AN-1194 四象限光電二極管用于高精度位移測量系統的應用案例

四象限光電二極管是光學(xué)跟蹤和位移測量系統中的關(guān)鍵部件。典型應用包括光學(xué)數據存儲設備中拾取激光的光束居中，激光鑷（光阱）系統中的珠位測量與阱剛度標定、掃描探針顯微鏡中的懸臂位移測量，以及各種長(cháng)距離激光跟蹤的應用，如航天和衛星光通信，以及針對土木工程和采礦業(yè)校準的應用。此外，由于其簡(jiǎn)單、可靠的設計和高靈敏度，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(guò)，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(gè)傳感系統的特性。因此，要特別注意配套電路的設計。通常情況下，基于四象限光電二極管的位移測量系統都用于戶(hù)外（如土木工程和采礦業(yè)），其中的測量系統必須是電池供電的�？紤]到這種測量系統的廣泛應用，需要不斷降低電源電壓和功耗，因此必須密切關(guān)注電路設計。

在本應用筆記中，我們將提出一個(gè)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計。

用四象限光電二極管測量位置

測量系統的具體要求往往取決于：精度、準確性、線(xiàn)性度、動(dòng)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(gè)光源組成的光學(xué)系統（通常使用激光或LED），通常是非常簡(jiǎn)單的無(wú)源光學(xué)組件來(lái)完成這些指定要求。這種特殊而簡(jiǎn)單的光學(xué)系統起到確定物體位置和光點(diǎn)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，也取決于目標光學(xué)耦合系統的特性。無(wú)論四象限光二極管表面的光點(diǎn)輻射分布如何，大多數關(guān)于四象限光電二極管中心的光點(diǎn)位置評估算法都是基于光點(diǎn)重心的位置計算。這樣的算法實(shí)現了高靈敏度、高速度、高分辨率的位置測量。每個(gè)四象限光電二極管都由沉積在一個(gè)芯片上的四個(gè)匹配的光電二極管組成，如圖1所示。

圖1. 在一個(gè)芯片上沉積四個(gè)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(gè)光電二極管（PD1、

PD2、PD3和PD4）組成，以在其表面形成光點(diǎn)（LS）的極管的照片

方式照明

根據四象限光電二極管表面的光點(diǎn)位置和形狀，每個(gè)光電二極管都將產(chǎn)生電流，其線(xiàn)性依賴(lài)于捕獲的光功率量。因此，如果光點(diǎn)對稱(chēng)于兩個(gè)軸，且集中在四象限光電二極管中心，所有四個(gè)光電二極管的電流都是一樣的。如果光點(diǎn)中心從四象限光電二極管中心移動(dòng)，電流會(huì )有所不同。

為了確定光點(diǎn)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(gè)軸的光點(diǎn)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(gè)信號用作歸一化信號。為了滿(mǎn)足所有這些要求，相應的電路可以基于SILEGO SLG88104V軌至軌I/O 375 nA四運算放大器成功制作。

通過(guò)處理來(lái)自四象限光電二極管的電流信號來(lái)直接測量相對于四象限光電二極管中心的光點(diǎn)中心位置是不可能的。不過(guò)，通過(guò)測量這些電流信號，就可以通過(guò)光強分布參數的比例估計四象限光電二極管表面的光點(diǎn)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(diǎn)中心位置和光電二極管產(chǎn)生的電流之間復雜的數學(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(dòng)的光點(diǎn)都很小。因此，光點(diǎn)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(diǎn)中心位置，而 ij是通過(guò)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(guò)程中可能出現的光源發(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(gè)光電二極管電流之和

(i1+i2+i3+i4)成正比的相應信號。.

四象限光電二極管電路

為了實(shí)現光點(diǎn)位置的測量，即對應目標的位置，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(mǎn)足這樣條件的典型電路至少包括七個(gè)運算放大器。大量的運算放大器會(huì )增加整體功耗，同時(shí)惡化整個(gè)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(gè)運算放大器處理光電二極管電流的模擬信號，而第四個(gè)運算放大器只用于偏置目的。這種相對簡(jiǎn)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(lái)實(shí)現的。通過(guò)利用四象限光電二極管，陽(yáng)極電流等于四個(gè)光電二極管電流的總和，進(jìn)入三個(gè)跨阻放大器的電流 iX, iY和 iΣ通過(guò)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換成相應的電壓信號 vX, vY和 vΣ通過(guò)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(gè)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(chēng)的，即所有四個(gè)光電二極管都必須連接到相同電阻，以匹配其頻率響應。

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(gè)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(guò)連接到四象限光電二極管共陽(yáng)極的 RL提供負偏置。不過(guò)，這種負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(méi)有被光照，也由此引入了測量誤差。因此，引入兩個(gè)恒定電壓 VB 和 VL來(lái)彌補四象限光電二極管負偏置的影響，并消除測量誤差。忽略運算放大器的失調電壓，以及四象限光電二極管的輸入電流和漏電流，當四象限光電二極管沒(méi)有被照亮時(shí)，所有三個(gè)跨阻放大器的輸出都必須等于零。如果滿(mǎn)足了以下兩個(gè)條件，這些條件就滿(mǎn)足了：

 (4)

提供這兩個(gè)恒電壓的輔助電路顯示在圖3底部。為了能夠簡(jiǎn)單地將這兩個(gè)電壓設置在所需級別，而不使用電位器，可以簡(jiǎn)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(huì )影響所有三個(gè)跨阻放大器輸出的電壓水平，與電池電壓降無(wú)關(guān)。

四象限光電二極管電路的小信號分析

當四象限光電二極管暴露在光的照射下時(shí)，來(lái)自光電二極管的光電流會(huì )流入電路，從而提供關(guān)于光點(diǎn)位置的信息。相應的電壓信號由方程（3）給出。不過(guò)，這些電流可以影響四象限光電二極管的兩級的電壓。光電二極管的兩級電壓通過(guò)下式給出：

                                       (5)

為了保持四象限光電二極管處在感光模式，需要保證施加在四個(gè)光電二極管的電壓都是反向電壓�？紤]到位置測量的高度線(xiàn)性要求，必須滿(mǎn)足 i1≈i2≈i3≈i4≈I/4，其中I=i1+i2+i3+i4，四象限光電二極管感光模式的條件通過(guò)下式給出：

                                                              (6)

其中 RF=RL=R，并假設VB=-VSS/2。這個(gè)條件限制了照射到四象限光電二極管光源的最大光功率，得以保持整個(gè)四象限光電二極管電流在不等式定義的最大值以下（6）。

四象限光電二極管電路的噪聲分析由于使用了大量組件，圖3所示的四象限光電二極管電路中有大量噪聲源，這使得噪聲分析相當復雜和耗費時(shí)間。不過(guò)，如果我們讓RF=RL=R，跨阻放大器輸出的電壓噪聲信號的功率譜密度<vXn

路過(guò)

雞蛋

鮮花

握手

雷人