationofone-dimensionalPSDsensor.Keywords:one-dimensionalPSD,workingprinciple,switchingcircuit,circuitsimulation 一、引言位置敏感探測器（PSD）是一種光電測距器件。PSD 基于非

3、均勻半導(dǎo)體橫向光電效應(yīng)，達(dá)到器件對入射光或粒子位置敏感。PSD 由四部分組成：PSD 傳感器、電子處理元件、半導(dǎo)體激光源、支架（固定 PSDM 專感器與激光光源相對位置）。PSD 的主要特點(diǎn)是位置分辨率高、響應(yīng)速度快、光譜響應(yīng)范圍寬、可靠性高，處理電路簡單、光敏面內(nèi)無盲區(qū)，可同時(shí)檢測位置的光強(qiáng)，測量結(jié)果與光斑尺寸和形狀無關(guān)。由于其具有特有的性能，因而能獲得目標(biāo)位置連續(xù)變化的信號，在位置、位移、距離、角度及其相關(guān)量的檢測中獲得越來越廣泛的應(yīng)用。在 PSDt電實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)讀出電壓值的變化，可以知道物體的運(yùn)動變化，從而達(dá)到了解光電傳感器的構(gòu)造原理和電子線路的設(shè)計(jì)與實(shí)踐、運(yùn)算放大器的應(yīng)用。由于其具有精

4、度高的優(yōu)點(diǎn)，在測量物體時(shí)，即使測量物體位置有微小的變化，電壓值都會有很明顯的變化。PSD 的光斑活動位置可由光傳感器的兩端電極輸出的電流決定，位置距離分辨率為1400mV/1mm（供土 5V 系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示器）或更大。二、一維PSD勺結(jié)構(gòu)及工作原理PSD1 一種基于橫向光電效應(yīng)的位置傳感器件。它是一種非分割型器件，可將光敏面上的光點(diǎn)位置轉(zhuǎn)化為電信號。當(dāng)一束光射到 PS 曲光敏面上時(shí)，在同一面上的不同電極之間將會有電流流過，這種電壓或電流隨著光點(diǎn)位置變化而變化的現(xiàn)象就是半導(dǎo)體的橫向光電效應(yīng)。PSDT 分為一維 PS 用二維 PSD 一維 PSDT 以測定光點(diǎn)的一維位置坐標(biāo)，二維 PSM 測光點(diǎn)的平

5、面位置坐標(biāo)。下面介紹的是一維 PSD 勺工作原理，如圖 l 所示。它由 P、I、N 三層構(gòu)成，P 層為感光面，兩邊各有一個(gè)信號輸出電極；I 區(qū)較厚但具有更高的光電轉(zhuǎn)換效率，更高的靈敏度和響應(yīng)速度；底層陽 I 出一個(gè)公共電極，用來加反偏電壓。由于反向偏置下的 PS 勝能優(yōu)于零偏狀態(tài)下 PS 而性能，在應(yīng)用中將 PSDb 于反向偏置狀態(tài)。（a） 結(jié)構(gòu)示意圖（b） 等效電路圖圖 1PSD 的結(jié)構(gòu)及等效電路當(dāng)入射光點(diǎn)照射到 PS 比敏面上某一點(diǎn)時(shí)，假設(shè)產(chǎn)生的總的光生電流為 10。由于在入射光點(diǎn)到信號電極間存在橫向電勢，若在兩個(gè)信號電極上接上負(fù)載電阻，光電流將分別流向兩個(gè)信號電極，從而從信號電極上分別得

6、到光電流 1l和 12。顯然，Il和 I2之和等于光生電流 I0,而Il和 I2的分流關(guān)系取決于入射光點(diǎn)位置到兩個(gè)信號電極間的等效電阻 Ri和 R2。如果 PSDI 面層的電阻是均勻的，則 PSD 勺等效電路為圖 1（b）所示，其中 R 和旦的值取決于入射光點(diǎn)的位置。假設(shè)負(fù)載電阻 RL阻值相對于 Ri和 R2可以忽略，則有：h&LxkA（i-i）式中，L 為 PSD 中點(diǎn)到信號電極的距離，x 為入射光點(diǎn)距 PSD 中點(diǎn)的距離。式（1-1）表明，兩個(gè)信號電極的輸出光電流之比為入射光點(diǎn)到該電極間距離之比的倒數(shù)。將 Io=I1+I2與式（1.1.1）聯(lián)立得：(1-2)(1-3)從以上兩式可以

