位置传感器PSD的应用电路设计

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1、电子测量与仪器学报2009年增刊位置传感器PSD的应用电路设计何敏1刘荣2闵锐1(1、解放军理工大学理学院，南京2IO0072、解放军理工大学通信工程学院，南京210007)摘要：通过分析PSD的测揖原理，设计了前置放大电路，根据PSD器件本身和前置放大电路中存在的问题，对电路设计进行了改进。实验证明，改进后的电路有较高的测量精度和准确度。关键词：PSD；采样保持电路：仪用放大电路中图分类号：TP29文献标识码：AApplicationcircuitdesignbasedonpositionsensorPSDHeMinlLiuRon92M

2、inRuil(1．InstituteofSciences，PLAUniv．ofSci．&Tech．，2．InstituteofCommunicationsEngineering，PLAUniv．ofSei．&Tech．，Nanjing210007，China)Abstract：ByanalyzingthemeasuringprincipleofPSD,designedapreamplifiercircuit,AccordingtoproblemofPSDdeviceitselfandthatexistinthepreamplifierci

3、rcuit,thecircuitdesignisimproved．Experimentsshowthattheimprovedcircuithasahighermeasurementprecisionandaccuracy．Keywords：PSD'sample-and-holdcircuit,instrumentamplifier日前主要采用PSD位置传感器和线阵CCD两种方式来测量位置的变化和微小角度。采用PSD设计的电路简单，成本低，分辨率高，响应速度快，使用方便，在精密尺寸测量、机器人技术、导弹制导及航空等许多方面得到广泛的应用。

4、CCD由于受像素大小和问隔的限制，分辨率比较低，其运算电路复杂，响应速度慢。考虑到分辨率的要求和结构简单，选用PSD作为光电探测仪，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凶素影响较大，因此在设计测量电路时需要尽量克服和减少影响PSD性能的各种因素，才能设计出较为完善的测量电路。本文从PSD的原理出发，对前置放大电路进行了改进；研究了影响测量精度的因素，给出了解决方法。1PSD的测量原理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

5、I一一面上的不同电极之间将会自．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、F面位簧坐标．。下面介绍的足一维PSD的工作原理，如图l323所示。它由RI，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。^弛一h■图1一维P

6、SD结构和等效电路当入射光照射到光敏面上某点时，由于平行于结平面的横向电场的作用，在光的作用下，载流电子形成向两端电极流动的电流，，和，，，它们的和等于总电流厶。如果PSD的面电阻是均匀的，且其阻值局和恐远大于负载电阻吼，则Rl和飓的值仅取决于入射光的位置，此时有以下关系式成’立：玉：堕：生二苎厶蜀厶+x电子测量与仪器学报2009年增刊式中，厶_PsD中点到信号电极间的距离；x—入射点距PSD中点的距离。把／o--^+／2带入，经计算得：Il刊0瓮，12叫0瓮·由上式可以看出，当入射光点位置一定时，PSD单个电极输出电流与总电流成正比，即

7、与入射光强成正比(总电流与入射光强成正比)：而当入射光强不变时，单个电极的输出电流与入射光点距PSD中心的距离x成线性关系。如果可以测得ll和12的大小，理论上可以直接得到入射点距PSD中点的距离：x=措。J2+Jl。采用的PSD是SD．402，主要用于照相机上的自动聚焦中，有22mm的测量范围。SD．402在外加IV电压时阻抗的典型值为200KQ，最小值为140KQ，最大值为260kf2。其电流是雌级的电流，用电流检测芯片进行检测时，由于电流太小会造成大的误差，在进行检测之前需要将PSD转换的电信号进行放大12J。2前置放大电路的设计在

8、设计电路时，首先要考虑如何放大电流信号。PSD是个电流源信号，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