（电路与系统专业论文）抑制环境噪声的红外接近传感器px3062的设计.pdf

摘要 随着电子产品向智能化的方向发展，光电传感器呈现出强劲的发展势头，广 泛应用于移动产品，计算机产品，消费电子产品以及工业、医疗和汽车电子技术 等领域，具有广泛的应用需求和广阔的市场前景，但是我国新型光电传感器研究 现状不容乐观，研究并开发国内的光电传感器，不仅可以开发国内市场，还可以 填补该产品领域的空白，具有非常重要的现实意义。 本论文设计工作来源于西安电子科技大学电路设计c a d 研究所科研项目 “l i g h ts e n s o r 关键技术理论研究与电路设计。本文分析了红外接近传感器的工 作原理，详细的介绍了红外接近传感器p x 3 0 6 2 的系统设计方案、关键功能模块电 路的设计，以及各项功能和性能指标的仿真验证，针对红外接近传感器容易受到 环境噪声( 如太阳光，灯光的干扰和温度改变) 影响而发生检测错误的问题，提出一 种高效的环境噪声抑制方法通过光学镀膜滤波和基于时序控制的数模混合减 法电路，采用分步滤除环境噪声，达到准确接近检测的目的。所设计的接近传感 器可以在阳光直射，温度低于8 5 的环境下，实现对2 5 c m 范围内物体接近程度 的准确感测，此外所设计的接近传感器可以工作在掉电模式下，在不需要的情况 下使功耗接近于零，在工作模式下根据需要设置休眠时间降低功耗，而且集成了 a d c ( a n a l o g t o d i g i t a lc o n v e r t e r ) 、l e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e ) 驱动和i z c 接口，中 断可以通过芯片引脚输出，具有可编程能力，使用十分简单。 在完成对接近传感器工作原理分析与电路设计的基础上，所设计电路在3 3 v 0 3 5 9 mc m o s 工艺下，通过s p e c t r e 进行仿真，结果表明本文设计的传感器在给定 的噪声环境中工作与无环境噪声的理想情况相比，最大误差不超过1 ，结果满足 预期设计指标。 关键词：接近传感器光电二极管a d c 红外环境噪声抑制 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i cp r o d u c t st o w a r d st h ei n t e l l e c t u a l i z e dd i r e c t i o n ， l i g h ts e n s o rp r e s e n t sr o b u s tm o m e n t u mo fg r o w t h ，w h i c hi sw i d e l yu s e di nm o b i l e p r o d u c t s ，c o m p u t e rp r o d u c t s ，c o n s u m e r e l e c t r o n i c p r o d u c t s ，i n d u s t r y , m e d i c a l ， a u t o m o b i l e ，a n ds oo n 1 1 1 ep r e s e n tr e s e a r c hs i t u a t i o no nl i g h ts e n s o ri sn o to p t i m i s t i ci n c h i n aa l t h o u g hi ti sw i d e l yu s e d i ti so fg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et os t u d ya n d d e v e l o pd o m e s t i cl i g h ts e n s o r , w h i c hc a n n o to n l ye x p l o r ed o m e s t i cm a r k e t ，b u ta l s of i l l g a p si nt h i sp r o d u c ta r e ao fo u rs t a t e t h ed e s i g ni nt h ep a p e ri sb a s e do nt h ep r o j e c t t h e o r e t i c a lr e s e a r c ho nt h ek e y t e c h n i q u ea n dt h ed e s i g nf o rl i g h ts e n s o r i nt h ei n s t i t u t eo fe l e c t r o n i cc a d i n x i d i a nu n i v e r s i t y t h i sp a p e rp r e s e n t st h ef u n d a m e n t a l so fi n f r a r e dp r o x i m i t ys e n s o r s ， w h i c hd e s c r i b e st h es y s t e ms c h e m ea n dk e yf u n c t i o n a lm o d u l e s c i r c u i td e s i g no f p r o x i m i t ys e n s o rp x 3 0 6 2 ，a n dt h ef u n c t i o n a la n dp e r f o r m a n c es i m u l a t i o nr e s u l t sa r e g i v e n t h ei n f r a r e dp r o x i m i t ys e n s o rc a n n o ts e n s ep r o x i m i t yc o r r e c t l yw i t ht h ee f f e c to f e n v i r o n m e n tn o i s e ，s u c ha st h ei n t e r f e r eo fs u n l i g h t ，l i g h ta n dt e m p e r a t u r ec h a n g e a k i n do fh i g h l ye f f e c t i v em e t h o do fe n v i r o n m e n tn o i s es u p p r e s s i o ni sp r o p o s e db a s e do n t h e p r o b l e m ，w h i c he m p l o y so p t i c a lf i l m i n g f i l t e ra n d s e q u e n t i a lc o n t r o l l i n g d i g i t a l - a n a l o gm i x e ds u b t r a c t i o nc i r c u i tt or e m o v ee n v i r o n m e n tn o i s es t e pb ys t e p ， a c h i e v i n gt h ep u r p o s eo fa c c u r a t ep r o x i m i t ys e n s i n g m o r e o v e r , t h es e n s o rc i r c u i ti s d e s i g n e d ，w h i c hc a ns e n s et h ep r o x i m i t yo fo b je c ta tad i s t a n c eu pt o2 5 c ma w a yf r o m t h es e n s o ru n d e rt h ee n v i r o n m e n to ft h es u n l i g h ta n dt e m p e r a t u r el o w e rt h a n8 5 i n a d d i t i o n ，t h i sp r o x i m i t ys e n s o rc a nw o r ki nt h ep o w e rd o w nm o d e ，w h i c hm e a n sw h e n t h ep r o x i m i t ys e n s o ri so u to fw o r kt h ep o w e rd i s s i p a t i o nc a nd e c r e a s et on e a rz e r o ， w h i l ei nt h en o r m a lw o r k i n gm o d e ，t h ep o w e rc o n s u m p t i o nc a na l s ob er e d u c e db y c o n f i g u r a t i o no fs l e e pt i m e n l ed e s i g n e dp r o x i m i t ys e n s o rc o u l db ee a s i l yu s e df o ri t s b u i l t - i na d c ( a n a l o g t o - d i g i t a lc o n v e r t e r ) ，l e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e ) d r i v e r ，1 2 c i n t e r f a c e ，i n t e r r u p tp i n ，a n da b i l i t yo fp r o g r a m m i n g t h e d e s i g n e d c i r c u i ti s v e r i f i e d b ys p e c t r e s i m u l a t i o ni n3 3 v 0 3 5 i ，t m c m o s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r ) p r o c e s s t