PSD傳感器與信號(hào)處理電路

1、第二章PSD傳感器與信號(hào)處理電路第二章PSD傳感器與信號(hào)處理電路為了將電機(jī)軸的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，本文的傳感器使用光電位置敏感器件PSD（PositionSensitiveDetector。本章介紹PSDS其信號(hào)處理電路的工作原理及選型。2.1PSD傳感器的工作原理及選型傳感器是一種以一定的精確度將被測量（如位置、力、加速度等）轉(zhuǎn)換成與之有確定對應(yīng)關(guān)系的、易于精確處理和測量的某種物理量（如電量）的測量部件或裝置。傳感器在檢測系統(tǒng)中是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，其性能直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的測量精度和靈敏度。如果傳感器的誤差很大，后面的測量電路、放大器等的精度再高也將難以提高整個(gè)系統(tǒng)的精度。所以在系

2、統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)慎重選擇傳感器是十分必要的。光電位置敏感器件PSD（PositionSensitiveDetector）是一種對其感光面上入射光斑重心位置敏感的光電器件。即當(dāng)入射光斑落在器件感光面的不同位置時(shí)，PSD將對應(yīng)輸出不同的電信號(hào)。通過對此輸出電信號(hào)的處理，即可確定入射光斑在PSD的位置。入射光的強(qiáng)度和尺寸大小對PSD的位置輸出信號(hào)均無關(guān)。PSD的位置輸出只與入射光的“重心”位置有關(guān)。PSD可分為一維PSD和二維PSD。一維PSD可以測定光點(diǎn)的一維位置坐標(biāo),二維PSD可測光點(diǎn)的平面位置坐標(biāo)。由于PSD是分割型元件，對光斑的形狀無嚴(yán)格的要求，光敏面上無象限分隔線，所以對光斑位置可進(jìn)行連續(xù)測量從而

3、獲得連續(xù)的坐標(biāo)信號(hào)。實(shí)用的一維PSD為PIN三層結(jié)構(gòu)，其截面如圖2.1.1所示。表面P層為感光面，兩邊各有一信號(hào)輸出電極。底層的公共電極是用來加反偏電壓的。當(dāng)入射光點(diǎn)照射到PSD光敏面上某一點(diǎn)時(shí)，假設(shè)產(chǎn)生的總的先生電流為|00由于在入射光點(diǎn)到信號(hào)電極間存在橫向電勢，若在兩個(gè)信號(hào)電極上接上負(fù)載電阻，光電流將分別流向兩個(gè)信號(hào)電極，從而從信號(hào)電極上分別得到光電流Ii和12。顯然，Ii和I2之和等于光生電流Io,而Ii和I2的分流關(guān)系取決于入射光點(diǎn)位置到兩個(gè)信號(hào)電極間的等效電阻Ri和R2。如果PSD表面層的電阻是均勻的，則PSD的等效電路為圖2.1.1b所示的電路。由于Rsh很大，而Cj很小，故等效電

4、路可簡化成圖2.1.1（c）的形式，其中R1和R2的值取決于入射光點(diǎn)的位置。假設(shè)負(fù)載電阻Rl阻值相對于R1和R2可以忽略，則有：(2.1.1)I1R2Lx12R1Lx式中，L為PSD中點(diǎn)到信號(hào)電極的距離，x為入射光點(diǎn)距PSD中點(diǎn)的距離式（2.1.1）表明，兩個(gè)信號(hào)電極的輸出光電流之比為入射光點(diǎn)到該電極間距離之比的倒數(shù)。將Io=I1+I2與式（2.1.1）聯(lián)立得：軸振動(dòng)光電在線精密測量系統(tǒng)研究圖2.1.1PSD的結(jié)構(gòu)及等效電路a港面電路b)等效電路c)簡化的等效電路Lx102L2L(2.1.(2)(2.1.(3)從以上兩式可以看出，當(dāng)入射光點(diǎn)位置固定時(shí)，PSD的單個(gè)電極輸出電流與入射光強(qiáng)度成正比