7、看出，當(dāng)入射光點(diǎn)位置固定時(shí)，PSM 單個(gè)電極輸出電流與入射光強(qiáng)度成正比。而當(dāng)入射光強(qiáng)度不變時(shí)，單個(gè)電極的輸出電流與入射光點(diǎn)距 PS 邛心的距離 x 呈線性關(guān)系。若將兩個(gè)信號電極的輸出電流作如下處理：-/|XPL向則得到的結(jié)果只與光點(diǎn)的位置坐標(biāo) x 有關(guān)，而與入射光強(qiáng)度無關(guān)，此時(shí) PSD1 成為僅對入射光點(diǎn)位置敏感的器件。Px稱為一維 PSM 位置輸出信號。(1-4)三、一維PSD轉(zhuǎn)換電路及分析1、轉(zhuǎn)換電路lavVCCI卜II111道二單M_e圖 2 一維PSD轉(zhuǎn)換電路原理圖根據(jù) PSD 原理及光點(diǎn)位置(x,y)的表達(dá)式，轉(zhuǎn)換電路首先應(yīng)對 PSD 輸出的光點(diǎn)流進(jìn)行電流-電壓轉(zhuǎn)換放大，再按轉(zhuǎn)換公式

8、的要求，通過加、減運(yùn)算放大器進(jìn)行預(yù)置相加和相減運(yùn)算，最后通過模擬除法器相除，得到與光能大小無關(guān)的位置信號。圖中 Rf 之取決于輸入電平的大?。籚6、V13、V14 為模擬除法器；Ai 為低漂移運(yùn)算放大器。對準(zhǔn)物體的中心裝有一高的發(fā)光二級管，PSD 傳感器安裝于微動。工作平臺上；二極管發(fā)出的光束經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)聚焦后，將光點(diǎn)成像于放置在透鏡焦平面上的 PSD 的接收光敏面上，這個(gè)光點(diǎn)信號經(jīng)過前置轉(zhuǎn)換為電信號。然后，通過 A/D 采樣，送入到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。從而確定 PSD 對準(zhǔn)物體平面上某一點(diǎn)的位置。當(dāng)對準(zhǔn)位置在測量范圍內(nèi)移動時(shí)，光斑與 PSD 兩電極間的距離發(fā)生變化，使兩電極輸出電流隨其光斑位置的

9、變化而變化，因此通過測定傳感器兩電極輸出電流的大小，便可知道 PSD 與對準(zhǔn)物體平面上的某一點(diǎn)位置相對應(yīng)。2 2、轉(zhuǎn)換電路的分析(1)前置放大電路在設(shè)計(jì)電路時(shí)，首先要考慮如何放大電流信號。PSD 是個(gè)電流源信號，電壓源更好測最，我們可以將電流轉(zhuǎn)換為電壓源信號，直接測量電壓源信號就可以了。將電流源信號轉(zhuǎn)換為電壓源信號，我們需要采用的是電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路就可以實(shí)現(xiàn)。圖 3 電流電壓轉(zhuǎn)換電路輸出電壓 u0=IiRf,將 PS 而輸出 I1 和 I2 均經(jīng)過上圖所示的電壓電流轉(zhuǎn)換電路，將電流轉(zhuǎn)換為電壓進(jìn)行測量，為了保證 PSCM 量的精度，必須使兩路輸出盡可能一致，電阻原件采用高精度的無色環(huán)電阻，集成

10、運(yùn)算放大器要選擇高輸入阻抗，失調(diào)電壓小，偏置電流小的低噪聲的運(yùn)放。由于 PSM 內(nèi)阻較大，在電路中 Rf 的取值不能太大，Rf 的取值過大時(shí)，容易產(chǎn)生振蕩。在電路的設(shè)計(jì)中，還要加上電容進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償。圖八中 V1=I0*Rf*(L1-x)/2L1,V2=I0*Rf*(L1+x)/2L1入射點(diǎn)距 PSD 中點(diǎn)的距離為 x=L1(V2-V1)/(V2+V1)當(dāng)比值為 0 時(shí)認(rèn)為位置在中點(diǎn)，當(dāng)比值為 1 時(shí)位置為偏離中心位置 11cm。由于輸出電壓較小，還需要對電壓信號進(jìn)行放大。通過加法電路、減法電路和除法電路，直接得到(V2-V1)/(V2+V1)的比值。電路如下圖：化圖 4PSD 測量電路其中圖

