一维PSD传感器转换电路的分析Word格式文档下载.doc

1、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

2、 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5V系统数据显示器）或更大。二、 一维PSD的结构及工作原理PSD是一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的光敏面上时，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电效应。PSD可分为一维PSD和二维PSD。一维PSD可以测定光点的一维位置坐标，二维PSD可测光点的平面位置坐

3、标。下面介绍的是一维PSD的工作原理，如图l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的性能，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I0。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I1和I2。显然，I1和I2之和等

4、于光生电流I0，而I1和I2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R1和R2。如果PSD表面层的电阻是均匀的，则PSD的等效电路为图1（b）所示，其中R1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R1和R2可以忽略，则有： （1-1） 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I0= I1+I2与式（1.1.1）联立得： （1-2） （1-3）从以上两式可以看出，当入射光点位置固定时，PSD的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

5、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 一维PSD转换电路原理图根据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

6、；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AD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，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。是个电流源信号，

7、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 图4 PSD测量电路输出电压u0=IiRf，将PSD的输出I1和I2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PSD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。由于PSD的内阻较大，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V1=I0

8、*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: 其中 图5 PSD前置放大电路由于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6 加法电路 图7 减

9、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：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R1=R2=Rf。则上式变为：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

10、选取电阻值满足Rf/R1=R3/R2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（Vs2Vs1）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-Vs1。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I1和I2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，因此PSD两个引脚输出的I1和I2也是交流信号。C1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

11、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R1和R2的值还可以调整低通滤波器的输出增益。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1m,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低、分辨率高、响应速度

12、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的位置输出进行标定解决了PSD的非线性问题；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.1990.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,曾超,李锋.光点位置传感器PSD特性及其应用J. 光学仪器,2002.85,何敏,刘荣,闵锐.位置传感器PSD的应用电路设计J.电子测量与仪器学报,2009.6李海军基于PSD的微小倾角测量系统的研究川，仪器仪表用户2007（3）：3-47吴赛燕基于PSD的位置测量系统【J】，科技情报开发与经济2007qf2）：159-1608朱国力，吴学兵，邹万军基于PSD的角度测最系统【J】，电测与仪表2006（1）：29-32