5、。而當(dāng)入射光強(qiáng)度不變時(shí)，單個(gè)電極的輸出電流與入射光點(diǎn)距PSD中心的距離x呈線性關(guān)系。若將兩個(gè)信號(hào)電極的輸出電流作如下處理：I2I1XPx一(2.1.4)xI2I1L'，則得到的結(jié)果只與光點(diǎn)的位置坐標(biāo)x有關(guān)，而與入射光強(qiáng)度無關(guān)，此時(shí)PSD就成為僅對入射光點(diǎn)位置敏感的器件。Px稱為一維PSD的位置輸出信號(hào)。本文選用的PSD是日本HAMAMATSUPHOTONICS公司生產(chǎn)的S1352維線陣歹PSD2.2 PSD傳感器信號(hào)處理電路原理PSD兩極輸出的只是光電流I1和I2,要想得到位置輸出信號(hào)Px必須要有相應(yīng)的信號(hào)處理電路的支持。下面介紹PSD專感器信號(hào)處理電路原理。第二章PSD傳感器與信號(hào)處

6、理電路由上一節(jié)可知，Px=(I1-I2)/(I1+I2),因此其基本檢測和處理電路的設(shè)計(jì)思想是先將I1和I2進(jìn)行加減運(yùn)算然后再進(jìn)行除法運(yùn)算。電路原理圖如圖2.2.1所示，光電流I1和I2先經(jīng)過IC1和IC2的低通濾波將高頻噪聲和脈沖干擾去處掉。然后分別通過加法電路IC3和IC5和減法電路IC4得到I1+I2和I1-I20最后I1+I2和I1-I2通過除法電路IC6得到位置輸出信號(hào)Px=(I1-I2)/(I1+I2)圖3212維Psr基本檢測和處理電路該電路只適用于沒有外界光只有信號(hào)光的理想情況。在實(shí)際檢測的環(huán)境中，外界光是存在的，并且會(huì)給上面的原理電路的測試結(jié)果帶來很大的誤差，因此在電路設(shè)計(jì)中

7、要著重考慮如何消除外界光源的信號(hào)干擾。2.3 C5923PSD信號(hào)處理電路本文選用的PSDW號(hào)處理電路是由HAMAMATSUPHOTONICS出品的C5923一維PSD信號(hào)處理電路。該信號(hào)處理電路是專門針對HAMAMATSU司生產(chǎn)的一維PSD專感器設(shè)計(jì)的。C5923采用調(diào)制解調(diào)技術(shù)來去除信號(hào)光中的背景光干擾。C5923信號(hào)處理電路的所有組件都安裝在一塊PCB電路板上，這些電路包括：調(diào)制信號(hào)光源驅(qū)動(dòng)電路、前置放大電路、信號(hào)加法、減法電路、信號(hào)除法電路、信號(hào)采樣保持電路。具體的電路原理圖參見圖2.3.1,現(xiàn)就各個(gè)電路的功能來介紹C59232.3.1 濾波電路濾波電路的功能是讓指定頻段的信號(hào)通過，而

8、將其余頻段上的信號(hào)加以抑制或使其急劇衰減。運(yùn)算放大器和RC網(wǎng)絡(luò)組成的有源濾波器與無源濾波器件相比具有體積小，重量輕，線性特性好的優(yōu)點(diǎn)。其次，由于運(yùn)算放大器的增益和輸入阻抗很高，輸出阻抗很低，所以有源濾波器還能提供一定的信號(hào)增益和緩沖作用。軸振動(dòng)光電在線精密測量系統(tǒng)研究aNO口20TG40二»>11曰MEAD53F不如5口二口口pF圖2.3.1C5923信號(hào)處理電路原理圖6第二章PSD傳感器與信號(hào)處理電路C5923采用的低通濾波器如圖2.3.2所示。輸入的光電流型號(hào)Ii和I2通過濾波器轉(zhuǎn)換成放大的電壓信號(hào)。由于加在PSD上的光信號(hào)是由一定頻率的方波驅(qū)動(dòng)的，因此PSD兩個(gè)引腳輸出的

