光電信息轉換集成組合器件

是一種對入射光點位置敏感的光電器件。通過對輸出電信號的處理，即可確定入射光點在PSD的位置。入射光點的強度和尺寸大小對PSD的位置輸出信號均無關。PSD的輸出信號只與入射光點的“重心”位置有關?！?.2.1位置傳感器（PSD）

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

實用的一維PSD為PIN三層結構，上面為P層，下面為N層，中間為I層，它們全被制作在同一硅片上。表面P層不僅是光敏面，而且還是一個均勻的電阻層，其兩邊各有一個信號輸出電極。底層的公共電極是用來加反向偏壓的。工作原理：當入射光照到PSD光敏面上某一點時，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,（假設負載電阻RL相對于R1、R2可以忽略）,則：I0=I1+I2I2I1R2R1L-xL+x==式中L為PSD中點到信號電極的距離，x為入射光點距PSD中點的距離聯(lián)立上兩個方程式可以求得：I1=I0L-x2LI2=I0L+x2L

可見：當入射光點位置不變時，PSD的單個電極輸出電流與入射光強度成正比。而當入射光強度不變時，單個電極的輸出電流與入射光點距PSD中心的距離x成線性關系。得到：Px==I1-I2I1+I2LxPx只與光點的位置坐標有關，而與入射光的強度無關，此時PSD就成為僅對入射光點敏感的器件。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行反偏置。設IA~ID為電極A～D的光電流，則光點能量中心的位置坐標為:

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

CCD可把光信息轉換成電脈沖信號，而且每個脈沖反映一個光敏元的受光情況，脈沖幅度反映光強，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結構：以硅作為半導體襯底，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—半導體三層所組成，故稱MOS（Metal-Oxide-Semiconductor）結構。

P型半導體（S）金屬電極（M）SiO2（O）U

以P型襯底為例,加正電壓時,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，半導體硅產(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)與入射光強成正比。一個MOS結構單元稱為一個光敏單元或一個像素。

CCD上有成千上萬個相互獨立的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產(chǎn)生出一幅與光照強度相對應的光生電荷圖像，因而得到影像信號。二、移位寄存器移位寄存器也是MOS結構，工作時它不能受光照射。NUaUbUcUatUbtUctt1t2t3t4t1t2t3t4

對多電極a1、b1、c1；……an、bn、cn，每三個如a1、b1、c1組成一個傳輸單元。存儲的電荷依次移位，傳輸?shù)阶詈笠粋€電極的電子被依次收集輸出。三、轉移柵(光敏單元中的電荷向移位寄存器轉移)光敏區(qū)中產(chǎn)生的電荷，由轉移門Z控制轉移至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在動態(tài)測量直徑中的應用設CCD有N0個光敏元，每個光敏元的大小為13μ，計數(shù)器計數(shù)為N，則細絲直徑D為：

CCD動態(tài)測量細絲直徑的原理如圖。D＝13（N0-N）由于用脈沖計數(shù)測量，故光源的波動對測量精度影響不大.故可達到較高的測量精度。如需要測量達到更高的分辨率，可用光學放大，如圖所示。如k=x/y=1/13，則實際上放大了13倍，此時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的計數(shù)值為N1，CCD2的計數(shù)值為N2，則D＝L－13N1+13(N0-N2)§3.3光電信息轉換組合器件補充：可控硅可控硅又稱晶閘管。內部結構:陽極與陰極之間形成了PNPN四層結構，具有J1、J2、J3三個PN結。一、可控硅元件P1N1N2P2N2陽極A陰極K門極GP1P2N1N2J1J2J3AKG可控硅的特性：①具有單向導電性，電流只能從陽極流向陰極;②具有正向導通的可控特性;正向導通兩個條件：（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使導通的可控硅阻斷：降低陽極電壓或減小陽極電流Ia。補充可控硅的工作原理：可控硅的三個PN結可等效看成兩個晶體管BG1(P1N1P2)和BG2(N1P2N2)組成：P1N1P2N1P2N22Ib2Ib21Ib1Ib1當陽極加正向電壓時，一旦有足夠的門極電流流入，就形成強烈的正反饋：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，在實際的應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安培級，并且電流大小不隨光強變化而變化。因此光控可控硅已作為自動控制元件而廣泛應用于光繼電器，自控、隔離輸入開關，光計數(shù)器，紅外探測器，光報警器等方面。二、光控可控硅元件結構和工作原理：NPN襯底P光

光控可控硅元件由P-N-P-N四層構成，通常光控可控硅只有兩個極，即陽極（A）和陰極（K）。它的結構如圖所示。1IbIb2

1IbAGK結構示意圖等效電路圖電路符號三、雙向可控硅NPNPN五層結構，它有兩個主電極A1、A2和一個門極?？梢钥闯墒且粚Ψ床⒙?lián)的普通可控硅器件。結構及符號：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加負電壓；

3＋：T1對T2加負電壓，G對T2加正電壓；

3－：T1對T2加負電壓，G對T2加負電壓；四種觸發(fā)方式（應用時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

雙向可控硅應用電路§3.3.1光電耦合器一、結構和特點光電耦合器結構圖將LED和光敏三極管組裝在一起，密封在一個對外隔光的封裝中：

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。輸出端的強干擾等不會影響到輸入端。

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，但相鄰通道間所出現(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）：控制大功率負載的電路。圖（1）圖（2）

是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。具有分辨率高，可靠性好，抗干擾能力強，應用范圍廣等優(yōu)點?？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之間的關系為θ很小時，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。主光柵盤安裝在轉動軸上，與被測軸連接作同步轉動。2）光柵盤3）光電信息轉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）機械結構安裝光柵盤的轉軸通過滾珠軸承與機械外殼連接，外殼由金屬封閉，以防電磁場的干擾，。2．結構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。

當光柵盤轉動時，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行整形。辨向電路如圖3.3.2－3所示。如編碼器正轉，則

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

1．原理

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

2．二進制編碼方式

將碼盤加工成數(shù)個碼道，每個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，碼字排列按二進制規(guī)律進行。二進制碼盤的碼道數(shù)n和碼道編碼容量M之間關系為：

M＝2n

角度分辨率γ與碼道數(shù)n間關系：

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:(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，有五個碼道構成。

(2)最外層的碼字寬比二進制的大一倍.(3)高位二種碼的取值相同，用C表示二進制，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范疇的一種慣性儀表，也是光電子技術范疇的一種光傳感器，光纖陀螺是慣性技術與光電子技術緊密結合的產(chǎn)物。

精度可達到0.00001度/小時?！?.3.3光纖陀螺GS1810-120光纖陀螺儀

ω一．Sagnac