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博客

2017-10-13

已有 1973 次閱讀2017-10-13 15:42 |個人分類:技術(shù)專刊

AN-1194 四象限光電二極管用于高精度位移測量系統(tǒng)的應(yīng)用案例

四象限光電二極管是光學(xué)跟蹤和位移測量系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。典型應(yīng)用包括光學(xué)數(shù)據(jù)存儲設(shè)備中拾取激光的光束居中，激光鑷（光阱）系統(tǒng)中的珠位測量與阱剛度標(biāo)定、掃描探針顯微鏡中的懸臂位移測量，以及各種長距離激光跟蹤的應(yīng)用，如航天和衛(wèi)星光通信，以及針對土木工程和采礦業(yè)校準(zhǔn)的應(yīng)用。此外，由于其簡單、可靠的設(shè)計和高靈敏度，四象限光電二極管是二維光束對中和位移測量最常用的位置敏感器件。不過，四象限光電二極管的電路，例如模擬信號處理鏈后面的電路限制了整個傳感系統(tǒng)的特性。因此，要特別注意配套電路的設(shè)計。通常情況下，基于四象限光電二極管的位移測量系統(tǒng)都用于戶外（如土木工程和采礦業(yè)），其中的測量系統(tǒng)必須是電池供電的。考慮到這種測量系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，需要不斷降低電源電壓和功耗，因此必須密切關(guān)注電路設(shè)計。

在本應(yīng)用筆記中，我們將提出一個針對高精度位移測量、基于SILEGO SLG88104V軌至軌I/O 375 nA四運放的低電壓、超低功耗、低噪聲四象限光電二極管電路設(shè)計。

用四象限光電二極管測量位置

測量系統(tǒng)的具體要求往往取決于：精度、準(zhǔn)確性、線性度、動態(tài)范圍和頻率帶寬。在進(jìn)行測量的位置和四象限光電物體之間，使用由一個光源組成的光學(xué)系統(tǒng)（通常使用激光或LED），通常是非常簡單的無源光學(xué)組件來完成這些指定要求。這種特殊而簡單的光學(xué)系統(tǒng)起到確定物體位置和光點在四象限光電二極管敏感表面的位置的作用。象限光電二極管表面的光斑輻照度分布主要取決于所用光源，也取決于目標(biāo)光學(xué)耦合系統(tǒng)的特性。無論四象限光二極管表面的光點輻射分布如何，大多數(shù)關(guān)于四象限光電二極管中心的光點位置評估算法都是基于光點重心的位置計算。這樣的算法實現(xiàn)了高靈敏度、高速度、高分辨率的位置測量。每個四象限光電二極管都由沉積在一個芯片上的四個匹配的光電二極管組成，如圖1所示。

圖1. 在一個芯片上沉積四個匹配光電二極管的四象限光電二圖2. 四象限光電二極管（QPD）由四個光電二極管（PD1、

PD2、PD3和PD4）組成，以在其表面形成光點（LS）的極管的照片

方式照明

根據(jù)四象限光電二極管表面的光點位置和形狀，每個光電二極管都將產(chǎn)生電流，其線性依賴于捕獲的光功率量。因此，如果光點對稱于兩個軸，且集中在四象限光電二極管中心，所有四個光電二極管的電流都是一樣的。如果光點中心從四象限光電二極管中心移動，電流會有所不同。

為了確定光點中心四對于象限光電二極管中心的位置，光電二極管電流必須以這樣一種方式處理，即在電路輸出，我們有與沿兩個軸的光點位移成正比的電壓信號。此外，由于四象限光電二極管捕獲的整體光功率可能不同，其輸出電路必須提供與光總功率有關(guān)的電壓信號。這個信號用作歸一化信號。為了滿足所有這些要求，相應(yīng)的電路可以基于SILEGO SLG88104V軌至軌I/O 375 nA四運算放大器成功制作。