9、Ii和I2也是交流信號(hào)。Ci在電路中起的是隔直通交的作用。C2和R2組成的RC網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)算放大器一起構(gòu)成低通濾波器，將輸入信號(hào)中的脈沖干擾和高頻噪聲過濾掉，濾波的帶寬的頻率應(yīng)比解調(diào)頻率高。通過改變Ri和R2的值還可以調(diào)整低通濾波器的輸出增益。圖2.3.2低通濾波器2.3.2 運(yùn)算電路I1和I2經(jīng)過濾波之后得到兩個(gè)與I1和I2倒相的電壓信號(hào)VS1和VS2。為了得到最終的位置輸出信號(hào)R。必須要進(jìn)行(VS2VS1)/(VS1+VS2)的運(yùn)算。整個(gè)運(yùn)算可以分為加法運(yùn)算，減法運(yùn)算和除法運(yùn)算三部分來進(jìn)行。下面將逐個(gè)介紹相應(yīng)的運(yùn)算電路。C5923的加法電路是通過圖2.3.3所示的電路來實(shí)現(xiàn)的。圖2.3.3加法

10、電路軸振動(dòng)光電在線精密測量系統(tǒng)研究這個(gè)電路接成反相放大器，由于電路存在虛短，Vi=0,在P端接地時(shí)，Vn=0,故N點(diǎn)為虛地。顯然，它是屬于多端輸入的電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路。利用虛短，虛斷的概念，對反相輸入節(jié)點(diǎn)可得下面的方程式：Vo=(Rf/Ri)Vsi+(Rf/R2)Vs2(2.3.1)這就是加法運(yùn)算的表達(dá)式，式中負(fù)號(hào)是因?yàn)榉聪噍斎胨鸬?，如果電路里Ri=R2=Rf,則上式變?yōu)椋篤o=Vsi+Vs2(2.3.2)在一般的加法電路設(shè)計(jì)中，加法電路的輸出端還要再接一級(jí)反相電路消去負(fù)號(hào)來實(shí)現(xiàn)完全符合常規(guī)的算術(shù)加法。由于在這個(gè)系統(tǒng)中減法運(yùn)算的結(jié)果要和加法運(yùn)算的結(jié)果做除法。因此加法運(yùn)算結(jié)果前的負(fù)號(hào)可以由減

11、法運(yùn)算通過調(diào)整兩個(gè)減法輸入的次序來做調(diào)整。因此在C5923中加法運(yùn)算電路的后級(jí)反相電路可以省略了，從而使整個(gè)電路更加精簡。C5923的減法電路是通過圖2.3.4所示的差分式電路來實(shí)現(xiàn)的。圖2.3.4減法電路從電路結(jié)構(gòu)上來看，它是反相輸入和同相輸入相結(jié)合的放大電路。在理想運(yùn)放的情況下，根據(jù)虛斷，虛短原理，可以得到下列方程式：嗎=(鬻如3.3)在上式中，如果選取電阻值滿足Rf/Ri=R3/R2的關(guān)系，輸出電壓可簡化為s=書口為)(2.3.4)即輸出電壓與兩個(gè)輸入電壓之差(VS2-VS1)成比例，所以圖2.3.4所示的減法電路實(shí)際上就是一個(gè)差分式放大電路。當(dāng)Rf=Ri時(shí)，Vo=VS2-VSI0C59

12、23的除法功能是使用實(shí)時(shí)模擬信號(hào)計(jì)算單元AD538來實(shí)現(xiàn)的。AD538是一個(gè)單片實(shí)時(shí)計(jì)算電路，它能給模擬信號(hào)提供精確的乘法、除法和幕運(yùn)算。輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍可以很大，運(yùn)算輸出信號(hào)的線性好，單片設(shè)計(jì)使它的具有功耗小，可靠性高的特點(diǎn)。AD538通常運(yùn)用于乘法，除法計(jì)算、平方、平方根以及三角函數(shù)近似計(jì)算。第二章PSD傳感器與信號(hào)處理電路AD538總的運(yùn)算表達(dá)式是Vout=Vy(VzZVx)m,根據(jù)不同的需要可以改變AD538的外置電路和輸入信號(hào)的連接來實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)算。C5923使用了它的雙輸入除法運(yùn)算功能。圖2.3.5是AD538進(jìn)行Vout=10(VzZVx)運(yùn)算的連線圖。圖2.3.5AD538實(shí)現(xiàn)

