光電信息轉(zhuǎn)換集成組合器件

是一種對入射光點(diǎn)位置敏感的光電器件。通過對輸出電信號的處理，即可確定入射光點(diǎn)在PSD的位置。入射光點(diǎn)的強(qiáng)度和尺寸大小對PSD的位置輸出信號均無關(guān)。PSD的輸出信號只與入射光點(diǎn)的“重心”位置有關(guān)。§3.2.1位置傳感器（PSD）

PSD可分為一維PSD和二維PSD，可分別測定光點(diǎn)的一維位置坐標(biāo)、平面位置坐標(biāo)。一．一維PSD

實(shí)用的一維PSD為PIN三層結(jié)構(gòu)，上面為P層，下面為N層，中間為I層，它們?nèi)恢谱髟谕还杵?。表面P層不僅是光敏面，而且還是一個(gè)均勻的電阻層，其兩邊各有一個(gè)信號輸出電極。底層的公共電極是用來加反向偏壓的。工作原理：當(dāng)入射光照到PSD光敏面上某一點(diǎn)時(shí)，在入射位置產(chǎn)生了與光能成比例的電荷，此電荷作為光電流通過電阻層由電極輸出。假設(shè)產(chǎn)生的總的光生電流為I0，信號電極上的光電流分別為I1和I2,（假設(shè)負(fù)載電阻RL相對于R1、R2可以忽略）,則：I0=I1+I2I2I1R2R1L-xL+x==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)的距離聯(lián)立上兩個(gè)方程式可以求得：I1=I0L-x2LI2=I0L+x2L

可見：當(dāng)入射光點(diǎn)位置不變時(shí)，PSD的單個(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PSD中心的距離x成線性關(guān)系。得到：Px==I1-I2I1+I2LxPx只與光點(diǎn)的位置坐標(biāo)有關(guān)，而與入射光的強(qiáng)度無關(guān)，此時(shí)PSD就成為僅對入射光點(diǎn)敏感的器件。Px稱為一維PSD的位置輸出信號。2．二維PSD二維二維PSD有單面型和雙面型兩種形式。圖示為單面型，受光面上有兩對電極，A、B為x軸電極，E為背面襯底共用電極，用它可對正面各電極進(jìn)行反偏置。設(shè)IA~ID為電極A～D的光電流，則光點(diǎn)能量中心的位置坐標(biāo)為:

CCD（Charge-Coupled-Devices）具有結(jié)構(gòu)簡單，集成度高，制造工序少，功耗低，信噪比好等優(yōu)點(diǎn)。CCD有線陣和面陣二種，由MOS光敏元、移位寄存器、電荷轉(zhuǎn)移柵等部分組成。

CCD可把光信息轉(zhuǎn)換成電脈沖信號，而且每個(gè)脈沖反映一個(gè)光敏元的受光情況，脈沖幅度反映光強(qiáng)，脈沖順序反映光敏元的位置，這樣就起到了圖像傳感的作用?！?.2.2電荷耦合器件一、MOS光敏元的工作原理

CCD的核心部分的原理基于MOS光敏元。

MOS結(jié)構(gòu)：以硅作為半導(dǎo)體襯底，在其上熱生長一層二氧化硅(SiO2)，并在二氧化硅上面淀積金屬層（柵極）。因由金屬—氧化物—半導(dǎo)體三層所組成，故稱MOS（Metal-Oxide-Semiconductor）結(jié)構(gòu)。

P型半導(dǎo)體（S）金屬電極（M）SiO2（O）U

以P型襯底為例,加正電壓時(shí),空穴被排斥，形成一“耗盡區(qū)”（俗稱“表面勢阱”，其深度近似與電壓成正比），電子被吸引耗盡區(qū)。光照時(shí)，半導(dǎo)體硅產(chǎn)生電子-空穴對，電子被勢阱收集，空穴被排出耗盡區(qū)。勢阱吸收的光生電子數(shù)與入射光強(qiáng)成正比。一個(gè)MOS結(jié)構(gòu)單元稱為一個(gè)光敏單元或一個(gè)像素。

CCD上有成千上萬個(gè)相互獨(dú)立的MOS光敏單元，如果照在這些光敏單元上的是一幅明暗起伏的圖像，那么這些光敏單元就會(huì)產(chǎn)生出一幅與光照強(qiáng)度相對應(yīng)的光生電荷圖像，因而得到影像信號。二、移位寄存器移位寄存器也是MOS結(jié)構(gòu)，工作時(shí)它不能受光照射。NUaUbUcUatUbtUctt1t2t3t4t1t2t3t4

對多電極a1、b1、c1；……an、bn、cn，每三個(gè)如a1、b1、c1組成一個(gè)傳輸單元。存儲(chǔ)的電荷依次移位，傳輸?shù)阶詈笠粋€(gè)電極的電子被依次收集輸出。三、轉(zhuǎn)移柵(光敏單元中的電荷向移位寄存器轉(zhuǎn)移)光敏區(qū)中產(chǎn)生的電荷，由轉(zhuǎn)移門Z控制轉(zhuǎn)移至a1、a2、----an極下的勢阱。四．面陣CCD面陣CCD是按圖象信息的處理要求而輸出信號的。面陣CCD實(shí)際上是由許多線陣CCD排成二維形式，它主要用于電視攝像中。

