1、一維PSD傳感器轉換電路分析摘要：對一維PSD (光電位置傳感器)的結構、工作原理、特性進行分析和概述。給出一 維PSD傳感器的等效電路及轉換電路，并對電路各部分原理進行推理分析。利用multisim軟件對一維PSD傳感器轉換電路仿真。關鍵詞：一維PSD,工作原理，轉換電路，電路仿真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、引言位置敏感探測器(PSD)是一種光電測距器件。PSD基于非均勻半導體”橫向光電效應”， 達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、半導體激光源、支架(固定PSD光傳感器與激光光源相對位置)。PSD的主要特點是位置分辨率高、響應速度快、光譜響應范圍寬、可靠性高，處理電路簡單、光敏面內無盲區，可同時檢 測位置的光強，測量結果與光斑尺寸和形狀無關。由于其具有特有的性能，因而能獲得目標位置連續變化的信號，在位置、位移、距離、角度及其相關量的檢測中獲得越來越廣泛的應用。在PSD光電實驗中，根據讀出

4、電壓值的變化，可以知道物體的運動變化，從而達到了 解光電傳感器的構造原理和電子線路的設計與實踐、運算放大器的應用。由于其具有精度高的優點，在測量物體時，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系統數據顯示器)或更大。二、一維PSD勺結構及工作原理PSD!種基于橫向光電效應的位置傳感器件。它是一種非分割型器件，可將光敏面上的光點位置轉化為電信號。當一束光射到PSD勺光敏面上時，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位置變化而變化的現象就是半導體的橫向光

5、電效 應。PS丙分為一維PS刖二維PSD 一維PS可以測定光點的一維位置坐標，二維PSD測光點的平面位置坐標。下面介紹的是一維PSD勺工作原理，如圖I所示。它由P、I、N三層構成，P 層為感光面，兩邊各有一個信號輸出電極；I區較厚但具有更高的光電轉換效率，更高的靈敏度和響應速度；底層N引出一個公共電極，用來加反偏電壓。由于反向偏置下的PSD性能優 于零偏狀態下PSD勺性能，在應用中將PSD處于反向偏置狀態。(a)結構示意圖(b)等效電路圖圖1 PSD的結構及等效電路當入射光點照射到PSD光敏面上某一點時，假設產生的總的光生電流為I。由于在入射光點到信號電極間存在橫向電勢，若在兩個信號電極上接上

6、負載電阻，光電流將分別流向兩個信號電極，從而從信號電極上分別得到光電流11和12。顯然，h和12之和等于光生電流I。，而1!和12的分流關系取決于入射光點位置到兩個信號電極間的等效電阻Ri和R2。如果PSD表面層的電阻是均勻的，貝y PSD勺等效電路為圖1（b）所示，其中R|和R2的值取決于入射光點的位 置。假設負載電阻Rl阻值相對于Ri和R2可以忽略，則有：L-x(i-i)/2Lx式中，L為PSD中點到信號電極的距離， x為入射光點距PSD中點的距離。式（1-1 ） 表明，兩個信號電極的輸出光電流之比為入射光點到該電極間距離之比的倒數。將1。= I1+I2與式（1.1.1 ）聯立得：(1-2

7、 )(1-3 )從以上兩式可以看出，當入射光點位置固定時，PSD勺單個電極輸出電流與入射光強度成正比。而當入射光強度不變時，單個電極的輸出電流與入射光點距PSD中心的距離x呈線性關系。若將兩個信號電極的輸出電流作如下處理：(1-4 )則得到的結果只與光點的位置坐標 x有關，而與入射光強度無關， 此時PSD就成為僅對入 射光點位置敏感的器件。Px稱為一維PSD的位置輸出信號。三、一維PSD轉換電路及分析1、轉換電路圖2 維PSD轉換電路原理圖VCC根據PSD原理及光點位置(x, y)的表達式，轉換電路首先應對PSD輸出的光點流進行電流-電壓轉換放大，再按轉換公式的要求，通過加、減運算放大器進行預

8、置相加和相減 運算，最后通過模擬除法器相除，得到與光能大小無關的位置信號。圖中Rf之取決于輸入電平的大小；V6、V13、V14為模擬除法器；Ai為低漂移運算放大器。對準物體的中心裝有 一高的發光二級管，PSD傳感器安裝于微動。工作平臺上；二極管發出的光束經過光學系 統聚焦后，將光點成像于放置在透鏡焦平面上的PSD的接收光敏面上， 這個光點信號經過前置轉換為電信號。然后，通過A/ D采樣，送入到計算機進行處理。從而確定PSD對準物體平面上某一點的位置。當對準位置在測量范圍內移動時，光斑與PSD兩電極間的距離發生變化，使兩電極輸出電流隨其光斑位置的變化而變化，因此通過測定傳感器兩電極輸出電流的大小