13、Vout=10(VzZVx)如上圖所示AD538的6,7引腳接±15伏特的電源。14,13引腳分別為信號(hào)地和電源地。分母模擬信號(hào)Vz和分子模擬信號(hào)Vx和分別接到1腳和2,16腳。再加上外置調(diào)零電路。最終8腳的輸出信號(hào)Vout=10(VzZVx)。式子中除法項(xiàng)前的系數(shù)10是由外置電路決定的。在C5923中通過對AD538的5腳電壓調(diào)節(jié)可以改變系數(shù)的大小來線性調(diào)整最終輸出的幅值。同時(shí)C5923還引出參考電壓VRef來測試光源的強(qiáng)度。如果測出光源強(qiáng)度偏小可以調(diào)整C5923勺可調(diào)電阻VR來增加系數(shù)來提高增益。具體的C5923的AD538布線參考圖2.3.1的U10。通過上面三個(gè)運(yùn)算電路，信號(hào)

14、光斑在PSD上的位置線性對應(yīng)輸出位置電壓信號(hào)Px02.3.3 調(diào)制解調(diào)電路PSD在接受信號(hào)光的同時(shí)不可避免的會(huì)受到外界光的影響。外界光將疊加在信號(hào)光之上共同產(chǎn)生光電流。這對最終測試結(jié)果的影響是非常大的。在考慮到外界光干擾的同時(shí)也應(yīng)注意到這種干擾的疊加是線性的，即有下面的等式：軸振動(dòng)光電在線精密測量系統(tǒng)研究f(INs)=Is(2.3.5a)f(INw)=|w(2.3.5b)f(INs+INw)=|s+|w(2.3.5c)式子中INs是信號(hào)光輸入，INw是外界光輸入，Is是沒有外界光時(shí)的信號(hào)光產(chǎn)生的光電流，lw是沒有信號(hào)光時(shí)外界光干擾產(chǎn)生的光電流。由上式可知信號(hào)光和外界光疊加到PSD后產(chǎn)生的光電流

15、是信號(hào)光和外界光單獨(dú)作用在PSD上輸出的線性疊加根據(jù)這個(gè)特性可以運(yùn)用調(diào)制解調(diào)技術(shù)把外界光干擾去除掉。C5923的消除外界光干擾電路的設(shè)計(jì)思想是：首先保證外界光為恒定的光強(qiáng)，設(shè)外界光的干擾信號(hào)輸入為INw,設(shè)外界光經(jīng)過PSD產(chǎn)生的光電流為lw,由于外界光強(qiáng)恒定所以INw和lw也為固定常值。由C5923產(chǎn)生一個(gè)周期為300ds、脈沖寬度為90ds的方波如圖2.3.6所示來驅(qū)動(dòng)信號(hào)光源，從而得到調(diào)制的信號(hào)光。在沒有外界光干擾的情況下，設(shè)方波高電平時(shí)輸入信號(hào)為INs,經(jīng)過PSD產(chǎn)生的光電流為Is,方波低電平時(shí)光源不發(fā)光所以輸入信號(hào)和產(chǎn)生的光電流都為零。圖2.3.6脈沖驅(qū)動(dòng)方波在實(shí)際檢測過程中外界光是一

16、直存在的。加在PSD上的光是調(diào)制信號(hào)光和外界干擾光的疊加。在驅(qū)動(dòng)方波高電平時(shí)輸入信號(hào)為INs+INw,由線性特性可知高電平時(shí)產(chǎn)生的光電流為ls+lw。在驅(qū)動(dòng)方波低電平時(shí)由于沒有信號(hào)光所以輸入信號(hào)為INw,產(chǎn)生的光電流為0+Iw。分別在驅(qū)動(dòng)方波高電平和低電平的時(shí)候?qū)怆娏鞑蓸颖３?，然后將高電平的采樣保持信?hào)ls+lw和低電平的采樣保持信號(hào)lw做減法運(yùn)算，最終得到的是沒有外界光干擾的驅(qū)動(dòng)方波高電平信號(hào)光電流Is。在實(shí)際電路設(shè)計(jì)上由于考慮到濾波電路等因素，這個(gè)采樣保持電路是在加法電路和減法電路之后的。這并不影響電路去除外界光的功能。通過以上的調(diào)制解調(diào)，能將外界光干擾從信號(hào)光中去除掉。但它的前提條件是

