光電位置傳感器

光電位置傳感器第1頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期日APositionSensitiveDetector(PSD)consistsofamonolithicPINphotodiodewithauniformresistanceinoneortwodimensions.

PSDshavemanyadvantages,comparedtodiscreteelementdetectors,includinghighpositionresolution,fastresponsespeedandsimpleoperatingcircuits.Positiondataisindependentofthesizeoflightspotonthedetector.Theycanbeusedfornon-contactdistancemeasurement,laserbeamalignmentandopticaltrackingofanobject.PSDsfortrackingelectronsorhighenergyparticlesarealsoavailable.第2頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期日光電位置傳感器是一種對(duì)入射到光敏面上的光點(diǎn)位置敏感的光電器件，其輸出信號(hào)與光點(diǎn)在光敏面上的位置有關(guān)。它對(duì)光斑的形狀無(wú)嚴(yán)格要求

,即輸出信號(hào)與光的聚焦無(wú)關(guān)，只與光的能量中心位置有關(guān)；光敏面無(wú)需分割，消除了死區(qū)，可連續(xù)測(cè)量光斑位置，位置分辨率很高，一維可以達(dá)到0.2um；可同時(shí)檢測(cè)位置和光強(qiáng)。特點(diǎn)：第3頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期日1.PSD器件的工作原理

設(shè)p型層的電阻是均勻的，兩電極間的距離為2L，流過(guò)兩電極的電流分別為I1和I2，則流過(guò)n型層上電極的電流I0為I1和I2之和。

當(dāng)光束入射到PSD器件光敏層上距中心點(diǎn)的距離為xA時(shí)，在入射位置上產(chǎn)生與入射輻射成正比的信號(hào)電荷，此電荷形成的光電流通過(guò)電阻p型層分別由電極1與2輸出。第4頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期日I0=I1+I2

第5頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期日2.一維PSD器件

一維PSD器件主要用來(lái)測(cè)量光斑在一維方向上的位置或位置移動(dòng)量的裝置。圖3-34（a）為典型一維PSD器件S1543的結(jié)構(gòu)示意圖，其中1和2為信號(hào)電極，3為公共電極。它的光敏面為細(xì)長(zhǎng)的矩形條。

第6頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期日?qǐng)D3-35所示，為一維PSD位置檢測(cè)電路原理圖，光電流I1經(jīng)反向放大器A1放大后分別送給放大器A3與A4，而光電流I2經(jīng)反向放大器A2放大后也分別送給放大器A3與A4，放大器A3為加法電路，完成光電流I1與I2相加的運(yùn)算（放大器A5用來(lái)調(diào)整運(yùn)算后信號(hào)的相位）；放大器A4用作減法電路，完成光電流I2與I1相減的運(yùn)算。第7頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期日3.二維PSD器件

如圖3-36（a）所示，在正方形的PIN硅片的光敏面上設(shè)置2對(duì)電極，分別標(biāo)注為Y1，Y2和X3，X4，其公共N極常接電源Ubb。二維PSD器件的等效電路如圖3-36（b）所示

第8頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期日為了減少測(cè)量誤差常將二維PSD器件的光敏面進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的PSD光敏面如圖3-37所示圖形，四個(gè)引出線分別從四個(gè)對(duì)角線端引出，光敏面的形狀好似正方形產(chǎn)生了枕形畸變。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是光斑在邊緣的測(cè)量誤差被大大地減少。

第9頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期日UbbRLUo反向偏置電路3.3光生伏特器件的偏置電路

3.3.1反向偏置電路

光生伏特器件在反向偏置狀態(tài)，PN結(jié)勢(shì)壘區(qū)加寬，有利于光生載流子的漂移運(yùn)動(dòng)，使光生伏特器件的線性范圍和光電變換的動(dòng)態(tài)范圍加寬。

第10頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期日1.反向偏置電路的輸出特性

在如圖3-40所示的反向偏置電路中，Ubb>>KT/q時(shí)，流過(guò)負(fù)載電阻RL的電流IL為

二極管兩端的電壓可以寫成第11頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期日2.輸出電流、電壓與輻射量間的關(guān)系

反向飽和電流很小，可以忽略不計(jì)。

反向偏置電路的輸出電壓與入射輻射量的關(guān)系為

輸出電壓信號(hào)△U為

第12頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期日例用2CU2D光電二極管探測(cè)激光器輸出的調(diào)制信號(hào)φe,λ=20+5sinωt（μW）的輻射通量時(shí)，若已知電源電壓為15V，2CU2D的光電流靈敏度Si=0.5μA/μW，結(jié)電容Cj=3pF，引線分布電容Ci=7pF，試求負(fù)載電阻RL=2MΩ時(shí),該電路的偏置電阻RB為多少？并計(jì)算輸出最大電壓信號(hào)情況下的最高截止頻率為多少？

解首先找出入射輻射的峰值φm

φm=20+5=25μW第13頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期日2CU2D的最大輸出光電流Im設(shè)最大輸出電壓信號(hào)時(shí)的偏置電阻為RB，則Im=Siφm=12.5(μA)最大輸出的電壓時(shí)的最高截止頻率fb為第14頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期日3.反向偏置電路的設(shè)計(jì)與計(jì)算

反向偏置電路常用圖解法，根據(jù)光電三極管（或光伏器件）的反向偏置電路圖與其輸出特性曲線，可以求解出任何入射輻射作用下的輸出電壓信號(hào)。也可以根據(jù)題目的要求，設(shè)計(jì)出偏置電路的各種參數(shù)。例

已知某光電三極管的伏安特性曲線如圖3-42所示。當(dāng)入射光通量為正弦調(diào)制量φv,λ=55+40sinωtlm時(shí)，今要得到5V的輸出電壓，試設(shè)計(jì)該光電三極管的變換電路，并畫出輸入輸出的波形圖，分析輸入與輸出信號(hào)間的相位關(guān)系。

第15頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期日解

:首先根據(jù)題目的要求，找到入射光通量的最大值與最小值φmax=55+40=95lmφmin=55－40=15lm在特性曲線中畫出光通量的變化波形，補(bǔ)充必要的特性曲線。第16頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期日再根據(jù)題目對(duì)輸出信號(hào)電壓的要求，確定光電三極管集電極電壓的變化范圍，本題要求輸出5V，指的是有效值，集電極電壓變化范圍應(yīng)為雙峰值。即

Uce=2U≈14V

根據(jù)偏置電路可知，入射為最大時(shí)輸出電壓應(yīng)最小，但不能進(jìn)入飽和區(qū)。為此，在特性曲線的“拐點(diǎn)”右側(cè)找一點(diǎn)“A”并做垂線交橫軸于“C”點(diǎn)，從“C”向右量14V，找“D”點(diǎn)。由“D”做垂線交入射為最小的特性曲線與“B”。通過(guò)“A”、“B”做直線，此線即為負(fù)載線。由負(fù)載線可以得到負(fù)載電阻RL和電源電壓Ubb。

第17頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期日根據(jù)入射光通量正弦變化關(guān)系可以在特性曲線的電壓坐標(biāo)軸上畫出輸出信號(hào)的波形如圖所示。由輸出波形可以看出入射輻射與輸出電壓信號(hào)為反向關(guān)系。顯然，“C”點(diǎn)電壓為3.7V，“D”點(diǎn)電壓為17.7V。電源電壓Ubb近似為19V，取標(biāo)稱電壓20V。電源電壓Ubb取標(biāo)稱電壓20V后可以適當(dāng)?shù)匦拚?fù)載線。第18頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期日3.3.2零伏置電路

如圖3-43所示為