9、，便可知道 PSD與對準物體平面上的某一點位置相對應。2、轉換電路的分析(1)前置放大電路在設計電路時，首先要考慮如何放大電流信號。 PSD是個電流源信號， 電壓源更好測 最，我們可以將電流轉換為電壓源信號， 直接測量電壓源信號就可以了。 將電流源信號轉換 為電壓源信號，我們需要采用的是電壓并聯負反饋電路就可以實現。圖3電流電壓轉換電路輸出電壓uO=liRf,將PSD勺輸出11和12均經過上圖所示的電壓電流轉換電路，將電流轉換為電壓進行測量，為了保證PSC測量的精度，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電阻， 集成運算放大器要選擇高輸入阻抗，失調電壓小，偏置電流小的低噪聲的運放

10、。由于PSD勺內阻較大，在電路中 Rf的取值不能太大，Rf的取值過大時，容易產生振 蕩。在電路的設計中，還要加上電容進行相應補償。圖八中 V仁IO*Rf* (L1-x) /2L1, V2=I0*Rf* (L1+x) /2L1入射點距PSD中點的距離為 x=L1 (V2-V1) /(V2+V1)當比值為0時認為位置在中點，當比值為1時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：圖5 PSD前置放大電路其中由于PSD輸出信號較小，減法電路的放大倍數一般較大，而加法電路的放大

11、倍數小， 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生大的變化。因此，減法電路的設計非常重要。（2 ）加法電路圖7 減法電路這個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，Vn=0，故N點為虛地。顯然，它是屬于多端輸入的電壓并聯負反饋電路。利用虛短，虛段的概念，對反相輸入節點可得下面的方程式：一V0=（ Rf/R1）Vs1+（ Rf/R2）Vs2這就是加法運算的表達式，式中負號是因為反相輸入引起的，如果電路里R仁R2=R。則上式變為：一 V0=Vs1+Vs2在一般加法電路設計中，加法電路的輸出端還要再接一級反向電路消去負號來實現完全符合 常規的

12、算術加法。此處略。（3 ）減法電路從電路結構上來看，它是反相輸入和同相輸入相結合的放大電路。在理想運放情況下， 根據虛斷，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/R仁R3R2的關系，輸出電壓可簡化為即輸出電壓與兩個輸入電壓之差（Vs2-Vs1）成比例，所以上圖所示的減法電路實際上就是一個差分式放大電路。當Rf=R1時。V0=Vs2-Vs1o在一維PSD轉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使其急劇衰減。（4 ）濾波電路輸入的光電流型號 h和-通過濾波器轉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動的，因

13、此 PSD兩個引腳輸出的Ii和12也是交流信號。Ci在電路 中起的是隔直通交的作用。 C2和R2組成的RC網絡和運算放大器一起構成低通濾波器，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比解調頻率高。通過改變Ri和R2的值還可以調整低通濾波器的輸出增益。02C1W圖8低通濾波器四、仿真結果五、結論在研究一維PSD工作原理的基礎上，設計了一種可用計算機遠程實時控制的非接觸位移 測量系統，該測量系統的激光發射頭距離PSD為1015 m,測量量程為-10+10 mm,分辨率為1卩m,精度較高，上位機可以根據現場情況更新標定系數以確保測量精度。系統在工業現場工作穩定、可靠，是一種比較理想

14、的非接觸位移測量系統。利用PSD位置傳感器設計的電路簡單、成本低、分辨率高、響應速度快，但是PSD身是模擬器件，受環境和處理電路中其他器件性能等因素影低、分辨率高、響應速度快，但是PSD本身是模擬器件，受環境和處理電路中其他器件性能等因素影響較大，我們在設計測量電路時，采用了采樣一保持電路來消除背景光和暗電流；在進行測最之前對PSD勺位置輸出進行標定解決了 PSD勺非線性問題；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。實驗證明，改進后的電路有較高的測量精度和準確度。參考文獻1 .吳杰.佃90.光電信號檢測技術.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社2 ,安毓英，曾曉東，馮喆珺.廣電探測與信號處理.北京：科學出版社，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.佳木斯大學學報,2000.94 ,