通過處理來自四象限光電二極管的電流信號來直接測量相對于四象限光電二極管中心的光點中心位置是不可能的。不過，通過測量這些電流信號，就可以通過光強(qiáng)分布參數(shù)的比例估計四象限光電二極管表面的光點位置。為了確定這些關(guān)系，關(guān)鍵是要知道四象限光電二極管表面的輻照度分布。由于光點中心位置和光電二極管產(chǎn)生的電流之間復(fù)雜的數(shù)學(xué)關(guān)系，是不可能精確測量這些比例的。通常在象限光電二極管表面運動的光點都很小。因此，光點中心位置與以下方式的光電二極管電流成正比：

(1) https://ibb.co/d6qRTw (2)

其中 x 和 y 分別是沿 X 軸和 Y 軸的光點中心位置，而 ij是通過四象限光電二極管j-th象限獲得的電流，其中 j = 1,2,3,4，如圖2所示。為了消除在測量過程中可能出現(xiàn)的光源發(fā)射功率變化的影響，必須有歸一化的整體捕獲光功率，即電流差信號 ((i1+i4) - (i2+i3)) 和 ((i1+i2) - (i3+i4)) 必須除以與所有四個光電二極管電流之和

(i1+i2+i3+i4)成正比的相應(yīng)信號。.

四象限光電二極管電路

為了實現(xiàn)光點位置的測量，即對應(yīng)目標(biāo)的位置，四象限光電二極管后面的電路必須提供電流差信號以及與所有光電二極管電流總和成正比的信號。滿足這樣條件的典型電路至少包括七個運算放大器。大量的運算放大器會增加整體功耗，同時惡化整個信號處理鏈的特性。為了提供低電壓、超低功耗、低噪聲四象限光電二極管電路，只使用三個運算放大器處理光電二極管電流的模擬信號，而第四個運算放大器只用于偏置目的。這種相對簡單的電路如圖3所示。從圖3中你可以注意到，所有需要的算法都是采用相同值RL組成的電阻網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)的。通過利用四象限光電二極管，陽極電流等于四個光電二極管電流的總和，進(jìn)入三個跨阻放大器的電流 iX, iY和 iΣ通過下式給出：

圖3. 建議的象限光電二極管電路

跨阻放大器將電流信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號 vX, vY和 vΣ通過下式給出：

(3)

https://ibb.co/imL71G

其中 RF是回饋電阻器電阻和跨阻放大器增益。

值得一提的是，這兩個電阻 RL的用途是連接在光電二極管 PD1的陰極之間，而地是對稱的，即所有四個光電二極管都必須連接到相同電阻，以匹配其頻率響應(yīng)。

四象限光電二極管偏置電路

運算放大器具有雙電源，即由兩個電壓源 VDD (VDD> 0) 和 VSS (VSS< 0).進(jìn)行偏置。為了使四象限光電二極管進(jìn)入光感模式，電壓源VSS通過連接到四象限光電二極管共陽極的 RL提供負(fù)偏置。不過，這種負(fù)偏置增加了跨阻放大器輸出的 DC 電壓，即使四象限二極管沒有被光照，也由此引入了測量誤差。因此，引入兩個恒定電壓 VB 和 VL來彌補(bǔ)四象限光電二極管負(fù)偏置的影響，并消除測量誤差。忽略運算放大器的失調(diào)電壓，以及四象限光電二極管的輸入電流和漏電流，當(dāng)四象限光電二極管沒有被照亮?xí)r，所有三個跨阻放大器的輸出都必須等于零。如果滿足了以下兩個條件，這些條件就滿足了：

(4)

提供這兩個恒電壓的輔助電路顯示在圖3底部。為了能夠簡單地將這兩個電壓設(shè)置在所需級別，而不使用電位器，可以簡單地選擇 RF=RL=R ，得出以下等式：VB=-VSS/2、 VL=VSS/8、 RB1/RB2=2 和 RL1/RL2=7。需要指出的是，如果電路是用電池供電的，電池電壓的下降將不會影響所有三個跨阻放大器輸出的電壓水平，與電池電壓降無關(guān)。