光电信息转换集成组合器件

是一种对入射光点位置敏感的光电器件。通过对输出电信号的处理，即可确定入射光点在PSD的位置。入射光点的强度和尺寸大小对PSD的位置输出信号均无关。PSD的输出信号只与入射光点的“重心”位置有关。§3.2.1位置传感器（PSD）

PSD可分为一维PSD和二维PSD，可分别测定光点的一维位置坐标、平面位置坐标。一．一维PSD

实用的一维PSD为PIN三层结构，上面为P层，下面为N层，中间为I层，它们全被制作在同一硅片上。表面P层不仅是光敏面，而且还是一个均匀的电阻层，其两边各有一个信号输出电极。底层的公共电极是用来加反向偏压的。工作原理：当入射光照到PSD光敏面上某一点时，在入射位置产生了与光能成比例的电荷，此电荷作为光电流通过电阻层由电极输出。假设产生的总的光生电流为I0，信号电极上的光电流分别为I1和I2,（假设负载电阻RL相对于R1、R2可以忽略）,则：I0=I1+I2I2I1R2R1L-xL+x==式中L为PSD中点到信号电极的距离，x为入射光点距PSD中点的距离联立上两个方程式可以求得：I1=I0L-x2LI2=I0L+x2L

可见：当入射光点位置不变时，PSD的单个电极输出电流与入射光强度成正比。而当入射光强度不变时，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。得到：Px==I1-I2I1+I2LxPx只与光点的位置坐标有关，而与入射光的强度无关，此时PSD就成为仅对入射光点敏感的器件。Px称为一维PSD的位置输出信号。2．二维PSD二维二维PSD有单面型和双面型两种形式。图示为单面型，受光面上有两对电极，A、B为x轴电极，E为背面衬底共用电极，用它可对正面各电极进行反偏置。设IA~ID为电极A～D的光电流，则光点能量中心的位置坐标为:

CCD（Charge-Coupled-Devices）具有结构简单，集成度高，制造工序少，功耗低，信噪比好等优点。CCD有线阵和面阵二种，由MOS光敏元、移位寄存器、电荷转移栅等部分组成。

CCD可把光信息转换成电脉冲信号，而且每个脉冲反映一个光敏元的受光情况，脉冲幅度反映光强，脉冲顺序反映光敏元的位置，这样就起到了图像传感的作用。§3.2.2电荷耦合器件一、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结构：以硅作为半导体衬底，在其上热生长一层二氧化硅(SiO2)，并在二氧化硅上面淀积金属层（栅极）。因由金属—氧化物—半导体三层所组成，故称MOS（Metal-Oxide-Semiconductor）结构。

P型半导体（S）金属电极（M）SiO2（O）U

以P型衬底为例,加正电压时,空穴被排斥，形成一“耗尽区”（俗称“表面势阱”，其深度近似与电压成正比），电子被吸引耗尽区。光照时，半导体硅产生电子-空穴对，电子被势阱收集，空穴被排出耗尽区。势阱吸收的光生电子数与入射光强成正比。一个MOS结构单元称为一个光敏单元或一个像素。

CCD上有成千上万个相互独立的MOS光敏单元，如果照在这些光敏单元上的是一幅明暗起伏的图像，那么这些光敏单元就会产生出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像，因而得到影像信号。二、移位寄存器移位寄存器也是MOS结构，工作时它不能受光照射。NUaUbUcUatUbtUctt1t2t3t4t1t2t3t4

对多电极a1、b1、c1；……an、bn、cn，每三个如a1、b1、c1组成一个传输单元。存储的电荷依次移位，传输到最后一个电极的电子被依次收集输出。三、转移栅(光敏单元中的电荷向移位寄存器转移)光敏区中产生的电荷，由转移门Z控制转移至a1、a2、----an极下的势阱。四．面阵CCD面阵CCD是按图象信息的处理要求而输出信号的。面阵CCD实际上是由许多线阵CCD排成二维形式，它主要用于电视摄像中。