17、保持外界光是恒定光源。如果不是恒定光源，在高、低電平時(shí)采樣的lw不是同一個(gè)值，這會(huì)導(dǎo)致最后測試結(jié)果錯(cuò)誤。C5923的調(diào)制解調(diào)電路主要有兩個(gè)部分：脈沖方波發(fā)生電路和采樣保持差分電路。脈沖方波發(fā)生電路主要功能是：提供一個(gè)周期為300ds、脈沖寬度為90s的驅(qū)動(dòng)方波給信號(hào)光源同時(shí)要給采樣保持電路一個(gè)驅(qū)動(dòng)方波高電平時(shí)刻采樣觸發(fā)脈沖和一個(gè)驅(qū)動(dòng)方波低電平時(shí)刻采樣觸發(fā)脈沖。10第二章PSD傳感器與信號(hào)處理電路脈沖方波發(fā)生器電路如圖2.3,7所示，圖上的標(biāo)號(hào)仍沿用圖2.3.1的標(biāo)號(hào)方式。脈沖方波發(fā)生器是由一片555定時(shí)器，一片十進(jìn)制計(jì)數(shù)/分配器TC4017和一片TC4071或門組成的。Y5116VmY1215

18、CiY03UCPY2413ENY6512QcoY7611ygY3710憶ggY3圖2.3.8TC4017圖2,3.7脈沖方波發(fā)生器U6=555U7=TC4017U8=TC4071555定時(shí)器一般是由兩個(gè)比較器、一個(gè)基本RS觸發(fā)器和一個(gè)集電極開路的放電三極管三部分組成。C5923里555定時(shí)器的外圍電路使它工作在方波發(fā)生方式。從555定時(shí)器的6腳輸出周期為30ds的方波信號(hào)。該方波信號(hào)輸入到TC4017的14腳時(shí)鐘輸入端CP。TC4017是一個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)/分配器，它的引出端功能圖如圖2,3,8所示。它有三個(gè)輸入端。其中15腳清零端Cr和13腳使能端在TC4017工作時(shí)置零。在圖2.3.1里把這兩

19、端接地了。時(shí)鐘輸入端CP接外部計(jì)數(shù)脈沖，外部脈沖上升沿計(jì)數(shù)。TC4017有10個(gè)譯碼輸出端Y0、Y1、Y2-Y9,每個(gè)輸出端的狀態(tài)和輸入計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù)相對應(yīng)。例如輸入4個(gè)時(shí)鐘脈沖，如果計(jì)數(shù)器從0開始計(jì)數(shù)，則此時(shí)譯碼輸出端Y4應(yīng)為高電平，其余輸出端均為低電平。當(dāng)清零端和使能端接地，時(shí)鐘輸入端CP接一個(gè)周期時(shí)鐘脈沖時(shí)，譯碼輸出端輸出的信號(hào)也是一個(gè)周期脈沖信號(hào)。這個(gè)輸出信號(hào)的周期為輸入時(shí)鐘脈沖周期的十倍，脈沖寬度大小等于輸入時(shí)鐘信號(hào)周期。不11軸振動(dòng)光電在線精密測量系統(tǒng)研究同的譯碼輸出端的輸出信號(hào)對應(yīng)不同的相位。在C5923中Y4、Y5、Y6輸出到TC4071的輸入端，Y5輸出作為光源驅(qū)動(dòng)方

20、波高電平時(shí)刻采樣觸發(fā)脈沖。Y8輸出作為光源驅(qū)動(dòng)方波低電平時(shí)刻采樣觸發(fā)脈沖。圖2.3.9TC4071TC4071是四個(gè)或門組成的集成電路，具邏輯關(guān)系是：當(dāng)全部輸入端都處于低電平時(shí)，輸出端才處于低電平；只要有一個(gè)輸入端出現(xiàn)高電平，輸出端便為高電平。TC4071的引出端功能圖如圖2.3.9所示。從TC4017輸入的Y4、Y5、Y6分別連接到TC4071的8、9、13輸入端進(jìn)行或運(yùn)算后從TC4071的11腳輸出光源驅(qū)動(dòng)方波。該驅(qū)動(dòng)方波經(jīng)過共射集放大器放大后可以直接驅(qū)動(dòng)信號(hào)光源。光源的電源端直接連接到圖2.3.7的A、K端口即可。圖2.3.10是脈沖方波發(fā)生器中幾個(gè)芯片輸出端的波形。圖左邊的標(biāo)號(hào)如555