六、CCD在動(dòng)態(tài)測量直徑中的應(yīng)用設(shè)CCD有N0個(gè)光敏元，每個(gè)光敏元的大小為13μ，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)為N，則細(xì)絲直徑D為：

CCD動(dòng)態(tài)測量細(xì)絲直徑的原理如圖。D＝13（N0-N）由于用脈沖計(jì)數(shù)測量，故光源的波動(dòng)對測量精度影響不大.故可達(dá)到較高的測量精度。如需要測量達(dá)到更高的分辨率，可用光學(xué)放大，如圖所示。如k=x/y=1/13，則實(shí)際上放大了13倍，此時(shí)D＝13k(N0-N)=(N0-N)

測量大物體，可用二塊CCD，距離固定為L，假定CCD1的計(jì)數(shù)值為N1，CCD2的計(jì)數(shù)值為N2，則D＝L－13N1+13(N0-N2)§3.3光電信息轉(zhuǎn)換組合器件補(bǔ)充：可控硅可控硅又稱晶閘管。內(nèi)部結(jié)構(gòu):陽極與陰極之間形成了PNPN四層結(jié)構(gòu)，具有J1、J2、J3三個(gè)PN結(jié)。一、可控硅元件P1N1N2P2N2陽極A陰極K門極GP1P2N1N2J1J2J3AKG可控硅的特性：①具有單向?qū)щ娦?，電流只能從陽極流向陰極;②具有正向?qū)ǖ目煽靥匦?正向?qū)▋蓚€(gè)條件：（1）陽極加上正向電壓；（2）門極和陰極之間加上一定的正向門極電壓Ug。(稱為觸發(fā))③可控硅一旦觸發(fā)后，門極對它將失去控制作用；④使導(dǎo)通的可控硅阻斷：降低陽極電壓或減小陽極電流Ia。補(bǔ)充可控硅的工作原理：可控硅的三個(gè)PN結(jié)可等效看成兩個(gè)晶體管BG1(P1N1P2)和BG2(N1P2N2)組成：P1N1P2N1P2N22Ib2Ib21Ib1Ib1當(dāng)陽極加正向電壓時(shí)，一旦有足夠的門極電流流入，就形成強(qiáng)烈的正反饋：Ig↑→Ib2↑→Ic2(=2Ib2)↑=Ib1↑→Ic1(=1Ib1)↑BG1BG2AKGK~U2IaUaUgUdRdEgU2UgUdttt0t1t2t3t4t5

光控可控硅元件又稱作光激可控硅或光控硅晶閘管。特點(diǎn)是在控制極區(qū)以光觸發(fā)代替電觸發(fā)。

光敏二極管、光敏三極管的輸出電流小，在實(shí)際的應(yīng)用中往往需要附加放大、整形、輸出等電路；而光控可控硅元件輸出電流可達(dá)安培級，并且電流大小不隨光強(qiáng)變化而變化。因此光控可控硅已作為自動(dòng)控制元件而廣泛應(yīng)用于光繼電器，自控、隔離輸入開關(guān)，光計(jì)數(shù)器，紅外探測器，光報(bào)警器等方面。二、光控可控硅元件結(jié)構(gòu)和工作原理：NPN襯底P光

光控可控硅元件由P-N-P-N四層構(gòu)成，通常光控可控硅只有兩個(gè)極，即陽極（A）和陰極（K）。它的結(jié)構(gòu)如圖所示。1IbIb2

1IbAGK結(jié)構(gòu)示意圖等效電路圖電路符號三、雙向可控硅NPNPN五層結(jié)構(gòu)，它有兩個(gè)主電極A1、A2和一個(gè)門極?？梢钥闯墒且粚Ψ床⒙?lián)的普通可控硅器件。結(jié)構(gòu)及符號：NNPNNNPT1T2GT1T2G1.雙向可控硅特性曲線2．雙向可控硅的觸發(fā)方式

工作在第一象限有二種觸發(fā)方式1＋和1－，工作在第三象限有二種觸發(fā)方式3＋和3－。

1＋：T1對T2加正電壓，G對T2加正電壓；

1－：T1對T2加正電壓，G對T2加負(fù)電壓；

3＋：T1對T2加負(fù)電壓，G對T2加正電壓；

3－：T1對T2加負(fù)電壓，G對T2加負(fù)電壓；四種觸發(fā)方式（應(yīng)用時(shí)一般采用第一和第三象限的組合）圖4.2.1-6雙向可控硅特性曲線

3.雙向可控硅觸發(fā)電路舉例

雙向可控硅應(yīng)用電路§3.3.1光電耦合器一、結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)光電耦合器結(jié)構(gòu)圖將LED和光敏三極管組裝在一起，密封在一個(gè)對外隔光的封裝中：

二、光電耦合器的類型主要有：普通光電耦合器；達(dá)林頓光電耦合器；雙光電耦合器；四光電耦合器。重要特性:

(1)輸入端和輸出端的電路完全隔開;(2)兩個(gè)電路之間可安全地存在成百上千伏的電位差;(3)信號的傳遞是單向的。輸出端的強(qiáng)干擾等不會(huì)影響到輸入端。

單只光敏三極管作輸出級?；鶚O(腳6）一般開路不用，在此情況下，具有300kHz的有效帶寬。將基極（引腳6）和發(fā)射極（引腳4）的引出端短接在一起：轉(zhuǎn)換為光敏二極管，在這種情況下，帶寬約30MHz。（a）普通光電耦合器

達(dá)林頓光電耦合器(圖b):有效帶寬為30kHz。

圖c和圖d所示的雙和四光電耦合器都是利用單只光敏三極管作為輸出級。一般輸入腳與輸出腳各自分別封裝在兩邊。有利于增加隔離電壓的最大可能值。在圖(c)和圖(d)所示的雙和四光電耦合器件中，盡管它們具有1.5kV的隔離電壓值，但相鄰?fù)ǖ篱g所出現(xiàn)的電位差卻不允許超過500V。四、光電耦合雙向可控硅

典型的光耦合SCR典型的光耦合雙向可控硅圖（1）：控制小功率燈泡的電路；圖（2）：控制大功率負(fù)載的電路。圖（1）圖（2）

是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。具有分辨率高，可靠性好，抗干擾能力強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)?？煞譃樵隽渴骄幋a器和絕對式編碼器。

增量式編碼器的原理是光柵的莫爾條紋。形成莫爾條紋必須由兩塊柵距相等的光柵組成.一、增量式編碼器1．原理§3.3.2光電編碼器光柵線間距0.01～0.1mm由幾何關(guān)系可得光柵柵距（線紋間距）w、莫爾條紋寬度B和兩光柵線紋間的夾角θ之間的關(guān)系為θ很小時(shí)，由于θ角很小，因而1/θ較大，這樣測量莫爾條紋的寬度就比測量光柵線紋寬度容易，故莫爾條紋具有放大作用。主光柵盤安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，與被測軸連接作同步轉(zhuǎn)動(dòng)。2）光柵盤3）光電信息轉(zhuǎn)換器件一般用一對光敏二極管或光敏三極管。放置間距為莫爾條紋間距的四分之一，這樣輸出的信號相位差正好是900。4）機(jī)械結(jié)構(gòu)安裝光柵盤的轉(zhuǎn)軸通過滾珠軸承與機(jī)械外殼連接，外殼由金屬封閉，以防電磁場的干擾，。2．結(jié)構(gòu)1）光源一般用近紅外LED，發(fā)光峰值波長為0.94μ。

信號處理電路框圖如圖3.3.2－2所示。

當(dāng)光柵盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光電接收器輸出近似的正弦信號，經(jīng)放大后由施密特比較器進(jìn)行整形。辨向電路如圖3.3.2－3所示。如編碼器正轉(zhuǎn)，則

V1的相位超前90o，Vo輸出為“1”，控制可逆計(jì)數(shù)器做加法計(jì)數(shù)，反之則V2的相位超前90o，Vo輸出為“0”，控制可逆計(jì)數(shù)器做減法計(jì)數(shù)。4．信號處理電路二、絕對式編碼器

1．原理

將光學(xué)碼盤進(jìn)行絕對式編碼，用透光和不透光表示二進(jìn)制代碼的“1”和“0”，編碼方式按二進(jìn)制碼或循環(huán)碼等規(guī)律進(jìn)行。

2．二進(jìn)制編碼方式

將碼盤加工成數(shù)個(gè)碼道，每個(gè)碼道有黑白分明的碼字組成，外層代表最低位，最里面代表最高位，碼字排列按二進(jìn)制規(guī)律進(jìn)行。二進(jìn)制碼盤的碼道數(shù)n和碼道編碼容量M之間關(guān)系為：

M＝2n

角度分辨率γ與碼道數(shù)n間關(guān)系：

γ＝360o/M＝360o/2n3．循環(huán)碼編碼方式

循環(huán)碼編碼的形式有格雷碼，周期碼，反射碼等。循環(huán)碼盤的特點(diǎn):(1)相鄰的兩組數(shù)碼之間只有一位是變化的。圖3.3.2-6是一種典型的格雷碼圖案，有五個(gè)碼道構(gòu)成。

(2)最外層的碼字寬比二進(jìn)制的大一倍.(3)高位二種碼的取值相同，用C表示二進(jìn)制，R表示循環(huán)碼，i表示碼道數(shù)，i＝1，代表最里層（高位）的碼道。C1=R1Ci=RiCi-1轉(zhuǎn)換電路

是近十多年發(fā)展起來的一種組合光電器件，目前向軍民兩用方向發(fā)展。光纖陀螺是屬于慣性技術(shù)范疇的一種慣性儀表，也是光電子技術(shù)范疇的一種光傳感器，光纖陀螺是慣性技術(shù)與光電子技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物。

精度可達(dá)到0.00001度/小時(shí)?！?.3.3光纖陀螺GS1810-120光纖陀螺儀

ω一．Sagnac