h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tu n d e rt h eg i v e nn o i s ee n v i r o n m e n tt h es e n s ee r r o ri sl e s st h a n1 k e y w o r d s ：p r o x i m i 够s e n s o r p h o t o d i o d ea d ci n f r a r e d e n v i r o n m e n tn o i s es u p p r e s s i o n 第一章绪论 第一章绪论 本章简要概述光电传感器的研究背景和应用现状，并对本论文的项目来源和 主要工作以及论文章节安排进行简要介绍。 1 1 论文研究背景 随着集成电路技术、通信技术、电子技术的飞速发展和不断创新，大量的便 携式电子产品进入了我们的生活，如手机、m p 3 、个人数字助理、数码相机、笔 记本等等。便携式电子产品的广泛使用使我们的生活更便捷，生活质量更高。光 电传感器已从起初的工业 2 1 、医疗和航空航天【3 】等领域【4 吲成功进入消费电子市场。 目前消费类电子产品人性化设计对传感器的需求强烈，如美国苹果( a p p l e ) 公 司的i p h o n e 智能手机、i p o d 数字媒体播放器的推出轰动了整个产业界，其产品除 基本通讯功能外，输入输出界面大胆地采用传感器使产品非常人性化，如采用加 速度传感器判别手机的旋转和倒置状态以使手机画面可以相应翻转；采用电容触 摸传感器替代传统的按键；采用环境光传感器自动控制显示屏亮度以适应光照变 化和人眼的舒适度；采用红外接近传感器来判断人在接听电话时手机屏与人脸的 接近程度，以关闭触摸功能，防止误动作。随着电子产品向智能化的方向发展， 光电传感器的市场必将迎来一个前所未有的时代。 光电传感器是将光强信号转换为电信号的一种半导体装置，其敏感波长范围 包括紫外线( o 0 0 5 9 m 0 4 9 m ) 、可见光( 0 3 8 9 m o 7 6 1 上m ) 和红外线( 0 7 6 “m 1 0 0 0 9 m ) 。随着大规模集成电路制造工艺技术的发展，光电传感器显示出强劲的发 展势头，广泛的应用于移动产品( 智能手机、个人数字处理、全球定位系统等) ，计 算机产品( 笔记本、上网本等) ，消费电子产品( 液晶电视、数码相机、数码相框等) 以及工业、医疗和汽车市场等方面。 面对光电传感器广阔的市场前景，众多公司纷纷推出了各自的产品。国外方 面具有代表性的产品有：a v a g o 推出了a p d s 9 3 0 0 可编程数字环境光传感器和 a p d s 一9 1 2 0 光学接近式传感器等，i n t e r s i l 推出了i s l 2 9 0 x x 系列光电传感器，此 外s t 和m i c r o s e m i 等公司都推出了各自的适用于不同需求的光电传感器。国内的 i c 设计厂商都是近几年逐渐发展起来的，具有国人自己知识产权的传感器，特别 是消费电子产品领域的新型光电传感器现状不容乐观。只有深圳欧恩光电技术研 究所进行过相关研究，该所开发出了p 0 1 8 8 可见光线性光照传感器。 以上叙述表明，光电传感器具有广泛的应用需求和广阔的市场需求，研究并 2 抑制环境噪声的红外接近传感器p x 3 0 6 2 的设计 开发国内的光电传感器，不仅可以开发国内市场，还可以填补该产品领域的空白， 具有非常重要的现实意义。 1 2 光电传感器设计考虑因素 光电传感器种类繁多，应用广泛，各个公司开发的产品可能具有不同的功能、 可以应用于不同的领域，但是有一些设计需求是各个领域都需要的，而任何公司 在设计时都会考虑的因素，总的来说可以分为以下几个方面【7 】： 1 光谱响应与噪声抑制 对于环境光传感器来说，光谱响应范围应该是3 9 0 n m - - - 7 8 0 n m 左右的可见光， 而对该频谱范围以外的紫外和红外光不能响应，而在光电传感器所有的应用环境 中必然会存在红外与紫外光，会对传感器的输出造成干扰，因此，一个性能稳定 的环境光传感器应该对可见光范围外的光谱有抑制能力；而对接近光传感器来说 应该只对所设定的光源的频谱进行响应，而实际环境中的光谱范围较宽，因此接 近光传感器应该对所设定的光谱范围之外的光都有抑制能力。 2 动态范围 对任何功能的光电传感器来说，所设计的功能都有一定的应用范围，一般而 言希望所设计的功能有较大的动态范围。但是动态范围与灵敏度需要折中考虑。 3 集成信号调节功能 一些光电传感器可能具有较小的封装，但是外部需要放大器或a d c 等信号处 理单元，反而会造成面积浪费而且使用不方便，因此具有高集成度的光电传感器 更为收到大众的欢迎，如集成a d c 、1 2 c 等。 4 功耗 从芯片的应用场合来说，主要应用于便携式电子产品，用于降低功耗和防止 误操作，如果所使用的光电传感器自身功耗超过所节省的功耗，那它的使用意义 就降低了，因此光电传感器的功耗是一个非常重要的设计指标。 5 封装大小 对于大多数应用场合来说，封装无疑是越小越好，但是现在可提供的较小封 装尺寸为2 0 r a m 2 1 m m ，尺寸为1 3 m m x1 s m m 的4 引脚封装则是下一代封装。 1 3 论文主要工作和章节安排 本论文结合科研项目和当今光电传感器广阔的发展前景，设计了一款抑制环 境噪声的红外接近传感器p x 3 0 6 2 。该芯片具有内置i 2 c 、红外l e d 驱动，可编程， 使用方便，功耗低，面积小等特点，最重要的是该芯片中设计了噪声消除电路， 第一章绪论 且具有温度补偿功能，受环境影响较小，性能稳定。 论文共分为五章，各章节的具体安排如下 第一章：对光电传感器的研究背景以及设计考虑因素作了简要介绍； 第二章：主要对光电传感器设计用到的一些基础理论作简单的介绍，主要分 光源、光电转换和电信号的放大与处理三个方面； 第三章：对p x 3 0 6 2 的系统结构进行了设计，包括系统框架的建立、主要电特 性指标的制定等，并且对p x 3 0 6 2 芯片整体工作原理进行了分析； 第四章：对p x 3 0 6 2 关键子模块的电路实现进行了详细分析与仿真验证； 第五章：对p x 3 0 6 2 芯片整体电路进行功能和性能仿真，并且给出芯片的电气 特性与预设指标的对比。 4 抑制环境噪声的红外接近传感器p x 3 0 6 2 的设计 第二章光电传感器基础理论介绍 5 第二章光电传感器基础理论介绍 光电传感器不仅完成光与电能量之间的转换，而且更为重要的是完成光信息 与电信息的变化，它所设计的理论基础知识较宽，涵盖了光学与电学两门学科。 本章主要对本文设计的光电传感器用到的相关理论知识做简单介绍。 2 1 常用的计量参数和量纲 为了定量分析光与物质相互作用所产生的光电效应，分析光电传感器的光电 特性，以及用光电传感器进行光谱、光度的定量计量，常需要为辐射量规定相应 的计量参数和量纲【8 】，对常用到的参数和量纲介绍如下。 光能：光能是光通量在可见光范围内对时间的积分，以q 表示，其计量单位为 流明秒( 1 m s ) 。 光通量：光源表面在无穷小时间内发射、传播或接收所有可见光谱光能被无 穷短时间间隔d f 来除，定义为光通量，计为= d q d t ，计量单位为流明( 1 m ) 。 光出度：对于可见光，面光源s 表面某一点处的面元向半球面空间发射的光通 量d 西与面元面积拟之比称为光出度计为m 计量单位为勒克斯( 1 x ) p - 戈( 1 m m 2 ) 。 发光强度：发光强度的单位是坎德拉( c a n d e l a ) ，简称为坎( c d ) 。1 9 7 9 年第十六 届国际计量大会通过决议，将坎德拉重新定义为：在给定方向上能发射5 4 0 x 1 0 眩h z 的单色辐射源，在此方向上的发光强度功( 1 6 8 3 ) w s r ，其发光强度定义为一个坎 德拉( c d ) 。对发光强度为l c d 的电光源，向给定方向1 球面度内发射的光通量定义为 l l m ( 流明) 。发光强度为l c d 的电光源在整个球空间所发出的总光通量为 4 n i ( 1 2 5 6 6 1 m ) 。 亮度：亮度定义为光源表面某一点处的面元在给定方向上的发光强度除以该 面元在垂直给定方向平面上的正投影面积，即 ：上：生 ( 2 1 ) d a c o s 0d o d a c o s 0 、。 其中，p 为所给方向与面元法线之间的夹角；亮度的计量单位是坎德拉每平方米 ( c d m 2 ) 。 光效率：光源发射的总光通量咖与提供的功率尸之比称为发光效率，计为叩，计 量单位为流明每瓦( 1 m w ) ；对限定在波懒l a 2 范围内的辐射效率可以用公式表示 为 6 抑制环境噪声的红外接近传感器p x 3 0 6 2 的设计 i 呜以 叩从= l 厂1 0 0 ( 2 - 2 ) 其中奶称为光源辐通量的光谱密集度，简称为光谱辐通量。 光照度：光照度e 定义为照射到物体表面某一面元的光通量d 痧与该面元面积 以之比，其对应于可见光范围，计量单位为勒【克斯】( 1 ) 【) 。 曝光量：定义为物体表面某一面元接收的光照度脏时间段f 内的积分，计量单 位为勒【克斯 秒( i x s ) 。 2 2 光源 光电传感器可理解为将入射到被照物体的光信号转换为电信号的光电转换器 ( 也称光电探测器) ，它的最大特点是：光源的直接检测和被照射物体的间接检测都 能以非接触方式高速进行。一个完整的光电传感器系统主要由光源、光电转换和 电信号的放大与处理三部分构成。 光电传感器系统中必须有光源，光电传感器应用技术领域中所用的光源可以 分为自然光源和电光源两大类。 2 2 1 自然光源 由自然过程中产生的辐射源称为自然光源( 包括太阳、地球、星体及大气等) 。 太阳是最典型和能量最强的自然光源，在地球上研究和利用太阳的辐射，必 然受到地球公转与自转的影响引起所接收太阳光的相对变化。地球大气的状态变 化以及观察者地理位置的不同都将引起所接收太阳辐射量的差异。太阳在大气层 外并与辐射方向垂直的表面上形成的辐照度为最娜n = 1 3 9 0 w m 2 ，在地日平均距离 上的近日点所形成的辐照度可达到1 4 3 8 w m 2 ，远日点也能达到1 3 4 5 w m 2 ，在天 空较晴朗、太阳位于天顶的情况下，太阳在海平面上形成的光照度约为风。岫= 1 2 4 1 0 5k 。 2 2 2 半导体发光二极管光源 尽管早在1 9 0 7 年半导体二极管( l e d ) 在正向偏置的情况下发光现象已被发现， 人们开始用发光二极管作为数码显示器和图像显示器，还是始于2 0 世纪7 0 年代 末期，进入2 1 世纪以来，发光二极管的发光效率及发光光谱等方面都有很大的进 步与提高，l e d 不仅作为数码显示与图像显示器件，特别提出的是用l e d 作仪器 与生活照明光源已经显示了它特有的特点与独特之处，例如：它体积小，重量 轻，便于集成，便于构成各种不同几何形状的光源与不同用途的光源：工作电 压低，耗电少，驱动简便，响应速度快，容易用各种模式的计算机控制使之作为 第二章光电传感器基础理论介绍 性能优良的信息传递器件，光通信技术中已经广泛运用了大量的l e d 与光耦合器 件：它既有单色性好的各种单色l e d ，又有能够高效发出大功率的白光l e d ， 用于测量仪器与其他应用领域的光源；l e d 发光亮度高，发光效率高，发光亮 度便于在较大范围内调整，被广泛的应用于大屏幕图像显示，并取代目前的多种 照明灯，节约能源哆j 。 1 发光二极管的发光机理 图2 1 ( a ) 所示为同质结 构的p 型和n 型半导体接触 形成的p n 结区；图2 1 ( b ) 表示p n 结处于平衡状态时， 自由电子处于导带区，自由 空穴处于价带区，禁带区不 存在空穴和电子，这表明在 未加偏置电压的情况下，电 子和空穴没有足够的能量超 越势垒注入p n 结区；p n 结 处于正向偏压时如图2 1 ( c ) 所示，p n 结势垒降低，从扩 散区注入大量的非平衡载流 子( 电子) ，这些电子将从高能 烈结e 殂 ，无偏置结势垒 群主要三兰 ( b ) 无偏置结 势垒 二曩孙 j 禁带区 i 从l 省i 虿 自由空穴工w 1 7 巴 ( c ) 正偏置结势垒 二霜i 霸毫、 仁悲孑 图2 1p n 结半导体光源 级艮跌落到低能级风，并与价带中的多数载流子空穴复合，复合的过程即电子由 从高能级跌落到低能级的过程要释放出多余的能量，释放的方式为发辐射或发光。 2 光输出与电流和温度的关系 发光二极管在正向偏置电压下输出功率 与电流的关系如图2 2 所示，l e d 的发光是由 于多数载流子与从扩散区注入的少数载流子 的直接带间复合，因此光输出与驱动电流呈线 性关系变化。对于表面发光器件，驱动电流较 小时输出功率随电流线性变化，而电流较大会 由于量子效率随温度升高( 大电流时自身发热) 变为亚线性变化。 3 发光光谱与发光效率 驱动电i j r w m a 图2 2l e d 输出功率与电流的关系 发光二极管发射光谱的峰值波长由材料 的禁带宽度决定，如g a a s 红外发光二极管的禁带宽度在室温下为1 4 e v ，发光峰 值波长为0 8 6 - - 0 9 岬。发绿光的发光二极管g a p 的禁带宽度为2 2 6 e v ，发光峰 4 3 2 l o uv铸r伍钼集 8 抑制环境噪声的红外接近传感器p x 3 0 6 2 的设计 值波长为0 5 5 1 m a 。 发光二极管发射的光通量与输入电功率之比表示发光效率，单位为l m w ； g a a s 红外发光二极管的发光效率由输出辐射功率与输入电功率的百分比表示。发 光效率由内部量子效率与外部量子效率两个参数决定，提高外部量子效率的措施 有：用比空气折射率高的透明物质，如环氧树脂( 咆= 1 5 5 ) 涂敷在发光二极管上； 把晶体管表面加工成半球形；用禁带较宽的晶体作为衬底，以减少晶体对光 的吸收。 2 2 3 白炽灯光源 白炽灯的发光原理是通过电流作用维持钨丝的温度而发生辐射，属于热辐射 体，在温度较低时，热辐射体的光谱发射系数较小，而且它随波长的增大而减少， 当温度升高时，光谱发射系数随波长的变化减小，最后在温度很高时趋向于1 ，服 从黑体辐射定律 ， t = o t r t r t 4 ( 2 - 3 ) 式中仅t 为温度系数，a t = 1 一e s w 7 ，其中卢w = 1 4 7 x 1 0 - 4 k ；0 为斯忒藩- 波尔兹 曼常数；t 为灯丝的绝对温度【引。 式( 2 3 ) 表明白炽灯的灯丝温度越高，它 的辐射出射度就越强，而且根据维恩位移定 律我们知道，短波长光谱辐射的含量会随钨 丝灯温度升高而升高，灯丝温度越高，发出 的光的颜色就“越白 。国际照明委员会规 定的标准钨丝灯为灯丝温度为2 8 5 6 k 的钨 丝白炽灯。它的相对光谱辐射功率随波长的 分布曲线如图2 3 所示，波长在1 0 1 t m 处标 豫1 0 罄0 8 b 羹0 6 争4 靛0 2 幂0 00 4 0 81 2 1 622 42 8 3 2 波长 ，1 tm 图2 3 标准钨丝灯的相对光谱辐射 功率随波长的分布特性曲线 准钨丝灯的光谱辐射出射度值最高，即标准钨丝灯光谱辐射出射度的波长为 1 0 1 m a 。它发出的辐射光谱范围涵盖了整个可见光谱区，并延长至中红外区。它在 可见光谱区的辐射功率只占全部辐射功率的一小部分。 钨丝白炽灯的功率由所需要的光通量( 或光照度) 和灯的发光效率共同决定，发 光效率取决于灯丝的温度。如果要求光通量大，灯丝的直径要粗，从而流过的电 流大，电功率就大，灯丝温度高，发光效率就高。对于小功率指示灯，它的灯丝 很细，温度较低，因此发光效率也低。1 0 0 w 以下的钨丝白炽灯的发光效率一般仅 有6 1 2 。 2 3 光电转换 第二章光电传感器基础理论介绍 9 光电转换环节以光为媒介将光信号转换为电信号，以利于采用先进的电子技 术对信号进行放大、处理、测量与控制。完成这一转换工作主要依靠各种类型的 光电转换器件。光电转换器件有光电二极管、光敏电阻、光电池、光电倍增管、 真空光电管、电荷耦合器件和光位置敏感器件等。 2 3 1 光电转换器件的常用参数 本节讨论光电转换器件的常用参数【9 1 ，以便于后面具体介绍器件的特性参数。 1 响应度( 灵敏度) 响应度是光电转换器件的输出信号与输入辐射功率之间关系的度量，它描述 的是光电转换器件的光电转换效能。可以用光电转换器件输出电压或输出电流 而与入射光功率p ( 或通量国) 之比来表示，即 s 严v p s t = i d p iq - q 式( 2 - 4 ) q b ，s v 和& 分别称为光电转换器件的电压响应度和电流响应度。由于 光电转换器件的响应度与入射光的波长变化有关，因此有光谱响应度和积分响应 度。 2 光谱响应度 光谱响应度跗) 是光电转换器件的输出电压或输出电流与入射到光电转换器 件上的单色辐通量( 光通量) 之比，即 双五) = 西q ) ； 双兄) = 函q )( 2 5 ) 式( 2 5 ) 中，跗) 为光谱响应度，刚) 为入射的单色辐通量( 光通量) 。光谱响应 度表述的是入射的单色通量( 光通量) 所产生的转换器件的输出电压或输出电流，它 的值越大说明转换器件越灵敏。当西a ) 表示的是光通量时跗) 的单位为( v l m ) 。 3 积分响应度 积分响应度表示光电转换器件对连续辐射通量的反应程度。对于一个包含有 各种波长的辐射光源，总光通量表示为 巴 i 哆以 ( 2 - 6 ) 5 光电转换器件的积分响应度表示为转换器件的输出电流或电压与入射总光通 量之比。由于光电转换器件的输出光电流是由不同波长的光辐射引起的，所以输 出光电流应为 圣舌 i o = i l 钡= i s a 哆烈 ( 2 7 ) 互工 由式( 2 6 ) 、( 2 7 ) 可得积分响应度为 l o 抑制环境噪声的红外接近传感器p x 3 0 6 2 的设计 i s i 哆磁 s = 乇一 ( 2 - 8 ) p m o 式( 2 - 8 ) 中知、2 1 分别为光电转换器件的长波限和短波限，不同的辐射源具有 不同的光谱通量分布，即使是同一辐射源，不同色温所发生的光谱通量分布也不 相同，因此提供数据时应该对辐射源及其色温进行说明。 4 响应时间 响应时间是描述光电转换器件对入射辐射响应快慢的一个参数，它是指当入 射辐射到光电转换器件后或入射辐射遮断后，光电转换器件的输出上升到稳定值 或下降到照射前的值所需时间，其长短常用时间常数r 的大小来衡量。当用一个辐 射脉冲照射光电转换器件，如果该脉冲的上升和下降时间很短，如方波，则光电 转换器件的输出会由于器件的惰性而有延迟，如图2 4 所示，通常把从1 0 上升 到9 0 峰值处所需的时间称为光电转换器件的上升时间，而把从9 0 下降到1 0 处所需的时间称为下降时间。 入射 ( b ) 响应时间 l 0 7 0 7 图2 4 上升时间和下降时间图2 5 频率响应曲线 5 频率响应 由于光电转换器件信号的产生和消失存在一个滞后过程，所以入射光辐射的 频率对光电转换器件的响应将会产生较大的影响。光电转换器件的响应随入射辐 射的调制频率而变化的特性称为频率响应，利用时间常数可以得到光电转换器件 的响应度与入射调制频率的关系，可表示为 s 2 面赢阡( 2 - 9 ) 式( 2 - 9 ) 中，双厂) 是频率为厂时的响应度，岛是频率为零时的响应度，f 为时间 第二章光电传感器基础理论介绍 常数( 其值等于只c ) 。 如图2 5 所示，当掣= 击- - 0 7 0 7 时，可得放大器的上限截止频率二，显 然，光电转换器件频率响应的带宽由时间常数决定。 止= 去= 丽1 ( 2 q o ) 由式( 2 1 0 ) 易知，光电转换器件的频率响应的带宽由时间常数决定。 2 3 2 光电二极管 1 工作原理 光电二极管具有一个光敏特性的p n 结，光敏面是通过扩散工艺在n 型单晶 硅上形成一层薄膜。光敏二极管的管芯以及管芯上的p n 结面积做的较大，而电极 面积做的较小，p n 结的结深比普通半导体二极管做得浅，这都是为了提高光电转 换能力。 p n 结具有单向导电性，工作时一般处于反向偏置状态，在没有光照时，具有 很大的反向电阻，反向饱和电流很小，称为暗电流，一般为1 0 1 0 9 a 。当有光 照时，光子打在p n 结附近，半导体内被束缚的价电子吸收光子能量被激发产生电 子空穴对，多数载流子数目影响不大，p 和n 区少数载流子浓度大大提高，反向 饱和漏电流大大增加，形成光电流。当入射光照度发生变化时，光生电子空穴对 的浓度也相应变动，光电流强度也随之变动，这样光电二极管就实现了光信号到 电信号的转换。 2 基本特性 ( 1 ) 光谱特性 在一定的反偏电压和光通量下，光电 二极管的光电流与入射波长的关系称为 光电二极管的光谱特性。硅光电二极管 的光谱特性曲线如图2 6 所示，从曲线可 以看出，光电二极管的响应波长具有一 定的范围，当入射光波长过大时，光电 二极管的相对灵敏度下降，这是由于光 子能量太小，不足以激发电子空穴对， 当入射光波长过小时，光电二极管的相 对灵敏度也下降，这是由于光子在半导 1 2 lo 0 8 越 格 球0 6 莨 雩0 4 1 。l j | ，一f i_ i _ 式一。 。 图2 6 硅光电二极管的光谱特性曲线 体表面附近被吸收，投入深度小，在表面激发的电子空穴对不能到达p n 结。由 图2 6 可知，硅光电二极管的光谱响应范围为3 8 0 h m - - 1 0 8 0 n m ，其峰值波长约为 1 2 抑制环境噪声的红外接近传感器p x 3 0 6 2 的设计 8 8 0 n m 。 ( 2 ) 伏安特性 硅光电二极管的伏安特性曲线如图2 7 所示，横坐标表示反向偏置电压的大 小，当有光照时，光电流随光照强度的增大而增大，不同光照度下的伏安特性曲 线几乎平行，所以光电流没有达到饱和值前，输出光电流不受偏置电压的影响【l o 】。 因此，在光照度不变的情况下，光电二极管可被视为恒流源1 9 1 。 反向电压( v ) 图2 7 硅光电二极管的伏安特性特性 ( 3 ) 光照特性 光照度( 1 ) 【) 图2 8 光电二极管的光照特性曲线 光电二极管在反向偏置电压下的电流方程为 ，丝 、 ，= + i s i e k t l i ( 2 - 1 1 ) 式( 2 1 1 ) 中尽为二极管反向饱和电流，= 詈( 1 _ e a d 为光电流，可见光电流 与入射光辐射通量有良好的线性关系，图2 8 为光电二极管的光照特性曲线，由图 可看出光电二极管的光照特性曲线的线性度较好。 ( 4 ) 温度特性 典型的光电二极管的温度特性是指其暗电流与温度的关系，如图2 9 所示。由 图可知，温度变化对光电二极管光电流的影响很小，而对暗电流的影响却很大【l l 】。 ，、 邑 嫣 哥 米 温度( )温度( ) 图2 9 光电二极管的温度特性曲线 ( 5 ) 响应时间 光电二极管的频率特性是半导体光电器件中最好的一种，普通光电二极管的 ：兮 舛 窨 们 o o o o o o m)嫱脚呆 m 魄 舛 o o o o o o ev漏口呆 第二章光电传感器基础理论介绍 响应时间为1 0 1 x s ，高于光敏电阻和光电池【1 0 】。 2 4 电信号的放大与处理 电信号的放大与处理主要对光电转换电路输出的微弱的电信号进行放大、处 理( 解调、a d 转换或d a 转换) 和运算等，以适用于后续控制和执行模块的要求， 为了实现各种检测目的可以按照实际需要采用具有不同功能的电路来实现，对具 体系统应进行具体分析【9 】。应当指出的是，虽然电路处理有很多方法，但必须要保 证系统的一致性，即对电信号处理与光信号获得和光电转换应做统一考虑和安排。 2 4 1 ，d 转换器原理 a d 转换器的功能是将如电压或电流等任意的模拟量转化成相应的数字代码， 是数字化过程的第一步，也是数字化过程的必经之路。 数字化过程一般包括以下三个步骤： 取样保持( s i - i ) ：主要是获取模拟信号某一时刻的样品值，并在一定时间内 保持这个样品值不变。 量化：将取得的样品值量化为用“0 、“1 表示的数字量。 编码：将量化后的数字量按一定的规则编码成数字流，以便进一步存储和 处理。 图2 1 0 所示为一个a d 转换器的原理框图： 出 图2 1 0a d 转换器原理框图 2 4 2a d 转换器主要性能指标 a d 转换器有许多性能参数，它们是选择器件的主要依据，也是我们设计a d c 的主要目标，其参数可以分为静态性能参数和动态性能参数两类【1 2 】 1 静态性能参数与输入信号没有关系，反映的是实际量化特性与理想量化特 性之间的偏差，取决于无源器件的匹配和比较器的性能，主要包括： 分辨率：指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，即能分辨模拟信号 的最小变化值，一般用a d 转换器的数字化输出字长来表示，a d c 位数越大，分 辨率越高。 精度：转换后所得结果相对于实际值的准确度。 误差：主要包括偏移失调误差( o f f s e te r r o r ) 、增益误差( g a i ne r r o r ) 、微分非线 性误差( d i f f e r e n t i a ln o n l i n e a re r r o r ) 、积分非线性误差( i m t e g r a t e dn o n l i n e a re r r o r ) 等 1 4 抑制环境噪声的红外接近传感器p x 3 0 6 2 的设计 由组成a d c 基本单元( 运算放大器、积分器、比较器、微分器等) 设计不当所造成 的误差。 2 动态性能参数与输入信号相关，主要包括： 动态范围：动态范围是指最大输出基频信号与最小的可分辨输入信号的能量 比，它可以表示转换器所能够处理的最大和最小模拟信号的一个量度 d r ：型：黑：2 c 2 1 2 ) l s bf s r 2 0 用分贝表示：d r ( d b ) = 6 。0 2 n d b 转换速度：有时也用转换时间来表示，转换时间是指从模拟输入电压加到a d c 电路输入端到它获得稳定的二进制码输出所需的时间。转换时间与采样率的关系 跟a d c 的结构有关系，一般情况非流水线结构的转换时间就是最大采样率的倒数， 而流水线结构的a d c 转换时间则是采样率的倒数跟流水线级数( 加的乘积，即 1 乙嘲，拥= n _ - _ ( 2 - 1 3 ) j m 出 信噪比( s n r ) ：单音信号的幅度和所有频率噪声r m s 幅度之和的比值，对于 一个nb i t 的满量程正弦输入信号，其信噪比为 s n i p 6 0 2 卜1 7 6d b ( 2 - 14 ) 而对于过采样，信噪比为 s n r - 6 0 2 + 1 7 6 + l g kd b ( 2 - 15 ) 2 4 3 主要a d 转换技术 模数转换器的功能是将电压或电流等任意模拟量转换成数字代码，众所周知 a d 转换电路技术范围广泛，但绝大多数a d 转换器均可归入下列类型之一【1 3 】： ( 1 ) 在转换周期中对定时电容器充电或放电的积分式a d 转换器； ( 2 ) 反馈回路采用二进制计数器和d a 转换器的数字一斜坡或伺服型转换器； ( 3 ) 利用逐次试探步骤产生数字输出的逐次近似式a d 转换器； ( 4 ) 按单一步骤执行转换操作的并行或闪光式a d 转换器。 1 积分型a d 转换器 积分型a d 转换技术是以间接方式来执行a d 转换的，它首先把模拟输入转换 成为脉宽与模拟电压v a 成正比的定时脉冲，再利用定时脉冲的脉宽对时钟信号的 周期计数的方法，以数字方式测量定时脉冲的持续时间。 积分型a d 转换技术有单积分和双积分两种方式【1 4 1 ：单积分a d 转换器是将模 拟输入转换为一时间间隔，并利用计数器对时间间隔计数，间接把模拟信号转换 成数字信号的一种a d 转换方法，它的缺点是受斜坡电压发生器、比较器精度和时 钟脉冲稳定性的影响，转换精度不高；而双积分a d 转换器将模拟输入进行两次积 第二章光电传感器基础理论介绍 分，可以部分抵消由于斜坡发生器产生的误差，从而提高转换精度，它的特点是 由于积分电容的作用可以大幅度抑止高频噪声，抗干扰能力强，精度较高，可以 达2 2 位，但是转换速度较慢，转换精度随转换速率增加而降低。积分型a i d 转换技 术广泛应用于低速、高精度测量领域，特别是数字仪表领域。 积分型a d 转换主要靠在一固定周期内对未知模拟信号坛进行积分，然后对 某一个极性相反的基准电压积分使积分器输出电平回复到零，通过计数器计量积 分器回复到零所用时间的长短来完成a i d 转换。常见的积分型a d 转换器的基本 架构如图2 1 1 所示，其基本原理描述如下：在开始进行转换前，开关s 2 闭合，积 分器输出电压坛被箝位至地电位，开关s l 被接至吆。开始转换时s 2 打开，使玖 在个时钟周期内进行积分，此时积分器输出电压攻以斜率g a r l c l 线性上升， 个时钟周期结束时，开关s l 被接至v r e f ，g x 以斜率v p e f r i c 2 线性下降，坛大 于零时比较器输出为高，计数器对其为高电平的时间进行计数，攻下降到零时计 数器输出值刀应该为 舻一吆忌( 2 - 1 6 ) 1 图2 1 l 积分型a d 转换器基本架构 图2 1 2 不同模拟输入积分器输出变化 间 数字输出 1 6 抑制环境噪声的红外接近传感器p x 3 0 6 2 的设计 图2 1 2 给出了不同模拟输入电压在进行a d 转换时积分器输出变化，通过该 图可以更好地理解积分型a d 转换原理。如图2 1 2 所示，阶段1 中在固定时间内 对玖积分，阶段2 中对固定电压v p e f 积分，积分时间不定，其大小与模拟输入电 压大小有关。 2 逐次逼近型d 转换器 逐次逼近型a d 转换方式是根据二分搜索法的原理【1 5 1 ，类似于天平称物的一种 a d 转换过程，如t l c 0 8 3 1 ，该a d 转换器是一种以相应的数字代码，按照试探 逐次逼近寄存器 广一一一一一一一一一一一一一1 l 数字 f ，输出 j 图2 1 3 逐次逼近型a d 转换器架构图 差技术对模拟输入信号进行近似的方式工作的反馈系统。逐次逼近型a d 转换系统 主要由逐次逼近寄存器、d a 转换器和比较器构成一个反馈环，如图2 1 3 所示。其 工作原理为【1 6 】：在开始转换之前，位序列信号发生器和位保持寄存器均被清零。 转换的第一步首先以1 作为试探加在保持寄存器的最高位m s b ，其它各位均保持为 零，位保持寄存器的输出加到位d a 变换器的输入端，如果d a 变换器的输出端 电压圪以( 模拟输入电压) ，则比较器的输出保持不变，那么l 就保存至，虚保持寄 存器的最高位m s b 中，否则将用0 代替1 存入m s b ；第二步将l 送至位保持寄存器 的次高位进行试探，如果比较器的输出端状态保持不变，则将l 保存至该位，反之 也要用0 来替代l 。按此方式，从高位到低位依次进行试探直到个周期结束完成所 有位的试探。 在每次试探