21、.3表示的是555定時(shí)器的3號(hào)端口的波形。如圖所示TC4071的11號(hào)端口輸出的是一個(gè)周期為300s、脈沖寬度為90s的周期脈沖方波。TC4071的1號(hào)和9號(hào)端口分別輸出光源驅(qū)動(dòng)方波高、低電平時(shí)刻采樣觸發(fā)脈沖。0123456739555.3_TC401L104TCM1T.1|_5TC4017*5|gTC4071,11|TC4O17.9圖2.3.10脈沖方波發(fā)生器波形圖采樣保持差分電路的主要功能是：接收由脈沖方波發(fā)生器發(fā)出的光源驅(qū)動(dòng)方波高、低電平時(shí)刻采樣觸發(fā)脈沖，在相應(yīng)時(shí)刻對調(diào)制信號(hào)進(jìn)行采樣保持，然后將高電平時(shí)刻采樣的信號(hào)與低電平時(shí)刻采樣的信號(hào)做減法運(yùn)算，最后得到的就是消除了外界光干擾的解調(diào)信號(hào)

22、。采樣保持差分電路如圖2.3.11所示，圖上的標(biāo)號(hào)基本沿用圖2.3.1的標(biāo)號(hào)方式。采樣保持差分電路是由兩片LF398芯片組成的采樣保持電路、一片TL074分12第二章PSD傳感器與信號(hào)處理電路壓器以及一片TL074減法電路組成的紹LF398的工作方式減法電路在刖面已經(jīng)有詳細(xì)介紹，下面介國制信號(hào)他中平時(shí)刻系樣附筠脈沖TC2t»>>1n'圖2.3.11采樣保持差分電路U4,5=LF398U8,9=TL074REFHOLCOUTPUT圖2.3.12LF398LF398是一個(gè)采樣保持集成電路，它的引出端如圖2.3.12所示。LF398一共有8個(gè)端口，其中1、4端口接電源；

23、3號(hào)端口接采樣保持輸入信號(hào)，在C5923里它接的是調(diào)制信號(hào)；6號(hào)端口接電壓保持電容；7號(hào)端口接參考電壓；8號(hào)端口接13軸振動(dòng)光電在線精密測量系統(tǒng)研究采樣觸發(fā)脈沖；5號(hào)端口輸出3號(hào)端口的采樣保持信號(hào)。LF398的工作原理是當(dāng)8號(hào)端口電平高于參考電壓時(shí)，輸入與輸出導(dǎo)通，同時(shí)給電壓保持電容充電；當(dāng)8號(hào)端口電平低于參考電壓時(shí)，輸入與輸出斷開，輸出電壓與輸入無關(guān)而是由電壓保持電容的電壓決定的。在C5923的采樣保持差分電路中，兩片LF398的8號(hào)端口分別連接由TC4071的1號(hào)和9號(hào)端口輸出的光源驅(qū)動(dòng)方波高、低電平時(shí)刻采樣觸發(fā)脈沖。這樣就將輸入的調(diào)制信號(hào)分別在光源驅(qū)動(dòng)方高電平時(shí)刻和低電平時(shí)刻進(jìn)行采樣保持

24、，然后通過減法電路將兩者相減，最后得到的就是解調(diào)信號(hào)。通過使用脈沖方波發(fā)生電路與采樣保持電路，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的調(diào)制解調(diào)，在原理上這組電路過濾了信號(hào)光中的背景光干擾。它在實(shí)際測試時(shí)的效果在下一章中會(huì)給出具體的測試比較。2.4信號(hào)光源選用合適的光源對本課題十分重要，下面先介紹兩種應(yīng)用十分廣泛的信號(hào)光源：發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器。2.4.1發(fā)光二極管發(fā)光二極管（lightemittingdiode,LED）,是利用正向偏置PN結(jié)中電子與空穴的輻射復(fù)合發(fā)光的，是自發(fā)輻射發(fā)光，不需要較高的注入電流產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，也不需要光學(xué)諧振腔，發(fā)射的是非相干光。圖2.4.1雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖圖2.

25、4.1是雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖。P-GaAs是產(chǎn)生熒光的復(fù)合區(qū)（有源區(qū)），它和與之相鄰的P-AIxGa1-xAs層構(gòu)成限制電子和光波的同型異質(zhì)結(jié)P-P結(jié)。而和與之相鄰的N-AIyGa1-yAs層構(gòu)成限制空穴和光波的反型異質(zhì)結(jié)P-N結(jié)。在正向偏壓的作用下，P-AIxGa1-xAs區(qū)中的空穴向P-GaAs區(qū)擴(kuò)散，N-AIyGa1-yAs區(qū)中的電子向P-GaAs區(qū)擴(kuò)散，結(jié)果電子和空穴在P-GaAs區(qū)內(nèi)復(fù)合而發(fā)熒光，屬于自發(fā)輻射發(fā)光。由于在P-GaAs層的兩邊有兩個(gè)異質(zhì)結(jié)對載流子（電子和空穴）起限制作用，使載流子有效地集中在P-GaAs區(qū)內(nèi)復(fù)合發(fā)光，故其內(nèi)部量子效率非常高，這是半導(dǎo)體發(fā)光

26、二極管所要求的。14第二章PSD傳感器與信號(hào)處理電路發(fā)光二極管工作需要施加正向偏置電壓，以提供驅(qū)動(dòng)電流。典型的驅(qū)動(dòng)電路如圖2.4,2所示，將LED接入到晶體三極管的集電極，通過調(diào)節(jié)三極管基極偏置電壓，可獲得需求的輻射光功率。在光通信中以LED為光源的場合，需要對LED進(jìn)行調(diào)制，則調(diào)制信號(hào)通過一電容耦合到基極，輸出光功率則被電信號(hào)所調(diào)制。+5V圖2.4.2LED驅(qū)動(dòng)電路LED的特點(diǎn)如下所示：1、LED輻射光為非相干光，光譜較寬，發(fā)散角大。2、LED的發(fā)光顏色非常豐富，通過選用不同的材料，可以實(shí)現(xiàn)各種發(fā)光顏色。如采用GaP:ZnO或GaAaP材料的紅色LED,GaAaP材料的橙色、黃色LED,以及

27、GaN藍(lán)色LED等。而且通過紅、綠、藍(lán)三原色的組合，可以實(shí)現(xiàn)全色化。3、LED的輝度高。隨著各種顏色LED輝度的迅速提高，即使在日光下，由LED發(fā)出的光也能視認(rèn)。正是基于這一優(yōu)勢，在室外用信息板、廣告牌、道路通行狀況告示牌等方面的應(yīng)用正迅速擴(kuò)大。4、LED的單元體積小。在其他顯示器件不能使用的極小的范圍內(nèi)也可使用，再加上低電壓、低電流驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，作為電子儀器設(shè)備、家用電器的指示燈、信號(hào)燈的使用范圍還會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。5、壽命長，基本上不需要維修?？勺鳛榈匕濉ⅠR路、廣場地面的信號(hào)光源，是一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域。LED現(xiàn)在在指示燈，顯示器，信號(hào)發(fā)射光源等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。2.4,2半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器

28、，也稱激光二極管(laserdiode,LD)的物理結(jié)構(gòu)是在發(fā)光二極管的結(jié)間安置一層具有光活性的半導(dǎo)體，其端面經(jīng)過拋光后具有部分反射功能，因而形成一個(gè)光諧振腔。在正向偏置的情況下，LED結(jié)發(fā)射出光來并與光諧振腔相互作用，從而進(jìn)一步激勵(lì)從結(jié)上發(fā)射出單波長的光，這種光的物理性質(zhì)與材料有關(guān)。圖2.4,3所示的半導(dǎo)體激光器由一個(gè)薄有源層(厚度約0.1pm)、P型和N型限制層構(gòu)成。有源層夾在P型和N型限制層中間，由此產(chǎn)生的PN異質(zhì)結(jié)通過歐姆接觸正向偏置，電流在覆蓋整個(gè)激光器芯片的較大面積注入。這樣的激光器面積大，稱為大面積激光器。由于在平行于結(jié)平面的側(cè)向無光限制結(jié)構(gòu)，沿激光器的整個(gè)寬度上都存在光輻射，損耗太大，閾值電流較高，這是大面積激光器的主要缺點(diǎn)。為解決側(cè)向輻射和光限制問