六、CCD在动态测量直径中的应用设CCD有N0个光敏元，每个光敏元的大小为13μ，计数器计数为N，则细丝直径D为：

CCD动态测量细丝直径的原理如图。D＝13（N0-N）由于用脉冲计数测量，故光源的波动对测量精度影响不大.故可达到较高的测量精度。如需要测量达到更高的分辨率，可用光学放大，如图所示。如k=x/y=1/13，则实际上放大了13倍，此时D＝13k(N0-N)=(N0-N)

测量大物体，可用二块CCD，距离固定为L，假定CCD1的计数值为N1，CCD2的计数值为N2，则D＝L－13N1+13(N0-N2)§3.3光电信息转换组合器件补充：可控硅可控硅又称晶闸管。内部结构:阳极与阴极之间形成了PNPN四层结构，具有J1、J2、J3三个PN结。一、可控硅元件P1N1N2P2N2阳极A阴极K门极GP1P2N1N2J1J2J3AKG可控硅的特性：①具有单向导电性，电流只能从阳极流向阴极;②具有正向导通的可控特性;正向导通两个条件：（1）阳极加上正向电压；（2）门极和阴极之间加上一定的正向门极电压Ug。(称为触发)③可控硅一旦触发后，门极对它将失去控制作用；④使导通的可控硅阻断：降低阳极电压或减小阳极电流Ia。补充可控硅的工作原理：可控硅的三个PN结可等效看成两个晶体管BG1(P1N1P2)和BG2(N1P2N2)组成：P1N1P2N1P2N22Ib2Ib21Ib1Ib1当阳极加正向电压时，一旦有足够的门极电流流入，就形成强烈的正反馈：Ig↑→Ib2↑→Ic2(=2Ib2)↑=Ib1↑→Ic1(=1Ib1)↑BG1BG2AKGK~U2IaUaUgUdRdEgU2UgUdttt0t1t2t3t4t5

光控可控硅元件又称作光激可控硅或光控硅晶闸管。特点是在控制极区以光触发代替电触发。

光敏二极管、光敏三极管的输出电流小，在实际的应用中往往需要附加放大、整形、输出等电路；而光控可控硅元件输出电流可达安培级，并且电流大小不随光强变化而变化。因此光控可控硅已作为自动控制元件而广泛应用于光继电器，自控、隔离输入开关，光计数器，红外探测器，光报警器等方面。二、光控可控硅元件结构和工作原理：NPN衬底P光

光控可控硅元件由P-N-P-N四层构成，通常光控可控硅只有两个极，即阳极（A）和阴极（K）。它的结构如图所示。1IbIb2

1IbAGK结构示意图等效电路图电路符号三、双向可控硅NPNPN五层结构，它有两个主电极A1、A2和一个门极。可以看成是一对反并联的普通可控硅器件。结构及符号：NNPNNNPT1T2GT1T2G1.双向可控硅特性曲线2．双向可控硅的触发方式

工作在第一象限有二种触发方式1＋和1－，工作在第三象限有二种触发方式3＋和3－。

1＋：T1对T2加正电压，G对T2加正电压；

1－：T1对T2加正电压，G对T2加负电压；

3＋：T1对T2加负电压，G对T2加正电压；

3－：T1对T2加负电压，G对T2加负电压；四种触发方式（应用时一般采用第一和第三象限的组合）图4.2.1-6双向可控硅特性曲线

3.双向可控硅触发电路举例

双向可控硅应用电路§3.3.1光电耦合器一、结构和特点光电耦合器结构图将LED和光敏三极管组装在一起，密封在一个对外隔光的封装中：

二、光电耦合器的类型主要有：普通光电耦合器；达林顿光电耦合器；双光电耦合器；四光电耦合器。重要特性:

(1)输入端和输出端的电路完全隔开;(2)两个电路之间可安全地存在成百上千伏的电位差;(3)信号的传递是单向的。输出端的强干扰等不会影响到输入端。

单只光敏三极管作输出级。基极(脚6）一般开路不用，在此情况下，具有300kHz的有效带宽。将基极（引脚6）和发射极（引脚4）的引出端短接在一起：转换为光敏二极管，在这种情况下，带宽约30MHz。（a）普通光电耦合器

达林顿光电耦合器(图b):有效带宽为30kHz。

图c和图d所示的双和四光电耦合器都是利用单只光敏三极管作为输出级。一般输入脚与输出脚各自分别封装在两边。有利于增加隔离电压的最大可能值。在图(c)和图(d)所示的双和四光电耦合器件中，尽管它们具有1.5kV的隔离电压值，但相邻通道间所出现的电位差却不允许超过500V。四、光电耦合双向可控硅

典型的光耦合SCR典型的光耦合双向可控硅图（1）：控制小功率灯泡的电路；图（2）：控制大功率负载的电路。图（1）图（2）

是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。具有分辨率高，可靠性好，抗干扰能力强，应用范围广等优点。可分为增量式编码器和绝对式编码器。

增量式编码器的原理是光栅的莫尔条纹。形成莫尔条纹必须由两块栅距相等的光栅组成.一、增量式编码器1．原理§3.3.2光电编码器光栅线间距0.01～0.1mm由几何关系可得光栅栅距（线纹间距）w、莫尔条纹宽度B和两光栅线纹间的夹角θ之间的关系为θ很小时，由于θ角很小，因而1/θ较大，这样测量莫尔条纹的宽度就比测量光栅线纹宽度容易，故莫尔条纹具有放大作用。主光栅盘安装在转动轴上，与被测轴连接作同步转动。2）光栅盘3）光电信息转换器件一般用一对光敏二极管或光敏三极管。放置间距为莫尔条纹间距的四分之一，这样输出的信号相位差正好是900。4）机械结构安装光栅盘的转轴通过滚珠轴承与机械外壳连接，外壳由金属封闭，以防电磁场的干扰，。2．结构1）光源一般用近红外LED，发光峰值波长为0.94μ。

信号处理电路框图如图3.3.2－2所示。

当光栅盘转动时，光电接收器输出近似的正弦信号，经放大后由施密特比较器进行整形。辨向电路如图3.3.2－3所示。如编码器正转，则

V1的相位超前90º，Vo输出为“1”，控制可逆计数器做加法计数，反之则V2的相位超前90º，Vo输出为“0”，控制可逆计数器做减法计数。4．信号处理电路二、绝对式编码器

1．原理

将光学码盘进行绝对式编码，用透光和不透光表示二进制代码的“1”和“0”，编码方式按二进制码或循环码等规律进行。

2．二进制编码方式

将码盘加工成数个码道，每个码道有黑白分明的码字组成，外层代表最低位，最里面代表最高位，码字排列按二进制规律进行。二进制码盘的码道数n和码道编码容量M之间关系为：

M＝2n

角度分辨率γ与码道数n间关系：

γ＝360o/M＝360o/2n3．循环码编码方式

循环码编码的形式有格雷码，周期码，反射码等。循环码盘的特点:(1)相邻的两组数码之间只有一位是变化的。图3.3.2-6是一种典型的格雷码图案，有五个码道构成。

(2)最外层的码字宽比二进制的大一倍.(3)高位二种码的取值相同，用C表示二进制，R表示循环码，i表示码道数，i＝1，代表最里层（高位）的码道。C1=R1Ci=RiCi-1转换电路

是近十多年发展起来的一种组合光电器件，目前向军民两用方向发展。光纤陀螺是属于惯性技术范畴的一种惯性仪表，也是光电子技术范畴的一种光传感器，光纤陀螺是惯性技术与光电子技术紧密结合的产物。

精度可达到0.00001度/小时。§3.3.3光纤陀螺GS1810-120光纤陀螺仪

ω一．Sagnac