11、5PSD 前置放大電路v=義（匕+匕）如21由于 PSD 輸出信號較小，減法電路的放大倍數(shù)一般較大，而加法電路的放大倍數(shù)小,相對而言，加法電路的輸出變化不是很大，而減法電路的輸出則隨著位置的變換而產(chǎn)生大的變化。因此，減法電路的設(shè)計(jì)非常重要。(2)加法電路圖 6 加法電路圖 7 減法電路這個(gè)電路接成反相放大器，由于電路存在虛短，Vi=0,在 P 端接地時(shí)，Vn=0,故 N 點(diǎn)為虛地。顯然，它是屬于多端輸入的電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路。利用虛短，虛段的概念，對反相輸入節(jié)點(diǎn)可得下面的方程式：一 V0=(Rf/R1)Vs1+(Rf/R2)Vs2這就是加法運(yùn)算的表達(dá)式，式中負(fù)號是因?yàn)榉聪噍斎胍鸬?，如果電路?

12、R1=R2=R則上式變?yōu)椋?V0=Vs1+Vs2在一般加法電路設(shè)計(jì)中，加法電路的輸出端還要再接一級反向電路消去負(fù)號來實(shí)現(xiàn)完全符合常規(guī)的算術(shù)加法。此處略。(3)減法電路從電路結(jié)構(gòu)上來看，它是反相輸入和同相輸入相結(jié)合的放大電路。在理想運(yùn)放情況下，根據(jù)虛斷，虛短原理，可得下列方程式在上式中，如果選取電阻值滿足 Rf/R1=R3R2 的關(guān)系，輸出電壓可簡化為即輸出電壓與兩個(gè)輸入電壓之差(Vs2-Vs1)成比例，所以上圖所示的減法電路實(shí)際上就是一個(gè)差分式放大電路。當(dāng) Rf=R1 時(shí)。V0=Vs2-Vs1o在一維 PSD 轉(zhuǎn)換電路中還有濾波電路，其功能是讓制定頻段的信號通過，而將其余額段上的信號加以抑制或

13、使其急劇衰減。(4)濾波電路輸入的光電流型號 I1和 I2通過濾波器轉(zhuǎn)換成放大的電壓信號。由于加在 PSD 上的光信號是由一定頻率的方波驅(qū)動的，因此 PSD 兩個(gè)引腳輸出的 I1和 I2也是交流信號。G 在電路中起的是隔直通交的作用。C2和 R2組成的 RC 網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)算放大器一起構(gòu)成低通濾波器，將輸入信號中的脈沖干擾和高頻噪聲過濾掉，濾波的帶寬的頻率應(yīng)比解調(diào)頻率高。通過改變 R1和 Q 的值還可以調(diào)整低通濾波器的輸出增益。C2圖 8 低通濾波器四、仿真結(jié)果五、結(jié)論在研究一維 PSD 工作原理的基礎(chǔ)上， 設(shè)計(jì)了一種可用計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制的非接觸位移測量系統(tǒng),該測量系統(tǒng)的激光發(fā)射頭距離 PSD 為

14、 1015m,測量量程為-10+10mm,分辨率為 1 科 m,精度較高，上位機(jī)可以根據(jù)現(xiàn)場情況更新標(biāo)定系數(shù)以確保測量精度。系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場工作穩(wěn)定、可靠，是一種比較理想的非接觸位移測量系統(tǒng)。利用 PSD&置傳感器設(shè)計(jì)的電路簡單、成本低、分辨率高、響應(yīng)速度快，但是 PS 加身是模擬器件，受環(huán)境和處理電路中其他器件性能等因素影低、分辨率高、響應(yīng)速度快，但是 PSD本身是模擬器件，受環(huán)境和處理電路中其他器件性能等因素影響較大，我們在設(shè)計(jì)測量電路時(shí)，采用了采樣一保持電路來消除背景光和暗電流；在進(jìn)行測最之前對 PS 而位置輸出進(jìn)行標(biāo)定解決了 PS 而非線性問題；采用了精密低功耗儀用放大器 INA!18 替代前置放大電路中的減法電路。實(shí)驗(yàn)證明，改進(jìn)后的電路有較高的測量精度和準(zhǔn)確度。參考文獻(xiàn)1.吳杰.1990.光電信號檢測技術(shù).哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社2,安毓英，曾曉東，馮秸理.廣電探測與信號處理.北京：科學(xué)出版社，2010.53,郭書立，李立軍，譚定忠.一維、二維 PSD 的檢測原理及測量電路J.佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào),