一维PSD传感器转换电路的分析

1、一维PSD传感器转换电路分析摘要：对一维PSD (光电位置传感器)的结构、工作原理、特性进行分析和概述。给出一 维PSD传感器的等效电路及转换电路，并对电路各部分原理进行推理分析。利用multisim软件对一维PSD传感器转换电路仿真。关键词：一维PSD,工作原理，转换电路，电路仿真Abstract:The structure, working principle, characteristics of one-dimensional PSD(photoelectric position sensor) are analyzed and summarized. Given a d PSD se

2、nsor and the tran sformatio n of the equivale nt circuit of the circuit, and every part of the circuit prin ciple of reas oning an alysis. Using the software of multisim to make a switch ing circuit simulati on of on e-dime nsional PSD sen sor.Key words: one-dimensional PSD, working principle, switc

3、hing circuit, circuit simulation一、引言位置敏感探测器(PSD)是一种光电测距器件。PSD基于非均匀半导体”横向光电效应”， 达到器件对入射光或粒子位置敏感。PSD由四部分组成：PSD传感器、电子处理元件、半导体激光源、支架(固定PSD光传感器与激光光源相对位置)。PSD的主要特点是位置分辨率高、响应速度快、光谱响应范围宽、可靠性高，处理电路简单、光敏面内无盲区，可同时检 测位置的光强，测量结果与光斑尺寸和形状无关。由于其具有特有的性能，因而能获得目标位置连续变化的信号，在位置、位移、距离、角度及其相关量的检测中获得越来越广泛的应用。在PSD光电实验中，根据读出

4、电压值的变化，可以知道物体的运动变化，从而达到了 解光电传感器的构造原理和电子线路的设计与实践、运算放大器的应用。由于其具有精度高的优点，在测量物体时，即使测量物体位置有微小的变化，电压值都会有很明显的变化。PSD的光斑活动位置可由光传感器的两端电极输出的电流决定，位置距离分辨率为1400mV/1mm(供土 5V系统数据显示器)或更大。二、一维PSD勺结构及工作原理PSD!种基于横向光电效应的位置传感器件。它是一种非分割型器件，可将光敏面上的光点位置转化为电信号。当一束光射到PSD勺光敏面上时，在同一面上的不同电极之间将会有电流流过，这种电压或电流随着光点位置变化而变化的现象就是半导体的横向光

5、电效 应。PS丙分为一维PS刖二维PSD 一维PS可以测定光点的一维位置坐标，二维PSD测光点的平面位置坐标。下面介绍的是一维PSD勺工作原理，如图I所示。它由P、I、N三层构成，P 层为感光面，两边各有一个信号输出电极；I区较厚但具有更高的光电转换效率，更高的灵敏度和响应速度；底层N引出一个公共电极，用来加反偏电压。由于反向偏置下的PSD性能优 于零偏状态下PSD勺性能，在应用中将PSD处于反向偏置状态。(a)结构示意图(b)等效电路图图1 PSD的结构及等效电路当入射光点照射到PSD光敏面上某一点时，假设产生的总的光生电流为I。由于在入射光点到信号电极间存在横向电势，若在两个信号电极上接上

6、负载电阻，光电流将分别流向两个信号电极，从而从信号电极上分别得到光电流11和12。显然，h和12之和等于光生电流I。，而1!和12的分流关系取决于入射光点位置到两个信号电极间的等效电阻Ri和R2。如果PSD表面层的电阻是均匀的，贝y PSD勺等效电路为图1（b）所示，其中R|和R2的值取决于入射光点的位 置。假设负载电阻Rl阻值相对于Ri和R2可以忽略，则有：L-x(i-i)/2Lx式中，L为PSD中点到信号电极的距离， x为入射光点距PSD中点的距离。式（1-1 ） 表明，两个信号电极的输出光电流之比为入射光点到该电极间距离之比的倒数。将1。= I1+I2与式（1.1.1 ）联立得：(1-2

7、 )(1-3 )从以上两式可以看出，当入射光点位置固定时，PSD勺单个电极输出电流与入射光强度成正比。而当入射光强度不变时，单个电极的输出电流与入射光点距PSD中心的距离x呈线性关系。若将两个信号电极的输出电流作如下处理：(1-4 )则得到的结果只与光点的位置坐标 x有关，而与入射光强度无关， 此时PSD就成为仅对入 射光点位置敏感的器件。Px称为一维PSD的位置输出信号。三、一维PSD转换电路及分析1、转换电路图2 维PSD转换电路原理图VCC根据PSD原理及光点位置(x, y)的表达式，转换电路首先应对PSD输出的光点流进行电流-电压转换放大，再按转换公式的要求，通过加、减运算放大器进行预

8、置相加和相减 运算，最后通过模拟除法器相除，得到与光能大小无关的位置信号。图中Rf之取决于输入电平的大小；V6、V13、V14为模拟除法器；Ai为低漂移运算放大器。对准物体的中心装有 一高的发光二级管，PSD传感器安装于微动。工作平台上；二极管发出的光束经过光学系 统聚焦后，将光点成像于放置在透镜焦平面上的PSD的接收光敏面上， 这个光点信号经过前置转换为电信号。然后，通过A/ D采样，送入到计算机进行处理。从而确定PSD对准物体平面上某一点的位置。当对准位置在测量范围内移动时，光斑与PSD两电极间的距离发生变化，使两电极输出电流随其光斑位置的变化而变化，因此通过测定传感器两电极输出电流的大小

9、，便可知道 PSD与对准物体平面上的某一点位置相对应。2、转换电路的分析(1)前置放大电路在设计电路时，首先要考虑如何放大电流信号。 PSD是个电流源信号， 电压源更好测 最，我们可以将电流转换为电压源信号， 直接测量电压源信号就可以了。 将电流源信号转换 为电压源信号，我们需要采用的是电压并联负反馈电路就可以实现。图3电流电压转换电路输出电压uO=liRf,将PSD勺输出11和12均经过上图所示的电压电流转换电路，将电流转换为电压进行测量，为了保证PSC测量的精度，必须使两路输出尽可能一致，电阻原件采用高精度的无色环电阻， 集成运算放大器要选择高输入阻抗，失调电压小，偏置电流小的低噪声的运放

10、。由于PSD勺内阻较大，在电路中 Rf的取值不能太大，Rf的取值过大时，容易产生振 荡。在电路的设计中，还要加上电容进行相应补偿。图八中 V仁IO*Rf* (L1-x) /2L1, V2=I0*Rf* (L1+x) /2L1入射点距PSD中点的距离为 x=L1 (V2-V1) /(V2+V1)当比值为0时认为位置在中点，当比值为1时位置为偏离中心位置11cm。由于输出电压较小， 还需要对电压信号进行放大。通过加法电路、减法电路和除法电路，直接得到(V2-V1) / (V2+V1)的比值。电路如下图：图5 PSD前置放大电路其中由于PSD输出信号较小，减法电路的放大倍数一般较大，而加法电路的放大

11、倍数小， 相对而言，加法电路的输出变化不是很大，而减法电路的输出则随着位置的变换而产生大的变化。因此，减法电路的设计非常重要。（2 ）加法电路图7 减法电路这个电路接成反相放大器，由于电路存在虚短，Vi=0，在P端接地时，Vn=0，故N点为虚地。显然，它是属于多端输入的电压并联负反馈电路。利用虚短，虚段的概念，对反相输入节点可得下面的方程式：一V0=（ Rf/R1）Vs1+（ Rf/R2）Vs2这就是加法运算的表达式，式中负号是因为反相输入引起的，如果电路里R仁R2=R。则上式变为：一 V0=Vs1+Vs2在一般加法电路设计中，加法电路的输出端还要再接一级反向电路消去负号来实现完全符合 常规的

12、算术加法。此处略。（3 ）减法电路从电路结构上来看，它是反相输入和同相输入相结合的放大电路。在理想运放情况下， 根据虚断，虚短原理，可得下列方程式在上式中，如果选取电阻值满足Rf/R仁R3R2的关系，输出电压可简化为即输出电压与两个输入电压之差（Vs2-Vs1）成比例，所以上图所示的减法电路实际上就是一个差分式放大电路。当Rf=R1时。V0=Vs2-Vs1o在一维PSD转换电路中还有滤波电路，其功能是让制定频段的信号通过，而将其余额 段上的信号加以抑制或使其急剧衰减。（4 ）滤波电路输入的光电流型号 h和-通过滤波器转换成放大的电压信号。 由于加在PSD上的光信 号是由一定频率的方波驱动的，因

13、此 PSD两个引脚输出的Ii和12也是交流信号。Ci在电路 中起的是隔直通交的作用。 C2和R2组成的RC网络和运算放大器一起构成低通滤波器，将输入信号中的脉冲干扰和高频噪声过滤掉，滤波的带宽的频率应比解调频率高。通过改变Ri和R2的值还可以调整低通滤波器的输出增益。02C1W图8低通滤波器四、仿真结果五、结论在研究一维PSD工作原理的基础上，设计了一种可用计算机远程实时控制的非接触位移 测量系统，该测量系统的激光发射头距离PSD为1015 m,测量量程为-10+10 mm,分辨率为1卩m,精度较高，上位机可以根据现场情况更新标定系数以确保测量精度。系统在工业现场工作稳定、可靠，是一种比较理想

14、的非接触位移测量系统。利用PSD位置传感器设计的电路简单、成本低、分辨率高、响应速度快，但是PSD身是模拟器件，受环境和处理电路中其他器件性能等因素影低、分辨率高、响应速度快，但是PSD本身是模拟器件，受环境和处理电路中其他器件性能等因素影响较大，我们在设计测量电路时，采用了采样一保持电路来消除背景光和暗电流；在进行测最之前对PSD勺位置输出进行标定解决了 PSD勺非线性问题；采用了精密低功耗仪用放大器INA!18替代前置放大电路中的减法电路。实验证明，改进后的电路有较高的测量精度和准确度。参考文献1 .吴杰.佃90.光电信号检测技术.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社2 ,安毓英，曾晓东，冯喆珺.广电探测与信号处理.北京：科学出版社，2010.53 ,郭书立,李立军，谭定忠.一维、二维PSD的检测原理及测量电路 J.佳木斯大学学报,2000.94 ,